煤泥泛指煤粉含水形成的半固體物，是煤炭生產(chǎn)過程中的一種副產(chǎn)品。由于煤泥具有高水分、高粘性、高灰分、低熱值、遇風(fēng)飛揚(yáng)遇水流失等特點(diǎn)，因此必須進(jìn)行深度干燥來提升其熱值。于是微波烘干設(shè)備開始運(yùn)用起來。

1 我國煤泥干燥技術(shù)現(xiàn)狀

目前，我國煤泥干燥技術(shù)主要有煤泥濾餅碎干機(jī)干燥和滾筒式干燥機(jī)干燥。

(1)煤泥濾餅碎干技術(shù)是一項(xiàng)將煤泥定量破碎和干燥結(jié)合在一起的干燥工藝。該技術(shù)通過將煤泥濾餅定量破碎，增加與熱介質(zhì)接觸的干燥表面積，使干燥過程熱交換充分，可達(dá)到機(jī)械流體脫水的極限。碎干工藝對煤泥水分的控制有兩條途徑:一是提高干燥介質(zhì)的溫度，二是降低穿流網(wǎng)帶的速度。提高干燥介質(zhì)的溫度會造成部分運(yùn)動部件在高溫環(huán)境中運(yùn)行，而降低穿流網(wǎng)帶速度則必然減少煤泥的干燥量。碎干技術(shù)處理后的煤泥水分通常只能一次降低10%左右，煤泥中仍有15%～20%的含水量，必須進(jìn)行再度干燥。

(2)滾筒式干燥機(jī)依靠自身滾筒的轉(zhuǎn)動和傾斜度，通過內(nèi)部揚(yáng)料板將煤泥不停地翻滾，與進(jìn)入滾筒內(nèi)的高溫?zé)煔庑纬蓪α鲹Q熱，從而實(shí)現(xiàn)對煤泥的干燥。并且，該技術(shù)可根據(jù)用戶要求，通過設(shè)計(jì)滾筒長度和直徑來達(dá)到所需的產(chǎn)品水分。自上世紀(jì)80年代開始，歷經(jīng)30多年的發(fā)展，滾筒式干燥機(jī)因運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠、操作簡單、熱效率高，目前已成為煤泥干燥的主導(dǎo)設(shè)備。但其占地面積大，成本高，噪聲污染、熱污染以及對周圍環(huán)境的粉塵污染嚴(yán)重。

目前，微波干燥技術(shù)以其干燥效率高，干燥清潔無污染，易實(shí)現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點(diǎn)，在食品、醫(yī)藥、木材、橡膠工業(yè)、污水處理等各個(gè)領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用和高度重視[4]。與現(xiàn)有煤泥干燥技術(shù)相比，微波烘干設(shè)備具有能耗低，效率高;烘干煤泥時(shí)間短，產(chǎn)量大;生產(chǎn)過程無污染，工人工作環(huán)境好;設(shè)備簡單，施工安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)。因此，對煤泥的微波烘干技術(shù)有必要進(jìn)行深入探討與研究。

2 微波特性及微波烘干設(shè)備機(jī)理

2.1 微波特性

微波是一種電磁波，其頻率在300MHz～300GHz之間，波長在1mm～1m(不含1m)之間。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對于有些材質(zhì)，微波幾乎可以穿越而不被吸收，如玻璃、塑料和瓷器;有些材質(zhì)會吸收微波使其自身發(fā)熱，如水和食物;有的材質(zhì)則會反射微波，如金屬類東西。與其他方式相比，在工業(yè)加熱干燥方面，微波具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)物料干燥過程中的干燥層首先在物料內(nèi)層形成，然后由內(nèi)而外擴(kuò)展。原因是微波透入物料內(nèi)部時(shí)會被吸收，其能量瞬時(shí)轉(zhuǎn)為熱能而使物料(包括里層物料及其所含有的水分)整體升溫。此時(shí)，里層水蒸氣壓力驟升，在該壓力的驅(qū)動下，水蒸氣向物料表層排除。

(2)微波加熱為瞬時(shí)加熱，因此無熱慣性，易于操作。

(3)根據(jù)干燥物料的不同，微波加熱可選擇不同功率進(jìn)行干燥，實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)，因此可避免能源的浪費(fèi)。

(4)微波加熱技術(shù)操作易控制，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)

2.2 微波烘干設(shè)備機(jī)理

微波在加熱物料時(shí)，由于被加熱物料中的水分子是極性分子，它在快速變化的高頻點(diǎn)磁場作用下，極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化，使分子發(fā)生運(yùn)動并相互摩擦，使微波場的場能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使物料的溫度升高，達(dá)到微波加熱干燥的目的。物料在微波場中吸收功率P aV的計(jì)算公式為:

式中:εr為被干燥介質(zhì)的介電常數(shù);ω為微波的工作頻率，ω =2πfω;tanδ為介質(zhì)損耗角的正切值;E2為電場強(qiáng)度有效值;V為物料的體積。

2.3 微波加熱與常規(guī)加熱的區(qū)別

在微波加熱與常規(guī)加熱下，物料干燥層形成示意圖以及熱量和質(zhì)量遷移方向如圖1所示。

圖1 常規(guī)加熱與微波加熱機(jī)理以及熱量和質(zhì)量遷移方向模型示意圖

從傳熱動力學(xué)觀點(diǎn)來分析，常規(guī)加熱法對物料加熱時(shí)呈現(xiàn)如圖1(a)所示的狀態(tài):物料中溫度梯度由內(nèi)層指向外表面，而熱量傳導(dǎo)方向與蒸汽遷移方向相反。這說明常規(guī)加熱時(shí)物料里面和外表層的溫差大，整體溫度分布相當(dāng)不均勻，而且傳遞熱量會受到質(zhì)量遷移阻礙，于是延緩了整體溫升過程，使得加熱時(shí)間較長。對于微波加熱圖1(b)來說，在加熱過程中，物料是整體加熱溫升，由于物料表面水分的蒸發(fā)，使外表面溫度相對于里層的要低，其溫度梯度由物料外表面指向里層，而熱量傳導(dǎo)方向也與蒸汽遷移方向相同。

3 煤泥微波烘干設(shè)備

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

為了防止微波泄漏，煤泥微波烘干設(shè)備采用了封閉式烘干室，煤泥輸送設(shè)備安放于烘干室內(nèi)，烘干室頂部裝有微波加熱器、微波控制器以及紅外測溫儀，另外由輸送設(shè)備速度控制器來調(diào)節(jié)輸送設(shè)備速度。煤泥微波烘干設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微波烘干設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 工作原理

煤泥微波烘干設(shè)備工作時(shí)，通過轉(zhuǎn)載機(jī)等其他設(shè)備將煤泥通過進(jìn)料口裝載到輸送設(shè)備上;輸送設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將煤泥輸送至烘干室;當(dāng)輸送的煤泥通過微波加熱器時(shí)，煤泥受到微波輻射而被加熱，煤泥中含有的水分受熱后部分蒸發(fā);烘干后的煤泥通過出料口輸送出去。

輸送設(shè)備速度控制器用來調(diào)節(jié)和控制輸送設(shè)備速度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)干燥時(shí)間的目的;紅外測溫儀隨時(shí)監(jiān)測煤泥表面溫度，并實(shí)時(shí)反饋給微波控制器;微波控制器控制微波加熱器的功率，使功率隨需求變化，達(dá)到能源利用大化，從而避免了能源的浪費(fèi)。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

判別該設(shè)備是否節(jié)能，需要與其他加熱方式進(jìn)行比較，即比較在達(dá)到相同干燥效果時(shí)設(shè)備所消耗的總的能量的多少，以總能耗量值小者為優(yōu)。

一般說，物料受熱工程中總能耗為如下分配:

式中:P1為物料加熱升溫所需要的能量;P2為加熱過程中散失給物料周圍環(huán)境中的能量以及加熱設(shè)備部件升溫消耗的能量;P3為物料中水分加熱蒸發(fā)所需消耗能量;P為總能耗量。

顯然，P1和P3為物料加熱脫水時(shí)所必需的能耗量，稱為有效耗能。故加熱效率η可表示為:η=(P1+P3)/P， (3)式中比值η表示物料被加熱時(shí)的能量有效利用率，η值越大，表明加熱設(shè)備的熱效率高，設(shè)備越節(jié)能。

微波烘干設(shè)備烘干室箱體采用金屬原料，金屬對微波具有反射功能，所以當(dāng)微波加熱設(shè)備對物料加熱時(shí)，物料吸收微波的量遠(yuǎn)大于微波加熱區(qū)設(shè)備部件(箱體)對微波的吸收，物料溫升遠(yuǎn)大于箱體。而常規(guī)加熱則將設(shè)備部件同時(shí)加熱，因此微波設(shè)備能量利用率遠(yuǎn)大于常規(guī)加熱設(shè)備。

我國微波加熱技術(shù)起步較晚，與國外一些國家存在差距，但是近幾十年來也取得了一定的成績和進(jìn)展。與現(xiàn)有的干燥設(shè)備相比，微波烘干設(shè)備具有干燥瞬時(shí)性、無污染、干燥效率高等優(yōu)越性，目前已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，因此很有必要對微波烘干設(shè)備在煤泥干燥領(lǐng)域的應(yīng)用做進(jìn)一步研究，以使其實(shí)現(xiàn)效率大化、產(chǎn)品系列化、連續(xù)自動化，進(jìn)而能夠使微波干燥技術(shù)替代現(xiàn)有的煤泥干燥方式，減少目前煤泥干燥在生產(chǎn)中帶來的各種污染，在環(huán)保及節(jié)能減排方面做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

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