人工合成鋰皂石熱泵干燥試驗研究

劉金龍，鄭師卿，曹少疑，張穎紅，鄭林偉

(1.浙江省地質礦產研究所，國土資源部粘土礦物重點實驗室，浙江省非金屬礦工程技術研究中心，浙江 杭州 310007；2.浙江金光新能源設備科技有限公司，浙江 杭州 311411)

人工合成鋰皂石(以下簡稱鋰皂石)是一種三八面體式結構的含水層狀硅酸鹽礦物，具有優異的膠體分散性、穩定性、觸變性和懸浮性。在陰離子和非離子型的親水膠體體系中，作為懸浮劑、增稠劑、觸變劑及保濕劑，廣泛應用于水性涂料、乳膠漆、化妝品、牙膏和造紙等領域。對提高工業產品質量、降低工業生產成本和增加社會經濟效益都有較大作用。鋰皂石主要是通過水熱法合成[1]，而水熱法加熱、加壓反應完成后生成鋰皂石濕物料，具有粘度大，含水率高特點，導致干燥困難。目前鋰皂石的干燥主要采用電加熱法(熱風循環烘箱)和蒸汽加熱法。電加熱法能耗大，干燥成本高。蒸汽加熱法運行成本相對較低，但前期投入高(蒸汽管線鋪設)，并受廠區位置限制(有無蒸汽源)，無法推廣。

熱泵干燥的原理就是利用蒸發器吸收外界空氣和干燥過程排放廢氣中的熱量，經過壓縮機做功，將熱量轉移至烘箱中，烘箱內的熱空氣經過反復循環加溫，使物料中的水分不斷的蒸發汽化，經過熱風排濕或者冷凝水的過程，把水排出，從而使物料干燥脫水。熱泵干燥具有能耗低、干燥產品質量高等特點[2]。國內已有應用熱泵干燥技術于蔬菜、水果等產品[3-6]， 而目前有關熱泵干燥鋰皂石試驗研究尚未見報道。本次試驗研究主要采用單因素法，通過空氣源熱泵烘干機對鋰皂石進行干燥脫水試驗研究，分析影響鋰皂石干燥能耗的因素，探索用熱泵干燥鋰皂石的可行性，為后期大規模工業應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

鋰皂石濕物料來自杭州浙地礦物科技有限公司，含水率為84．16%。

空氣源熱泵烘干機(浙江金光新能源設備科技有限公司)，設備型號為JG-100TB，額定功耗1．0kW，風量1 100m3/h，干燥室尺寸為170cm×79．3cm×58．6cm，設定烘干最高溫度70℃。

1.2 測試項目

(1) 鋰皂石的含水率。通過間隔一定時間將托盤取出稱重計算。

(2) 干燥能耗。用電表進行測量，記錄對應的電表讀數。

1.3 干燥性能評價方法

對于熱泵干燥裝置，常用單位能耗除濕量(SMER)來評價一個熱泵干燥系統[2]，單位能耗除濕量定義為：SMER=Md/Wd。

式中：Md——水分蒸發量，kg；Wd——輸入的電能，kW·h。

1.4 試驗內容

從反應釜放出的鋰皂石濕物料，待其自然冷卻，稱重裝入熱泵烘干機的托盤中，各托盤裝入的鋰皂石重量相同，放入熱泵烘干機內，記錄電表初始讀數。然后每隔1h通過干燥室的透明玻璃窗觀察鋰皂石形貌，若24h內仍有透明狀濕物料(鋰皂石干燥后呈白色)，間隔24h后記錄電表讀數并稱重托盤；若無，即認為已完全干燥，記錄時間和電表度數，并稱重托盤，避免過度干燥。

2 結果與討論

2.1 托盤位置對干燥效果的影響

本試驗應用的熱泵烘干機出風口位于底部，回風口位于頂部，并且由于鋰皂石濕物料的粘稠性會阻礙通風，干燥室內可能存在上下溫度差異影響干燥效果。將托盤按高度從高到低序號依次記為1～16，每個托盤裝入10kg鋰皂石，總計160kg，比較24h時各托盤的水分蒸發量，試驗結果見圖1。

圖1 托盤位置對鋰皂石水分蒸發量的影響

圖1 試驗結果可知，出風口的位置不同的確影響鋰皂石的干燥效果。離出風口越近，水分蒸發相對越快，并且蒸發量差異明顯。同時干燥不均使得中下部托盤中鋰皂石過分干燥，造成了電能浪費。在實際干燥過程中，換動各托盤位置，可加快干燥速度，節省能耗，但會增加人力成本，且換盤時，造成熱量流失。因此工業應用的烘房(箱)設計時需要考慮出風口位置和出風方式，以保證各托盤干燥通風均勻。

2.2 干燥時間對干燥效果的影響

每托盤裝入10kg鋰皂石濕物料，總計160kg，單位能耗除濕量隨時間變化見表1。由表1可知，完全干燥需要57h，總耗能為63kW·h，單位能耗除濕量為2．13kg/(kW·h)。熱泵除濕干燥器的單位能耗除濕量一般為2～2．5kg/(kW·h)[2]，這說明采用熱泵干燥鋰皂石是經濟有效的。

表1 單位能耗除濕量隨時間的變化(160kg)

單位時間內單位能耗除濕量變化見表2，由表2可以看出，在干燥過程中，起始24h內，單位能耗除濕量為2．77kg/(kW·h)，隨后第二個24h內，單位能耗除濕量降為1．84kg/(kW·h)，最后9h的單位能耗除濕量降低至0．96kg/(kW·h)，僅為起始24h單位能耗除濕量的35%，低于正常范圍，說明采用熱泵烘干機對鋰皂石濕物料進行除濕干燥后期效率有所下降。熱泵干燥后期可考慮與常規干燥方式結合，提高干燥效率，進一步降低干燥能耗。

表2 單位時間內單位能耗除濕量的變化(160kg)

2.3 裝載量對干燥效果的影響

在溫濕度基本相同條件下，減小裝載量，另行做兩組試驗，即每托盤裝入6kg和8kg鋰皂石濕物料(裝載量分別為96kg和128kg)，比較不同裝載量條件下對鋰皂石干燥效果的影響，試驗結果見表3。

表3 不同裝載量下的能耗對比(24h)

從表3初始24h能耗分析可以看出，在初始階段，裝載量越少，相同時間內水分蒸發量占總重的百分比越高，干燥速度越快；而裝載量為96kg時單位能耗除濕量卻最低，這是由于單位能耗除濕量隨著干燥程度提高逐漸下降造成，裝載量為96kg的24h水分蒸發量占總重的79．38%，與鋰皂石總水分84．16%相比，已經進入干燥末段，熱泵干燥末段單位能耗除濕量整體偏低，與前面試驗結果吻合。

當鋰皂石完全干燥完成后，不同裝載量下的能耗對比見表4。從表4可以看出，裝載量為96kg時，單位能耗除濕量為2．07kg/(kW·h)；裝載量為128kg時，單位能耗除濕量為1．82kg/(kW·h)；裝載量為160kg時，單位能耗除濕量為2．13kg/(kW·h)，差異較為明顯，說明鋰皂石的裝載量的確影響干燥能效；裝載量為128kg時，由于厚度未有明顯變化，而減少了產品重量，導致單位能耗除濕量下降；裝載量為96kg時，由于每盤濕物料減少，厚度明顯減低，各托盤之間空隙明顯增大，改善通風，而加快了干燥速度，單位能耗除濕量反而比128kg是有所提升；裝載量為160kg(接近最大承載量)，單位能耗除濕量最高，為2．13kg/(kW·h)，且在熱泵干燥單位能耗除濕量正常值范圍內，說明裝載量對單位能耗除濕量影響較大，在保證正常通風條件下，可盡量加大裝載量。同時裝載量為160kg時單位質量耗電2．46kW·h/kg，僅為目前采用電熱風烘箱干燥單位質量耗電6．50kW·h/kg的37．8%，節能效果顯著。每噸鋰皂石成品的成本可降低約3 000元，經濟效益可觀。

表4 不同裝載量下的能耗對比(干燥完成)

3 結論

(1) 熱泵烘干機的出風口的位置會影響干燥效率，造成電能浪費，工業應用時，需要調整熱泵烘干機的出風口位置和出風方式，確保各托盤干燥均勻，提高干燥效率。

(2) 采用熱泵烘干機對人工合成鋰皂石進行干燥脫水，不同干燥階段單位能耗除濕量差異明顯，干燥后期不經濟，可以與常規干燥方式相結合進一步降低干燥成本。

(3) 人工鋰皂石采用熱泵干燥在技術和經濟上是可行的，在保證正常通風條件下，可以盡量加大裝載量。熱泵干燥比電加熱干燥節約成本，僅為后者的37．8%，節省超過60%的干燥成本，對于降低鋰皂石生產成本具有重要意義。

(4) 熱泵干燥法一般為低溫干燥，對于高溫會影響物理性能的粘土礦物的干燥也有重要參考意義。