1概述干燥过程作为工业生产上的一个单元操作，耗能量较大。理论上每干燥1 kg水，常温下需要消耗2 487 kJ的热能，实际消耗比理论值还要高出1倍以上。干燥过程中的消耗因素主要来自保证干燥质量而升温、投资效益以及热源限制等。目前干燥系统中主要采用热风接触式干燥，在大多数热风接触式干燥工艺中，排气温度约为75 ℃，干燥后的尾气不仅含大量潜热，也含有显热，直接排放尾气将造成能源的巨大浪费。潜热包含在水蒸气中，回收后成为低品位热源。将回收的潜热应用在低温干燥或预热物料过程中具有节能意义[1]，也可以将回收的潜热应用在居民用取暖、洗浴等方面。尾气中潜热回收常用的方法包括热泵换热法[2]、热管换热法[3]、翅片换热器换热法[4]。有研究使用高效吸收聚合物（Super Absorbent Polymer）吸收干燥尾气中的湿分，使部分潜热得到恢复利用，利用率达到18.7%，干燥机综合热效率提高12.5%[5]。潜热吸收还可以有效降低尾气湿度，并对尾气回转率产生影响。尾气的显热体现在代表尾气温度的焓中，对于较大规模的干燥系统，尾气排放出大量的热。有研究提出返还一部分尾气，达到减少能量浪费的目的[6]。通过尾气的反转，减少尾气排放，达到节能减排、较少环境污染的目的。但是反转率是有限的，有研究建议反转率为20%~30%最佳[7]。但有研究在水果脱水干燥试验中，使反转率达到60%~85%，节能效率可以达到30%~60%[8]。事实上反转的条件要求很严格，必须满足：（1）返回后保证尾气不能饱和，否则将无法干燥；（2）满足传质学上的菲克定律（Fick's Law），保证返回后尾气的绝对湿含量小于物料表面的绝对湿含量。干燥过程是物料颗粒表面的水分子逃逸到周围干燥介质（热风）中的过程，同时颗粒内部的水分子不断渗透到颗粒表面。逃逸及逃逸速度主要取决于物料表面和周围热风的绝对湿度差，当物料表面与周围空气的湿度差大于0时，发生干燥过程；当湿度势等于0时，停止干燥；当湿度势小于0，也就是热风的绝对湿度大于物料表面的绝对湿度时，物料出现返潮。热工学上湿度势越大，干燥越快。菲克定律在干燥过程中的表达式如下：J=D×ΔU (1)式中：J——质量传递通量，单位时间的水分蒸发量，kg/m3；D——传质系数，水汽扩散系数；ΔU——湿度势，kg/m3。当物料表面湿度低于周围干燥介质湿度时，ΔU为负值，水分蒸发通量J也是负值，也就是物料返潮。物料表面湿度不易测量，但根据热工理论，物料表面湿度最大值相当于此物料温度时的空气饱和湿度。因此周围热风的绝对湿度必须小于物料温度条件下的空气饱和湿度，否则物料无法干燥。干燥设计为保证干燥速度，并考虑内部传质速度的影响，湿度的当量温度至少比物料温度低10 ℃。2尾气反转的工艺流程燃煤热风炉回转风工艺流程如图1所示。燃煤热风炉也可以选择燃气、燃油的热风炉替代，或者选择蒸汽换热器直接加热，也可以间接加热。无论何种热源，都是尾气返回一部分，之后与新加入的空气一起加热。达到温度的热风通过干燥系统、除尘系统后排出，完成干燥工艺。返回量靠反转阀门控制，返回量与干燥机风出口的质量流量比称为反转率。反转是连续进行的，反转率越高，排出的尾气越少，节能越多。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.013.F001图1燃煤热风炉回转风工艺流程3最大反转率的计算尾气绝对湿度的计算如下：X=M+γX1+(1-γ)X0 (2)式中：X——尾气的绝对湿度，g/kg；γ——尾气反转率，即返回量与干燥系统排出总尾气的比值；M——干燥过程中物料向热风中蒸发的水汽，即1 kg绝干空气的湿分增加量；X1——返回的空气湿度；X0——原始空气的湿含量，即绝对湿度。M可以通过质热平衡方程计算得出。总体上干燥温度越高，M值越大。按照水分去除率的定义，可推算出：X1=（1-β）X (3)式中：β——湿尾气的湿水分去除率，即去除的水分占尾气总水分比值。进一步推导出X的计算式为：X=M+(1- γ)X01- γ+γβ (4)通过式(4)可以发现，已知尾气最终湿度X、当地气候湿度X0、湿气去除率β，以及单位热风干燥蒸发量M，就可以推算出反转率γ。空气湿度饱和水含量与温度有关，可查阅湿焓图确定，部分湿焓数值如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.013.T001表1部分湿焓数值温度/℃空气饱和湿度（水/空气）/（g/kg）温度/℃空气饱和湿度（水/空气）/（g/kg）温度/℃空气饱和湿度（水/空气）/（g/kg）-1000.000 008 7107.733 000 060154.820 000 0-900.000 060 02014.897 000 065207.555 000 0-800.000 340 03027.581 000 070281.807 000 0-200.643 000 04049.568 000 075390.370 000 0-101.620 000 05087.560 000 080559.835 000 003.823 000 055116.279 000 0实际上X0远小于M，气候条件按照冬季0 ℃计算，X0饱和时仅为3.823，X0可以看作是0。公式进一步简化为：X=M1- γ+γβ (5)再假定排出的尾气中没有去除水分，则β=0，公式简化为：X=M1- γ (6)从式(6)可以看出，反转率越大，尾气湿度越大。实际上尾气湿度必须小于排出口处欲干燥物料的表面湿度，而且有一定的差值，才能有传质的湿度势，即去除水分（即干燥）的驱动力。对于逆流干燥，绝大多数情况尾气处的物料经预热后处于等速干燥段[9]，即物料颗粒周围的湿度就是该温度下的饱和湿度。为保证一定的湿度势，设计时尾气湿度可以按照比预热后物料温度低5~10 ℃时的饱和湿度进行设计。对于顺流干燥，最后出口的物料多处于降速段干燥，所以表面湿度要比温度对应的饱和湿度低，具体数值可用湿球温度法测量。测量后可以确定对应的尾气设计湿度X。以糟渣干燥为例[10]，对于多孔质的糟渣顺流干燥来说，出风处达到干燥要求的干燥阶段仍非常接近等速干燥段。计算时，按照比预热后物料温度低10 ℃的饱和湿度选取空气湿度更加可靠。以银川某企业设计并制造的搅拌干燥为主的药渣（B12渣及泰乐菌素渣）干燥工艺参数，计算反转率和节能量。基本参数为：干燥采用燃煤热风炉窑热源；搅拌干燥，顺流；总尾气质量流量40 000 kg/h，干燥进风温度400 ℃，尾气未除湿；尾气温度80 ℃；蒸发水量4 000 kg/h，干燥末端物料温度65 ℃。由于药渣是多孔质物料，主要干燥过程多处于等速段，出口处也接近等速段，所以物料表面湿度接近于65 ℃时的饱和湿度，但为了保证一定的湿度势，尾气湿度应低于此数值，一般按低于物料温度10 ℃时的饱和湿度考虑。此时空气湿度按55 ℃时的空气饱和湿度考虑。对应表1数据可知，55 ℃时空气饱和湿度为116.279 g/kg。将M=100 g/kg，X=116.279 g/kg代入式(6)，计算出γ=14%。为了保证干燥质量，在尾气不脱水的前提下，回转率可以达到14%。进风温度越低，达到的最大回转率越高。本研究中采用的是400 ℃的高温干燥，如果采用250 ℃的中温干燥，则M=50，此时γ=57%，表明此时节能率达到57%。进风温度越低，尾气反转越有意义，节能越多。干燥行业使用高温时的热利用率较高，但是在很多场合因为不具备直接燃煤、燃气的条件，只能用150 ℃的蒸汽热源，此时利用尾气反转设计具有巨大的节能价值。4节能量计算计算反转率γ后，可以计算显热节能量。实际反转后的显热热能就是节能量，计算如下：ΔQ=γ×L×c(t- t0) (7)式中：ΔQ——节能量，kJ/h；L——干燥空气介质全流量，kg/h；c——空气比热，kJ/(kg·℃)；t——尾气最后排除温度，℃；t0——即时环境温度（干燥热源进风温度），℃。节能效率计算如下：η=ΔQcL(t- t0)=γ(8)节能效率等于回转率。以药渣干燥为例，冬季按环境温度0 ℃计算，节能量ΔQ为488 kW。本研究中的药渣干燥是在耗煤量为60 t的处理车间内完成（3条生产线），计算的节能量相当于每天可节省1.5 t煤炭，具有一定的工业意义。5提高反转率与节能量的方案为了达到更高的反转率，可以将返回的尾气先脱水再反转。以某药渣干燥系统为例，研究不同尾气脱水率条件下，干燥系统可以达到的回转率。计算公式推导为：γ=1- 100/116.2791- β=0.1391- β (9)不同尾气除湿率对应的计算结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.013.T002表2不同尾气除湿率对应的计算结果参数尾气除湿率β0.10.20.30.40.50.6尾气回转率γ/%15.417.419.923.227.834.8节能量/kW5376076948099691 213换热器除湿是降温过程，是否具有节能意义还需要详细计算。但尾气通过反转重新回到燃烧系统，可将大量的气味分子分解，达到部分除味的目的。利用预热提高尾气出口的物料温度，提高尾气湿度，进而提高反转率和节能效率。仍以药渣干燥为例，400 ℃进风，如果通过预热保持出风处物料温度为70 ℃，则尾气最大湿度可以按60 ℃的空气饱和湿度考虑，此时的回转率计算结果为：γ=1-  MX=1-  100154.82=35.4%，此时节能量为1 234 kW，相当于每小时节省126 m3天然气。但是升温预热也需要成本，如果能在今后利用余热提高尾气湿度将带来巨大的工业意义。6结语（1）干燥进风温度越低，反转率越高，节能量及节能效率越高。特别是针对蒸汽换热干燥，因其进风温度更低，节能意义更大。（2）提高干燥过程中的物料温度，通常是在预热阶段可以有效提高尾气回转率，提高节能效率。（3）将尾气水分去掉一部分之后再反转，可以有效提高反转率及节能效率。