微波干燥机监测方式的改进与优化

2019-05-03吴金伟吴慧军

设备管理与维修 2019年19期

吴金伟，吴慧军

（中国石化催化剂有限公司长岭分公司，湖南岳阳 414000）

0 引言

20 世纪60 年代，国外有关企业和研究机构已经对微波技术在物质干燥领域的理论和应用进行大量研究，近几十年来这项技术得到进一步的发展。国内规定工业微波干燥的频率主要为2450 MHz 和915 MHz，目前微波技术多用于化工、食品、农副产品、木材类、建材类、造纸、保温板建材等行业的干燥，也用于食品、农副产品等的杀菌，应用领域广泛。

近年来，微波技术在石油化工催化剂生产行业得到应用，不仅可用于催化剂或分子筛等化工原料的干燥，对于某些特定分子筛焙烧的应用也取得成功。由于微波具有加热速度快、效率高、操作强度低、环境友好等优点，微波技术在催化剂生产领域的应用将越来越广。

1 微波干燥原理

微波干燥方式与由表及里的传统加热不同，微波加热是将微波能量通过空间或媒质以电磁波的形式传导给物料内部原子或分子，激发分子高频振荡而发生转动能级跃迁产生热量，物料在电磁场中的介质内外同时升温，因而微波干燥具有干燥速度快、节能、生产效率高、干燥均匀、清洁卫生、易实现自动化控制和提高产品质量等优点。

微波干燥的热源来自于微波发射管，即磁控管。当微波照射到含水物料时，由于水分子是极性分子，极性分子的物质会吸收微波，且在微波场中随着微波的频率而快速变换取向，来回转动，使分子间相互碰撞摩擦，吸收微波的能量而使温度升高，随之汽化蒸发，再由除湿风机将箱体内水蒸气抽走，最终达到干燥物料的目的。

物质吸收微波功率的表达式见式1。

式中 P——为介质吸收微波功率，W

F——为微波频率，Hz

E——有效电场强度，V/m

V——物料的体积，m3

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ε0——真空介电常数，8.85×10-12

εr——介电常数

tan δ——介质损耗角正切值

由公式1 可以看出，物质在微波场中，其单位体积的热能转换与微波电场强度的平方成正比，同时与微波频率及物质的介电特性（介电常数和介质损耗）等因素也密切相关。当微波频率和物料确定以后，介电常数和介质损耗以及频率是不变的，物质吸收的能量主要取决于微波场强。有效微波场强必须与所需功率相匹配，否则可能会出现物料干燥不透或微波干燥机超温等问题。

2 微波干燥机存在问题及原因分析

中国石化催化剂长岭分公司于2014 年引进MDF-N240 型连续微波干燥机应用于分子筛等化工原料的干燥，达到了较好的效果。该设备采用隧道式结构，由微波发生及冷却机构、PLC自动化控制、监测系统、视频监控系统、传输带自动纠偏系统、除湿系统等组成，如图1 所示。

该设备箱体采用不锈钢板制造，外部保温，具有较强的隔热保温性能与抗腐蚀性能，物料通过传送带连续输送，匀速通过微波干燥箱，实现连续作业并到达干燥效果。该设备微波发射频率为2450 MHz，系统采用PLC 控制，操作简单，具有劳动强度低、节省能耗、工作环境友好等优点，但由于进料物料含水量的不稳定性，容易造成干燥箱内物料过热燃烧、损坏设备、降低磁控管使用寿命等现象。

2.1 故障现象

实际生产过程中，由于进料物料的含水量高，且含水量不稳定（含水量为70±15%），物料的干燥时间波动较大，造成含水量降低的物料通过干燥箱时微波功率过剩，导致微波主要元件（磁控管）使用寿命受到影响。

微波干燥机的核心为磁控管和监测系统。目前，微波干燥机采用的监测系统通常使用红外测温或者接触式仪表对箱体内的温度进行测量，通过测量箱体内温度的变化调节箱体内的微波量，进而保证物料能够在传送过程中得到干燥。但这种测温方式存在一个严重的缺点，当进料物料含水量降低，物料过早干燥，吸收微波能力下降，这时加热机箱体内微波功率密度大幅快速增加，而温度往往反应滞后，很可能出现因微波源功率调节不及时导致磁控管损坏、物料燃烧引起传送带烧损、馈入板或导波管烧穿变形等故障，严重影响生产，甚至造成设备事故。

2.2 原因分析

图1 微波干燥机结构

（2）接触式测温仪表（如热电偶）测量温度比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要充分进行热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，存在测温延迟现象。

（3）微波干燥依赖于微波加热。微波介电加热的频率是915 MHz 和2.45 GHz，最常用的频率是2.45 GHz。与依靠传导、对流的加热方式不同，微波加热是依靠介质材料在微波场中的极化损耗产生的整体加热，热量产生于材料内部而非来自外部加热源，这种方式的加热更快速、均匀，且无温度梯度，无滞后效应。当物料进料量减少或物料中水分已被蒸发完全时，箱体内场强将会迅速增加，而此时箱体内的温度将会迅速增加，系统接收到超温信号后才做出反应，而此时物料传送带有可能已经被烧坏。

（4）在物料干燥充分，而没有超温时，系统依然会输入高功率微波，物料中的极性分子会继续吸波生热，而此时已无水分蒸发带走热量，使得物料燃烧起来，烧损传送带、馈入板、导波管等，同时因为传送带烧损，微波直射至炉腔的不锈钢底板反射回微波源，会导致磁控管损坏。

综上所述，传统控制方式为测量微波干燥机箱体内温度，一方面目前微波场中的温度尚无大家认可的准确的方法进行测量，另一方面，控制温度不能够有效的避免微波输入量过大的问题，因此以控制温度为手段，控制最终物料的含水量不是最有效的手段。

3 解决方案

根据物料的含水率、干燥完成后的含水率以及物料传送时间，确定箱体内的微波场强强度，对系统的场强强度控制进行设置，使得箱体内场强始终保持在设定范围内。

当物料进入箱体时，水分吸收微波，场强减小，此时通过场强监测将信号进行反馈，增大场强，使得保持箱体内场强不变；当物料中水分被蒸发后，物料吸收微波能力减小，箱体中场强增大，场强监测信号反馈后，减小场强输入；当异常状况下，进料量为零时，箱体内的场强迅速增强，场强监测监测到信号后，逐渐关闭输入量，直至完全关闭，从而保证传送带、馈入板等不会被损坏。

方案应用于MDF-N240 型连续式高效微波干燥机，将原有箱体分割成两部分，每部分腔体内装入一个微波场强监测器，并接入到PLC 控制系统，改造完成后进行带料运行，设备平稳运行290 余天无故障，磁控管使用寿命显著提高。