褐煤超大型直管式氣流干燥裝置工業生產的設計

譚永鵬 詹仲福 趙 旭

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

褐煤是煤化程度最低的煤種，是泥炭在適度壓力下轉變而成的。其煤化程度介于泥炭和煙煤之間，含水量高，在空氣中易風化；含一定量的原生腐殖酸；含碳量低，含氧量高，氫含量變化大；揮發分一般在45%～55%之間，易自燃。估計全世界褐煤約占煤炭總儲量的50%，我國已探明的褐煤總儲量達1 303億t，約占全國煤炭總儲量的13%，在目前已探明的褐煤保有儲量中，以內蒙古東北地區最多，約占全國褐煤保有量的3/4，且資源集中，埋藏淺，煤層厚度大，并有相當一部分可供露天開采，是未來東北地區的主要能源和煤化工原料。

褐煤提質加工技術具有推廣及大規模開發利用的價值，其重大意義在于將解除蒙東煤炭建設與生產發展的技術制約，拓寬褐煤市場，更大程度地實現經濟效益、環境效益和社會效益的統一，并對國家褐煤資源的開發利用產生深遠的影響。由于褐煤濕含量大(33%±4%)、產量高(100～1 000t/h)、燃點低、易自燃、熱值低，因此將其作為能源及煤化工的原料時，必須進行干燥，以提高其熱值，使濕含量在6%以下才能使用。

1 干燥方法及工藝選定

目前，國內外針對煤粉的干燥方式主要有：氣流干燥、蒸汽管回轉干燥、圓筒回轉內熱式干燥和流化床干燥[1]。經過多次系統調研并結合現場實際情況，針對褐煤干燥過程易燃、易爆的特點，最終采用氣流干燥方式，系統采用煙氣半閉路循環工藝。

2 設計條件

筆者所選用的氣流干燥系統其具體設計條件如下：

燃料名稱 褐煤

氣流干燥能力 118t/h(wt)

年生產時間 6 000h

進料水分 33%±4%

產品水分 5%±1%

進料溫度 0℃

熱風進口溫度 65℃±50℃

進料平均粒徑 90%以上(含)小于3mm

排放尾氣的粉塵含量 100mg/Nm3

根據以上設計條件，褐煤干燥系統配套高溫煙氣流化床爐，熱負荷為4 652.22kW，氣流管規格為φ2 200mm×30 000mm。一次除塵采用重力沉降倉，沉降倉規格為φ6 600mm×25 200mm，設備容積590m3，二次除塵采用袋式除塵器，除塵器面積為6 500m2，處理煙氣量307 250m3/h(工況)，為了保證系統的密封性能，進料采用星型卸料閥形式。

目前，國內報道的最大直徑的氣流干燥管為金川公司鎳精礦氣流干燥[2]，干燥管最大直徑為φ1 540mm，而且為三段式干燥，干燥管總高為53 560 mm，處理能力為60t/h鎳精礦。

3 工藝流程

氣流干燥系統主要由高溫煙氣流化床爐、進口旋轉加料器、直管式氣流干燥機、大顆粒卸料閥、重力沉降室、摻混料倉、產品卸料閥、中轉螺旋、袋式除塵器、緩沖倉、尾氣引風機、混溫風機、管道、閥門、電氣、儀表以及控制系統等組成。

煙氣半閉路循環褐煤直管式氣流干燥工藝流程如圖1所示。外界助燃空氣經空氣過濾器過濾、鼓風機增壓后，進入高溫煙氣流化床爐，燃料褐煤經過加料裝置加入煙氣爐進行燃燒，經過補充110℃左右的尾氣作為二次助燃風燃燒，控制出口溫度為850℃，經過高溫旋風分離器進一步分離流化床爐燃燒攜帶的爐灰，產生的干凈高溫煙氣與來自混溫風機的干凈尾氣通過文丘里管混合，控制煙氣氧含量小于8%，溫度控制在650℃左右，送至氣流干燥器進風口，作為濕物料干燥、輸送的載體。

圖1 煙氣半閉路循環褐煤直管式

來自皮帶稱重給料機濕含量33%±4%(wt)、粒度3mm左右的濕粉煤，通過旋轉加料器沿斜溜槽加入到氣流干燥器內，濕粉煤在氣流干燥器內部通過分料緩沖裝置后垂直下落，與高速熱風逆流接觸，粉煤中的水分被高溫熱煙氣蒸發而帶走，干燥后的粉煤顆粒被帶至干燥器中段，經過陶析環加速后送至出口，未被熱風帶起的較大顆粒在氣流干燥器底部的錐段沉積，通過大顆粒卸料閥排放。

到達氣流干燥器出口的粉煤濕含量降至5%(wt)，干燥后的粉煤隨尾氣依次進入重力沉降室、袋式除塵器，重力沉降室收集下來的粉煤直接進入摻混料倉，袋式除塵器捕集的細粉煤通過螺旋轉載至摻混料倉，不同粒徑的粉煤顆粒在摻混料倉內進行均勻混合后進入4個緩沖料倉，通過緩沖料倉稱重后進入后續系統。

通過袋式除塵器凈化后的干凈尾氣通過兩臺并聯風機抽吸，其中第一部分尾氣通過混溫風機加壓后送至前段工序的高溫煙氣流化床爐進行混溫，降低煙氣氧含量，第二部分尾氣通過尾氣引風機抽吸后排空。

4 技術改進

4.1 一次除塵器的改造

在氣流干燥系統設計和現場調試過程中，發現有需要改進的情況。

初步設計時，采用4臺φ2 600 mm旋風分離器并聯作為初效除塵器，設備壓降在1 800Pa，在后期設計時，考慮到褐煤切向進入分離器，導致除塵器磨損嚴重，需要進行特殊噴涂處理，設備壓降大，采用了重力沉降倉結構，沉降倉規格為φ8 000mm，設備壓降500Pa，既節省了設備投資成本，又降低了系統能耗[3]。

4.2 干燥管膨脹節密封結構的改造

由于干燥管直徑大，高度高，設備進風溫度高，根據材料的線脹系數計算[4]，干燥管冷熱態伸縮量為257mm，在設備設計制造階段，采用了普通的填料密封保證膨脹量，現場調試時，由于膨脹節處的拉伸，導致筒體焊縫開裂。改造時設計為彈簧自動調節裝置，保證了其伸縮量和密封效果。

4.3 下料口的改造

下料方式在設備設計制造時，采用切向下料，由于下料管高度達4m，進料量達到140m3/h，物料的沖擊力大、沿垂直方向物料速度達到8.85m/s，導致物料無法被熱風攜帶進入后續除塵系統。根據現場調試情況，將進料口改為水平拋物線方式下料，使物料在干燥管內呈水平分布。為了防止物料在干燥管內分布不均勻，在進料口下部1m的距離處設置了格柵板，對物料在水平方向上進行再次分布。

4.4 干燥管進風口的改造

設計制造時，進風口借鑒鎳精礦干燥形式，采用擴大段結構，在現場調試時，由于來自破煤機的大顆粒含量較高，進風管下部形成死區，導致大顆粒排放閥頻繁堵塞。針對現場實際運行情況，并通過CFX軟件對進風段風向和壓降進行分析，具體結果如圖2、3所示。根據分析結果將進風段由原來的φ2 400mm改為φ1 800mm，增加熱風風速為原設計值的178%，進風口壓降增加了1 250Pa，改善下部熱風流道，大量的大顆粒被熱風沖擊，形成高溫密相區，大顆粒在熱風的作用下自爆，大顆粒排放量僅為原來排放量的20%。

圖2 改造前、后熱風流向

圖3 改造前、后熱風壓降分布流向

5 結束語

煙氣半閉路循環褐煤直管式氣流干燥方法，通過褐煤直接燃燒產生煙氣、直管式氣流干燥機一次干燥達到產品濕份要求、大顆粒慣性沉降、細顆粒袋式除塵器捕集、大顆粒與細顆粒通過摻混裝置摻混均勻、排空及混溫風機和助燃風機各自控制風量，保證了裝置的安全可靠運行，使裝置的大型化成為可能；褐煤產品顆粒沉降、大顆粒與細顆粒的摻混工序，使除塵效率高，產品中顆粒混合均勻，對后續工段提供了粒徑分布均勻的原料；本裝置應用于2×0.5Mt/a褐煤提質裝置工業生產中，采用該工藝不但杜絕了生產中的燃燒、爆炸事故，而且改善了產品的粒徑分布,超大顆粒通過直管式干燥機下部錐段排出，保證了后續制球工序的產品質量。

[1] 徐振剛，劉隨芹.型煤技術[M].北京：煤炭工業出版社，2001：152～154.

[2] 柳林.鎳精礦氣流干燥的生產實踐[J].有色冶煉，1999，(z1)：39～42.

[3] 姚玉英.化工原理[M].天津：天津科學技術出版社，2000：153～166.

[4] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2007：1～10.