中低溫煤干餾冷焦機的結構設計①

米 超 竇 巖 楊少華

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

中低溫煤干餾冷焦機的結構設計①

米 超 竇 巖 楊少華

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

針對中低溫煤干餾的半焦產物需進一步降溫才能利用的問題，闡述了結構合理、運行可靠的管式回轉冷焦機的設計要點，并分別介紹了冷焦機主要部件(進料螺旋給料機、機身、支撐系統、密封裝置及卸料裝置等關鍵結構)的設計。

干餾冷焦機 蒸汽管 褐煤熱解 結構 設計

褐煤熱解是在惰性氣體中對褐煤進行加熱干飽，其產品有半焦、煤氣和煤焦油。褐煤半焦產品水分低、揮發分低、熱值高、燃點高、孔隙發達，是用途較廣的吸附材料、過濾材料，還可作為冶金工業的炭質還原劑和無煙原料[1～3]。為實現煤炭的綜合利用，原料煤經過干燥工序、熱解工序除去原煤中的水分和揮發份后，進入下一冷卻工序，并將半焦由520℃冷卻到110℃。由于氣化制漿工序[4]中關鍵設備水煤漿泵的抽漿安全溫度為60℃，而冷卻的半焦溫度過高，不能滿足氣化制漿工序的要求，因此需設置冷焦機對半焦進行進一步的冷卻，當半焦被冷卻到60℃后再進入輸送機，運送至半焦斗提機，被儲存于半焦倉內，用于氣化制漿工序使用。據此，筆者詳細闡述了回轉冷焦機的設計要點。

1 冷焦機的工作原理

冷焦機的工作原理為：冷水由冷卻水入口進入旋轉接頭進水管，經過冷水分配器，再通過密布的換熱管，對半焦進行冷卻，換熱管在冷卻機頭部與環管相通，冷水通過換熱管匯集到環管，通過數量少且管徑大的外圈換熱管再次冷卻半焦，而后流回冷卻機尾部的旋轉接頭回水管內，最后由出水口流出，完成一次冷卻循環，冷卻水進出口在一端，增加了冷卻長度，同時，冷卻水由低處進入，延長了冷卻時間，提高了冷卻效率。

2 設備配置

本冷焦機采用多管回轉滾筒式結構[5]，由筒體、齒圈、換熱管、前后支撐系統、傳動系統、出料箱、冷卻水旋轉接頭、潤滑系統、機架及防護罩等組成(圖1)。

圖1 冷焦機結構簡圖

2.1 進料出料密封

為保證冷焦機設備運行的安全性、環保性和內部物料、氣體無泄漏，其密封性能的要求比較高。

參考回轉設備密封結構[6,7]，本設備進料處采用軸承定位的V形環密封結構[8]，該密封V形環處設有氮氣密封氣，另有冷卻水夾套裝置對該部位進行冷卻(圖2)。該軸承定位的V形環密封結構密封性能指標是，設備在運轉中進行0.01MPa(G)氣密性試驗，要求在10min內壓降不大于4kPa；該設備的回轉精度要求很高，制造過程中，首要保證機體的同心度，通過將機體整體車削的辦法保證回轉部位的回轉精度，從而保證密封部位的跳動小于1.5mm，再通過有效的密封結構保證密封效果。

圖2 進料密封示意圖

出料箱密封(圖3)選擇石墨浮環+石墨帶編 織盤根的組合，并輔以氮氣反吹的密封形式。該 結構的特點為隨著石墨浮環內圈的磨損，密封面 處也將磨合到一定程度，最后每層浮環之間環向 緊緊貼合到一起，而此時石墨浮環與密封面的間隙不會變化，即此時也是磨合后的最佳密封狀態。石墨帶編織盤根密封的特點是耐磨、耐高溫，并輔以氮氣反吹，進而達到最佳的密封狀態。

圖3 出料箱處密封示意圖

2.2 進料螺旋輸送機

螺旋給料機由螺旋軸體、殼體、軸承座、傳動電機減速機、機架及檢修軌道等組成(圖4)。螺旋給料機設計為兩點軸承座支撐的懸臂結構。考慮到螺旋給料機輸送量大、軸體重，為保證軸承的使用壽命，在軸體懸臂端增加吊掛滑動軸承，滑動軸承采用耐磨軸承鋼制作，并通入潤滑油進行潤滑。采用間歇式潤滑油箱進行供油，供油間歇時間和油量可以調節，提高滑動軸承的使用壽命，并能保證軸承受力均勻，增加螺旋給料機的可靠性。

圖4 螺旋給料機示意圖

為了便于干燥機檢修，螺旋給料機需設計滾輪和檢修滑道，檢修時可將螺旋給料機移動，在不拆除給料機的情況下，即可完成檢修工作，節省了檢修時間。

2.3 冷焦機機身結構設計

機身是冷焦機最主要的部件之一[9,10]，主要包括薄壁筒節、厚壁筒節、前滾圈、后滾圈、傳動大齒圈及換熱管組等主要部件組成(圖5)。

圖5 冷焦機機身結構

2.3.1 滾圈跨距的確定及滾圈、大齒圈的設計

前后滾圈的跨距應能夠傳遞足夠的扭矩并保證筒體撓度小于許用撓度，且應考慮懸伸端的長度，至少應保證兩端懸伸端重量相等，避免筒體偏重。前、后滾圈與滾圈固定板之間的間隙大小也是設計主要考慮的內容之一，滾圈與固定板之間采用間隙配合，未設計徑向固定鍵，且間隙的大小正好能夠抵消筒體在熱態下的徑向膨脹量，達到零零配合的理想狀態。滾圈的安裝采用熱套的方式與固定板組裝，保證使用的可靠性，防止因滾圈與固定板的間隙過大而發生徑向竄動。前后滾圈軸向設計固定擋塊，應能夠承受足夠的軸向力，擋塊的焊接應保證有足夠強度，且應進行塞焊，防止擋塊焊縫開裂。

2.3.2 換熱管的排布

換熱管應按照冷卻所需的換熱面積進行排列，且按照同心圓的形式進行布置，換熱管圈一般設置為3～8圈，圈數的多少主要取決于物料填充率的大小，填充率一般為15%～25%。每圈換熱管的根數由筒體的直徑、換熱管徑和管間距來確定，且每圈換熱管根數應是3的倍數，管間距一般為40～80mm之間，換熱管與筒體內壁的間距也應保證在40～80mm之間最為合理。換熱管通過管支撐固定在筒體，一端與冷水口管板采用脹焊結構進行連接，另一端與管板采用填料和填料壓蓋進行固定。

2.3.3 管支撐的布置

管支撐板一般為每圈3根或6根換熱管設置一個管支撐。每組管支撐的個數如果為奇數，則每組應設置前后3排，不會存在兩相鄰的管支撐，便于物料流動；如果管支撐的個數為偶數，則每組設置前后兩排即可，原則是不能存在兩個相鄰的管支撐。兩組管支撐之間的最大間距不能超過3 300mm，間距過大，換熱管在物料作用下會出現撓度，損壞換熱管。前后滾圈、大齒圈和筒節焊接環縫處不應設置管支撐，因為滾圈、大齒圈部位為主要承載部位，在旋轉作用下，會存在交變應力，長時間運轉時，會導致管支撐板焊縫開裂，嚴重影響冷焦機的使用壽命。為了保證管支撐部位筒體的橢圓度，在筒體外壁設置加強圈，加強環高度和寬度均應保證有足夠的強度，且加強環必須整體套在筒體上，以保證筒體的橢圓度，防止筒體橢圓導致管支撐焊縫開裂及換熱管在管支撐部位的斷裂。換熱管與管支撐的間隙應不大于1.5mm，間隙過大，容易導致換熱管開裂，間隙過小會造成安裝困難，并容易劃傷換熱管表面。

2.4 干燥機卸料裝置的結構設計

卸料方式設計為圓筒徑向卸料結構(圖6)，在冷焦機出料端部位，沿圓筒周向均布設置6～8個卸料口，卸料口為方形結構，口的大小根據粉煤處理量確定，在卸料口邊沿設置導料口，便于物料順利排出；導料口大小與卸料口相同，導料口設置法蘭，采用螺栓與卸料口邊沿的筒體連接，且導料口法蘭邊沿設置高度200～300mm的方接管，便于物料在冷焦機旋轉的過程中，順利的排出到出料箱體。圓筒卸料口前段設置擋料環(溢流堰板)，保證冷焦機內物料的填充率和停留時間；換熱管穿過擋料環，且管孔按照換熱管的布置方式進行排列，擋料環的外圈與干燥機筒體內壁焊接固定，內圈高度應比靠近筒體中心的換熱管組高出100～150mm，以提高傳熱效率。在圓筒旋轉過程中，被冷卻的物料沿冷焦機斜度方向越過擋料環，沿卸料口順利排出，經過導料口，然后進入出料箱體，送至其他設備。

圖6 干燥機徑向卸料結構示意圖

3 設備故障及處理措施

干餾冷焦機設備常見的故障有堵焦、超壓、超溫和斷水報警，處理措施如下：

a. 堵焦。在出料箱底部設置料位檢測裝置(圖7)，此裝置的組成包括彈力橡膠板、活動門、復位彈簧及行程開關等。工作原理是當系統發生堵焦情況時，堆積的半焦會擠壓活動門，從而使活動門外移，活動門外移會觸發行程開關動作，繼而中控室得到堵焦信號，此時聯鎖停車，進行人工處理并使用刮板機將半焦輸送至后系統。

b. 超壓。在冷焦機冷卻水出口管道上設置安全閥，安全閥啟跳壓力應小于冷焦機的設計壓力，啟跳壓力0.495MPa，有效保證換熱管等部件的安全。

c. 超溫。在冷焦機冷卻水出口管道上設置測溫儀表，實時檢測冷卻水回水溫度，若回收溫度超過38℃，應及時調節進料量、冷卻水用量等參數，保證回水溫度恒定。

d. 斷水報警。在冷焦機冷卻水出口管道上設置了流量開關，實時檢測冷卻水耗量，若無流量顯示，應聯鎖停車處理，保證冷卻水系統不超溫超壓。

圖7 料位檢測裝置示意圖

4 冷卻水系統

冷焦機供回水均通過旋轉接頭實現，旋轉接頭是多管回轉冷焦機靜動結合的機械密封組合部件，冷卻所需的冷卻水進入和排出都由它完成，冷卻水系統由殼體、靜環、動環、補償元件及軸承填料密封等組成。

5 結束語

通過以上結構分析，設計出結構合理、運行可靠的半焦蒸汽管回轉冷焦機。該設備處理能力大，密封性能好，運行穩定，能有效冷卻半焦，為氣化制漿工序提供合格的產品，實現低階煤的高效清潔利用，對緩解能源供應緊張局面、優化能源結構有重要意義。

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[5] 潘永康.現代干燥機技術[M].北京：化學工業出版社，2006：134～136.

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[10] 金國淼.干燥設備[M].北京：化學工業出版社，2002：310～339.

StructureDesignofColdCokingMachineforMediumandLow-temperatureDryDistillationofCoals

MI Chao, DOU Yan, YANG Shao-hua

(TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.)

Aiming at to cool semicokes for later application, the key points of designing a tube-type rotary cold coking machine was expounded; and the design of its main parts like the screw feeder, frame and supporting system, sealing device and the unloading device were introduced.

cold coking machine, steam pipe,pyrolysis of brown coal,structure, design

米超(1992-)，碩士研究生，從事旋轉干燥設備的結構分析、傳熱數值模擬等方面的研究，mlutcn@163.com。

TQ051.1

A

0254-6094(2017)01-0047-05

2016-03-21，

2016-11-02)