粉煤蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)出料箱的設(shè)計(jì)*

姚 鵬 李盈海

(南京天華化學(xué)工程有限公司)

粉煤蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)出料箱的設(shè)計(jì)*

姚 鵬 李盈海

(南京天華化學(xué)工程有限公司)

探討了粉煤蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)出料箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)及安全設(shè)計(jì)等要求，重點(diǎn)論述了支撐彈簧的設(shè)計(jì)。

蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī) 粉煤 出料箱 支撐設(shè)計(jì)

粉煤通過(guò)干燥處理，一方面可以提高熱值和能量密度，降低運(yùn)輸成本，另一方面還可以提高下游裝置的利用效率，降低設(shè)備規(guī)模[1]。蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)是一種高效熱傳導(dǎo)型干燥設(shè)備，已成功應(yīng)用于焦煤、褐煤和煙煤的干燥和提質(zhì)。出料箱是干燥機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其內(nèi)孔與旋轉(zhuǎn)的密封面之間設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)，物料經(jīng)干燥后從出料箱的底部排出，干燥后的尾氣從出料箱頂部排出。出料箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)干燥機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)有很大影響。

1 出料箱設(shè)計(jì)

某項(xiàng)目粉煤干燥機(jī)的尺寸規(guī)格為φ2 440mm×17 000mm，考慮到粉煤的易燃易爆特性以及現(xiàn)場(chǎng)要求無(wú)泄漏，采用中心出料方式。

1.1 連接結(jié)構(gòu)

干燥機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，筒體屬于轉(zhuǎn)動(dòng)部件，出料箱處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。筒體和出料箱的連接采用回轉(zhuǎn)支承軸承定位，如圖1所示，軸承內(nèi)圈和筒體法蘭連接，隨著筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承外圈通過(guò)軸承支架和出料箱連接，相對(duì)于筒體靜止?；剞D(zhuǎn)支承軸承是一種能夠同時(shí)承受較大的軸向載荷、徑向載荷及傾覆力矩等綜合載荷的大型軸承?；剞D(zhuǎn)支承軸承本身具有結(jié)構(gòu)緊湊、引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)方便、安裝簡(jiǎn)便及維修容易等特點(diǎn)，被廣泛用于大型回轉(zhuǎn)裝置上[2]。

圖1 出料箱連接結(jié)構(gòu)

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粉煤屬于易燃易爆介質(zhì)，為了安全生產(chǎn)，在出料箱上設(shè)計(jì)了防爆門。由于此項(xiàng)目為出口項(xiàng)目，防爆門的設(shè)計(jì)要滿足標(biāo)準(zhǔn)NFPA68-2007[3]。根據(jù)計(jì)算，干燥機(jī)的泄爆面積不小于3.8m2，考慮到設(shè)備布置，將防爆門放置在出料箱上部，設(shè)計(jì)6個(gè)防爆門來(lái)保證泄爆面積。

由于出料箱整體尺寸和質(zhì)量較大，考慮到安裝和維護(hù)的方便，將干燥機(jī)出料箱分為上下兩部分，通過(guò)法蘭連接，出料箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 出料箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 密封設(shè)計(jì)

干燥機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，筒體相對(duì)于出料箱轉(zhuǎn)動(dòng)，為了防止干燥后的粉煤從轉(zhuǎn)動(dòng)部位泄漏，采用的密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。出料箱上安裝填料函，填料函中間設(shè)有隔板，隔板兩側(cè)安裝密封氮?dú)馊肟诮庸?、冷卻水入口接管和冷卻水出口接管。填料函內(nèi)安裝PTFE盤根作為密封填料，盤根之間安裝孔環(huán)，密封氮?dú)馔ㄟ^(guò)孔環(huán)上的入口對(duì)填料進(jìn)行吹掃，防止煤粉進(jìn)入盤根，影響密封性能。冷卻水通過(guò)接管進(jìn)入填料函內(nèi)部，對(duì)密封面進(jìn)行冷卻，延長(zhǎng)盤根使用壽命。另外，干燥機(jī)運(yùn)行中，需要定期給填料補(bǔ)充油脂，以降低盤根和密封面之間的摩擦，增強(qiáng)密封效果。

圖3 出料箱密封設(shè)計(jì)

1.4 支撐設(shè)計(jì)

1.4.1 支撐整體設(shè)計(jì)

干燥機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，出料箱箱體處于相對(duì)靜止(圖4)，出料箱支腿和基礎(chǔ)連接，箱體上設(shè)計(jì)有支座，支座通過(guò)支撐組件和支腿連接。

圖4 出料箱支撐整體設(shè)計(jì)

1.4.2 支撐組件設(shè)計(jì)

干燥機(jī)工作時(shí)隨著溫度的升高，筒體會(huì)產(chǎn)生軸向膨脹，所以出料箱必須考慮筒體的軸向位移。筆者的設(shè)計(jì)理念是：將支腿和基礎(chǔ)固定，支腿和出料箱體之間通過(guò)支撐組件連接。

支撐組件結(jié)構(gòu)如圖5所示，其下端是一個(gè)帶溝槽的滑輪，干燥機(jī)支腿上焊接一個(gè)角鋼作為滑輪運(yùn)動(dòng)的限位塊，干燥機(jī)工作時(shí)，產(chǎn)生熱膨脹，干燥機(jī)滑輪以限位角鋼為軌道滑動(dòng)?；喼ё透稍餀C(jī)出料箱支座之間安裝支撐彈簧，用來(lái)支撐出料箱。運(yùn)行過(guò)程中出料箱發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，支撐彈簧可以吸收跳動(dòng)量，保證干燥機(jī)的正常運(yùn)行。支撐彈簧中間安裝彈簧定位桿，干燥機(jī)支座上安裝調(diào)整彈簧，用來(lái)調(diào)整支撐彈簧。滑輪止轉(zhuǎn)桿阻止干燥機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中由于筒體的扭轉(zhuǎn)力導(dǎo)致支撐組件產(chǎn)生很大的翻轉(zhuǎn)。

圖5 出料箱支撐組件

1.4.3 支撐彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算[4]

先根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況，確定出料箱最小工作載荷P0,1=57kN，最大工作載荷P0,n=59.5kN。取彈簧數(shù)量z=4，計(jì)算出彈簧最小工作載荷P1=P0.1/z=14250N，彈簧最大工作載荷Pn=P0,n/z=14875N。根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)和工程經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)彈簧工作行程h為4±1mm，初算彈簧剛度P′=(Pn-P1)/h=156.3N/mm；計(jì)算工作極限載荷Pj=Pn/0.8=18593.8N。

1.4.4 滑輪軸的設(shè)計(jì)

滑輪軸尺寸如圖6所示，最大支撐載荷為59 500N，由于滑輪軸的數(shù)量為4，所以每個(gè)滑輪軸的最大支撐載荷為14 875N， 平均載荷q=14875/0.13=114423N/m。

圖6 滑輪軸尺寸簡(jiǎn)圖

危險(xiǎn)截面(B、C)疲勞強(qiáng)度校核：

彎矩MB=MC=q·|AB||BC|/2=114.42N·m，截面系數(shù)Z=πd3/32=6.28×10-6m3，危險(xiǎn)截面安全系數(shù)：

查表得到，45#鋼的彎曲疲勞極限σ-1=240MPa，彎曲時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ=2.05，拉伸平均應(yīng)力折算系數(shù)ψσ=0.34，彎曲的尺寸影響系數(shù)εσ=0.88，表面質(zhì)量系數(shù)β=0.95，彎曲應(yīng)力的平均應(yīng)力σm= 18.2MPa，彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅σa=σm=18.2MPa。

按疲勞強(qiáng)度計(jì)算的許用安全系數(shù)Sp=1.8，由于Sa≥Sp，危險(xiǎn)截面安全系數(shù)校核滿足條件。

利用赫茲公式校核接觸應(yīng)力：

其中，滑輪軸的最大支撐載荷P=14875N，45#鋼的彈性模量E=206GPa，滑輪軸和支座的接觸長(zhǎng)度l=50mm，滑輪半徑R=20mm。

材料45#鋼接觸面許用接觸應(yīng)力σ=1050MPa，由于σmax≤σ，所以接觸應(yīng)力設(shè)計(jì)滿足條件。

1.5 防爆門的設(shè)計(jì)

防爆門結(jié)構(gòu)如圖7所示，其工作原理是：當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定壓力(正壓：+9.8kPa)時(shí)，爆破片破裂，釋放一定的壓力，剩余的壓力導(dǎo)致壓力釋放安全閂鎖開(kāi)啟，法蘭蓋在重力作用下下降，由于鉸鏈的存在，對(duì)法蘭蓋的下降起到限位作用[5]。

1.6 安全及防積料設(shè)計(jì)

在安全設(shè)計(jì)上，干燥機(jī)出料箱頂部設(shè)有工藝水入口，干燥機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)氧分析儀來(lái)嚴(yán)格控制含氧量，當(dāng)含氧量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)蒸汽管路的閥門迅速打開(kāi)，向干燥機(jī)出料箱內(nèi)噴入工藝水，降低氣體氧含量的同時(shí)團(tuán)聚筒內(nèi)氣體中的粉塵，降低粉塵自燃及爆炸的危險(xiǎn)性，確保系統(tǒng)安全。

由于干燥機(jī)的出料口相對(duì)于出料箱尺寸較

圖7 防爆門結(jié)構(gòu)示意圖

小，所以出料箱下部需要設(shè)計(jì)成錐體，錐體的角度需要參考物料的堆積角，不能太小，一般要求大于60～70°。同時(shí)，為了更好地防止煤粉粘結(jié)在出料箱上，在出料箱上設(shè)計(jì)振動(dòng)電機(jī)來(lái)敲打出料箱。

2 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)粉煤干燥的特殊要求，筆者對(duì)蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)出料箱的支撐設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討，為此類干燥機(jī)的大型化提供了設(shè)計(jì)參考。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)，此出料箱結(jié)構(gòu)支撐可靠，密封性能良好，保證了干燥機(jī)的長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行。

[1] 曾在春.褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)淺談[J].化工設(shè)計(jì)，2011,21(1)：3～5,37.

[2] 鄭蘭疆，李彥，趙武，等.大型回轉(zhuǎn)軸承的承載性能分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2008,24(2)：82～86.

[3] NFPA68-2007,Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting[S].USA: National Fire Protection Association ,2007.

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：11～29.

[5] 姚鵬，張娟.一種新型防爆門設(shè)計(jì)在煤干燥行業(yè)中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2016,(3)：139～140，107.

DischargeBoxDesignforPowderedCoalSteamTubeRotaryDryer

YAO Peng1,LI Ying-hai1

(NanjingTianhuaChemicalEngineeringCo.,Ltd.)

In this paper,the design concerning discharge box’s structure,sealing and safety were discussed and the attention was given to the design of support spring.

steam tube rotary dryer,powdered coal,discharge box,support design

姚鵬(1984-)，工程師，從事化工機(jī)械設(shè)計(jì)工作，yaopengtju@163.com。

TQ053

A

0254-6094(2017)04-0407-04

2016-11-23)