粉煤蒸汽管回轉干燥機出料箱的設計*

姚 鵬 李盈海

(南京天華化學工程有限公司)

粉煤蒸汽管回轉干燥機出料箱的設計*

姚 鵬 李盈海

(南京天華化學工程有限公司)

探討了粉煤蒸汽管回轉干燥機出料箱的結構設計、密封設計及安全設計等要求，重點論述了支撐彈簧的設計。

蒸汽管回轉干燥機 粉煤 出料箱 支撐設計

粉煤通過干燥處理，一方面可以提高熱值和能量密度，降低運輸成本，另一方面還可以提高下游裝置的利用效率，降低設備規模[1]。蒸汽管回轉干燥機是一種高效熱傳導型干燥設備，已成功應用于焦煤、褐煤和煙煤的干燥和提質。出料箱是干燥機的關鍵部件之一，其內孔與旋轉的密封面之間設置有密封結構，物料經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。出料箱的結構設計對干燥機的長周期運轉有很大影響。

1 出料箱設計

某項目粉煤干燥機的尺寸規格為φ2 440mm×17 000mm，考慮到粉煤的易燃易爆特性以及現場要求無泄漏，采用中心出料方式。

1.1 連接結構

干燥機運轉過程中，筒體屬于轉動部件，出料箱處于相對靜止狀態。筒體和出料箱的連接采用回轉支承軸承定位，如圖1所示，軸承內圈和筒體法蘭連接，隨著筒體轉動，軸承外圈通過軸承支架和出料箱連接，相對于筒體靜止。回轉支承軸承是一種能夠同時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。回轉支承軸承本身具有結構緊湊、引導旋轉方便、安裝簡便及維修容易等特點，被廣泛用于大型回轉裝置上[2]。

圖1 出料箱連接結構

1.2 整體結構設計

粉煤屬于易燃易爆介質，為了安全生產，在出料箱上設計了防爆門。由于此項目為出口項目，防爆門的設計要滿足標準NFPA68-2007[3]。根據計算，干燥機的泄爆面積不小于3.8m2，考慮到設備布置，將防爆門放置在出料箱上部，設計6個防爆門來保證泄爆面積。

由于出料箱整體尺寸和質量較大，考慮到安裝和維護的方便，將干燥機出料箱分為上下兩部分，通過法蘭連接，出料箱整體結構設計如圖2所示。

圖2 出料箱整體結構設計

1.3 密封設計

干燥機運轉過程中，筒體相對于出料箱轉動，為了防止干燥后的粉煤從轉動部位泄漏，采用的密封結構如圖3所示。出料箱上安裝填料函，填料函中間設有隔板，隔板兩側安裝密封氮氣入口接管、冷卻水入口接管和冷卻水出口接管。填料函內安裝PTFE盤根作為密封填料，盤根之間安裝孔環，密封氮氣通過孔環上的入口對填料進行吹掃，防止煤粉進入盤根，影響密封性能。冷卻水通過接管進入填料函內部，對密封面進行冷卻，延長盤根使用壽命。另外，干燥機運行中，需要定期給填料補充油脂，以降低盤根和密封面之間的摩擦，增強密封效果。

圖3 出料箱密封設計

1.4 支撐設計

1.4.1 支撐整體設計

干燥機運轉過程中，出料箱箱體處于相對靜止(圖4)，出料箱支腿和基礎連接，箱體上設計有支座，支座通過支撐組件和支腿連接。

圖4 出料箱支撐整體設計

1.4.2 支撐組件設計

干燥機工作時隨著溫度的升高，筒體會產生軸向膨脹，所以出料箱必須考慮筒體的軸向位移。筆者的設計理念是：將支腿和基礎固定，支腿和出料箱體之間通過支撐組件連接。

支撐組件結構如圖5所示，其下端是一個帶溝槽的滑輪，干燥機支腿上焊接一個角鋼作為滑輪運動的限位塊，干燥機工作時，產生熱膨脹，干燥機滑輪以限位角鋼為軌道滑動。滑輪支座和干燥機出料箱支座之間安裝支撐彈簧，用來支撐出料箱。運行過程中出料箱發生跳動時，支撐彈簧可以吸收跳動量，保證干燥機的正常運行。支撐彈簧中間安裝彈簧定位桿，干燥機支座上安裝調整彈簧，用來調整支撐彈簧。滑輪止轉桿阻止干燥機在啟動過程中由于筒體的扭轉力導致支撐組件產生很大的翻轉。

圖5 出料箱支撐組件

1.4.3 支撐彈簧設計計算[4]

先根據設備運行情況，確定出料箱最小工作載荷P0,1=57kN，最大工作載荷P0,n=59.5kN。取彈簧數量z=4，計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。根據設備特點和工程經驗，假設彈簧工作行程h為4±1mm，初算彈簧剛度P′=(Pn-P1)/h=156.3N/mm；計算工作極限載荷Pj=Pn/0.8=18593.8N。

1.4.4 滑輪軸的設計

滑輪軸尺寸如圖6所示，最大支撐載荷為59 500N，由于滑輪軸的數量為4，所以每個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 滑輪軸尺寸簡圖

危險截面(B、C)疲勞強度校核：

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

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

按疲勞強度計算的許用安全系數Sp=1.8，由于Sa≥Sp，危險截面安全系數校核滿足條件。

利用赫茲公式校核接觸應力：

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度l=50mm，滑輪半徑R=20mm。

材料45#鋼接觸面許用接觸應力σ=1050MPa，由于σmax≤σ，所以接觸應力設計滿足條件。

1.5 防爆門的設計

防爆門結構如圖7所示，其工作原理是：當壓力超過設定壓力(正壓：+9.8kPa)時，爆破片破裂，釋放一定的壓力，剩余的壓力導致壓力釋放安全閂鎖開啟，法蘭蓋在重力作用下下降，由于鉸鏈的存在，對法蘭蓋的下降起到限位作用[5]。

1.6 安全及防積料設計

在安全設計上，干燥機出料箱頂部設有工藝水入口，干燥機運行過程中，通過氧分析儀來嚴格控制含氧量，當含氧量超過設定值時，保護蒸汽管路的閥門迅速打開，向干燥機出料箱內噴入工藝水，降低氣體氧含量的同時團聚筒內氣體中的粉塵，降低粉塵自燃及爆炸的危險性，確保系統安全。

由于干燥機的出料口相對于出料箱尺寸較

圖7 防爆門結構示意圖

小，所以出料箱下部需要設計成錐體，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，為了更好地防止煤粉粘結在出料箱上，在出料箱上設計振動電機來敲打出料箱。

2 結束語

針對粉煤干燥的特殊要求，筆者對蒸汽管回轉干燥機出料箱的支撐設計、密封設計和安全設計結構進行了探討，為此類干燥機的大型化提供了設計參考。經現場運行檢驗，此出料箱結構支撐可靠，密封性能良好，保證了干燥機的長周期可靠運行。

[1] 曾在春.褐煤干燥提質技術淺談[J].化工設計，2011,21(1)：3～5,37.

[2] 鄭蘭疆，李彥，趙武，等.大型回轉軸承的承載性能分析[J].機械設計與研究，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.機械設計手冊(第3卷)[M].北京：化學工業出版社，2011：11～29.

[5] 姚鵬，張娟.一種新型防爆門設計在煤干燥行業中的應用[J].化學工程與裝備，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，從事化工機械設計工作，yaopengtju@163.com。

TQ053

A

0254-6094(2017)04-0407-04

2016-11-23)