大容量攪拌式氣透干燥機的研發及性能試驗驗證

肖鵬飛，周 磊，周樹光，付杰勤，游 維

(長沙開元儀器有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

煤樣制備是煤質分析中最為關鍵的環節之一[1]。煤樣制備一般包括破碎、縮分、混合、篩分、干燥等工序[2]。由于破碎、縮分等設備對煤樣濕度有較高的要求，濕度較大的煤樣容易給破碎、縮分等后續環節帶來黏堵與殘留，從而造成煤樣之間的交叉污染，樣品代表性變差等問題，因此煤樣干燥是煤樣制備中最重要的環節之一[3]。而在整個煤樣制備過程中，煤樣干燥效率是制約整個制樣效率的關鍵因素[4]。因此，如何設計一種在不影響煤樣代表性前提下，具備高效率、低損失特點的干燥設備，是整個煤炭制樣行業一直探索的重點課題之一。

李敬亞等[5]設計了一種煤樣分層式干燥設備及方法，用于干燥2 kg以下的3 mm煤樣，干燥效率明顯高于國標規定的恒溫干燥箱法，同時煤樣損失率低至0.14%。張仲燾等[6]在干燥溫控、干燥結束條件判斷以及干燥篩網等方面進行了研究，建立了干燥結束判斷模型，避免了煤樣干燥不徹底以及過干燥等問題。劉振喜[7]、秦曉東[8]等介紹了一種風透干燥設備的原理與方法，其利用低溫熱風穿透鋪置在篩網上的煤樣，配合刮掃裝置使熱風與煤樣充分接觸，從而達到使煤樣快速干燥的目的，其干燥效率為恒溫干燥箱法的4倍～7倍，煤樣損失率為0.1%。杜軍芳[9]對煤樣不同干燥方式對化驗指標的影響進行了探討，結果表明，煤樣各種不同的干燥方式對于煤樣的化驗指標有一定影響。楊勻龍[10]提出了一種熱氣流煤樣快速干燥方法，該方法可快速去除煤樣外在水分，有效進行實驗室煤樣快速干燥，滿足制樣要求，且不會影響煤樣本身特性。

目前，雖已有多種效率較高且煤樣損失較少的干燥方法及干燥設備相繼提出，但均適合少量煤樣的干燥，對于煤量較大時干燥設備的干燥效率以及煤樣損失情況少有研究。筆者開發了一種大容量攪拌式氣透干燥機，采用螺旋式葉片、蜂窩狀氣孔、粉料回收系統等設計，使得干燥腔內的大量煤樣在螺旋式葉片的帶動下，與蜂窩孔中噴出的干燥熱空氣進行充分熱交換，從而實現煤樣的快速干燥。為煤炭制備過程大煤樣量的快速干燥提供一種有效的解決方法。

1 結構與工作原理

筆者開發的大容量攪拌式氣透干燥設備總體結構如圖1所示。其主要由干燥筒、攪拌組件、驅動機構、粉料回收系統、熱風發生器、稱重模塊等組成[11]。

圖1 大容量攪拌式氣透干燥機總體結構Fig.1 Overall structure of large-capacity agitating air-permeable dryer

該干燥設備能單次對小于20 kg的煤樣進行干燥，且大部分煤樣能在15 min制樣節拍內完成干燥，對提高制樣效率與煤樣代表性有較大作用。該干燥設備的主要參數見表1。

表1 設備主要參數Table 1 Main parameters of equipment

工作原理：控制系統16發出干燥機空閑指令后，待干燥煤樣從進料口6進入到干燥筒7內。進料完成后，進氣控制閥3被打開，同時熱風發生裝置以及除濕器開啟。熱風發生器在溫控調節下，將輸出空氣的溫度控制在50 ℃以下某個設定值，并經過除濕器后，將干燥的熱空氣通過外部進氣管道2以及中空攪拌軸14送入到干燥筒內。與此同時，在驅動機構13的作用下，攪拌軸帶動螺旋式葉片15在干燥筒內做圓周攪拌。通過中空攪拌軸的干熱氣流，從螺旋式葉片的蜂窩狀空中噴出，與被螺旋葉片拋灑起來的煤樣進行充分接觸，從而使煤樣快速干燥。攪拌軸上設置有3層，每層2組的螺旋葉片，可以使干燥筒內不同層的煤樣進行充分混合，從而確保煤樣的均勻干燥，同時葉片與煤樣的快速機械碰撞使得煤樣在干燥過程中形成的結塊被分解，保證了出料煤樣粒度[12-13]。

與煤樣進行充分接觸后的殘氣，將攜帶煤樣中水分以及煤粉從排氣管路4進入到真空上料系統5中，殘氣與水分將從上料系統中鈦棒濾芯中排出系統，而煤粉將沉降在上料機下部的錐斗內。待干燥完成后，通過控制卸料閥門8將此處的煤粉放入到出料斗9內，與干燥筒內經出口閘板閥10放出的干燥后的煤樣進行混合，從而保證了整個干燥過程中煤樣的完整性。干燥筒內完成放料后，系統會啟動葉片高速旋轉，在葉片端部聚氨酯刮板作用下，筒壁與筒底的殘煤將被全部清除進入到出料斗內，從而避免了由于殘留的煤樣帶來的交叉污染。

干燥結束判斷：整個設備在安裝支座12與干燥主體之間安裝有稱重模塊11，并且干燥主體與進氣管路與排氣管路以及出料斗之間采用軟連接，即可屏蔽此部分對稱重的影響。在進料完成后，且干燥設備處于靜止狀態時，稱重傳感器將讀取進料煤樣的質量，然后啟動設備工作。在工作10 min后，每1 min停機10 s，對煤樣進行稱重，系統通過分析稱重變化趨勢以及前后兩次稱重差值來判斷干燥狀態，當差值小于預設的閾值時，結束干燥。

筆者設計開發的大容量攪拌式干燥機實物如圖2所示。

圖2 大容量攪拌式氣透干燥機Fig.2 large-capacity agitating air-permeable dryer

2 性能試驗

為了驗證所開發干燥機的性能指標，將對該干燥機進行如下試驗：

(1)測試大容量攪拌式氣透干燥機的煤樣損失率；

(2)以國標規定的恒溫干燥箱法進行參比，測試最佳試驗條件下，大容量攪拌式氣透干燥機的干燥效率；

(3)以恒溫干燥箱法作為參比方法，攪拌氣透干燥方式作為替代方法，針對灰分指標，進行可替代性檢驗。

2.1 試驗程序

2.1.1煤樣損失試驗

煤樣損失試驗主要檢測干燥系統在各個環節的殘留量以及煤粉被殘風帶出系統的質量。

為了排除煤樣中水分對結果產生的影響，損失試驗選用國標方法干燥后的6 mm煤樣(干基灰分約為28%)進行試驗，每組煤樣約為5 kg，共進行10組干燥試驗。試驗開始后，逐一將質量為m0的測試煤樣加入到上述干燥設備中，在只給干燥筒內通干燥常溫空氣情況下，干燥機運行10 min，完成后稱量出料質量m1。

按照上述試驗步驟，得到煤樣損失率為：

(1)

式中，L為煤樣損失率，%；m0為干燥前煤樣質量，kg；m1為干燥后煤樣質量，kg。

2.1.2干燥效率試驗

干燥效率是單位時間內，干燥設備所去除煤樣水分的能力。

攪拌式風透干燥機的按最佳試驗參數進行效率試驗，具體試驗參數見表2。

表2 干燥效率試驗參數Table 2 Drying efficiency test parameters

在干燥效率試驗中為了排除取樣誤差帶來的影響，對試驗用6 mm煤樣(干基灰分約為28%)進行充分混勻，然后用二分器分別取出參比樣標號為C1-C10與試驗樣標號為F1-F10煤樣進行干燥效率對比試驗。

以恒溫干燥箱法進行參比，該方法在操作過程中幾乎無損失，因此計算效率時無需考慮損失因素。

此方法的干燥效率為：

(2)

式中，P0為恒溫干燥箱法干燥效率，g/h；M0為干燥前試驗煤樣質量，kg；M1為干燥后試驗煤樣質量，kg。

攪拌式風透干燥方式，在工作過程中存在一定的損失，損失率為L，因此在計算干燥效率時需要排除煤樣損失因素，其效率計算為：

(3)

式中，P1為攪拌式風透干燥法干燥效率，g/h；M0為干燥前試驗煤樣質量，kg；M1為干燥后試驗煤樣質量，kg；L為攪拌式風透干燥法干燥過程煤樣損失率。

2.1.3可替代性試驗

用于可替代性試驗的試驗參數見表3。

表3 可替代性試驗參數Table 3 Replaceability test parameters

按照GB 474煤樣制備方法進行煤樣制備[14-15]，流程如圖3所示。

圖3 煤樣制備流程Fig.3 Coal sample preparation process

按照上述流程，完成煤樣A的干燥試驗，并制備出0.2 mm分析樣，送化驗室進行灰分指標化驗。

2.2 試驗數據分析

2.2.1煤樣損失結果及分析

按照煤樣損失試驗流程，完成試驗后獲得10組煤樣干燥前后質量數據，由此數據得到煤樣損失折線圖，如圖4所示。

圖4 煤樣損失Fig.4 Loss of coal sample

由圖4試驗結果可知，在上述試驗條件下，干燥前后最大煤樣損失為15 g，最小損失為9 g，平均值為12.1 g，平均損失率為0.24%，遠低于國標規定的1%要求。

2.2.2干燥效率結果及分析

按照干燥效率試驗流程與試驗參數，完成試驗后得到試驗數據見表4。

由表4數據分析設備方法F與國標方法C的干燥效率對比如圖5所示。

表4 干燥效率試驗數據Table 4 Drying efficiency test data

由圖5可知，在文中試驗參數與試驗條件下，攪拌式風透干燥機干燥效率平均值為80.44 g/min，恒溫箱法干燥效率平均值為24.73 g/min，即前者遠大于后者。

圖5 干燥效率對比Fig.5 Comparison of drying efficiency

2.2.3灰分可替代性分析

按照GB/T 18510中灰分可替代性試驗流程，完成煤樣A的灰分可替代性試驗，分別得到20組設備方法下的干基灰分Ad和國標方法的干基灰分Ad，其具體數據見表5，其中，d表示設備法干基灰分與國標方法干基灰分的差值。

表5 灰分可替代性試驗數據Table 5 Ash replaceability test data

2.2.3.1準確度分析

根據表5試驗結果，按照GB/T 18510進行可替代性分析[16]。

① 計算平均差：

(4)

② 標準差：

(5)

式中，Sd為設備方法與國標方法灰分的標準差；di為設備方法與國標方法灰分的差值；n為試驗組數，即n=20。

將表5數值代入式(5)中，得Sd=0.156 3。

③t檢驗：

計算統計量：

(6)

將式(4)與式(5)計算得到的結果代入上式(6)中得到tc=0.4。

根據GB/T 18510中t檢驗相應表查得，自由度為19時，臨界值tt=2.093。

對比上式(6)計算得到結果，可知：tc

④ 計算95%概率下Ad差值d的置信區間：

(7)

95%概率下，Ad差值d的置信限為(-0.341，0.313)。由于試驗用煤灰分平均值為43.37%，查GB/T 212表2，當灰分質量分數>30%時，灰分測定的再現性臨界差為0.7%。Ad差值d的置信區間[-0.341,0.313]在[-0.7,0.7]的區間內，符合再現性要求。

因此，攪拌式氣透干燥機與國標方法的制樣準確度無顯著差異。

2.2.3.2灰分精密度分析

表6 精密度試驗數據Table 6 Precision test data

根據上表6數據，計算設備的可替代性方法的重復性測定方差：

(8)

(9)

3 結 論

為解決煤炭制樣干燥過程中煤樣黏結、干燥效率低以及損失大等問題，開發了一種大容量攪拌式風透干燥機，并通過試驗驗證了其可行性，得到如下結論：

(1)該干燥機工作過程平均煤樣損失率為0.24%，遠低于國標規定的1%要求。

(2)以國標規定的恒溫箱干燥法作為參比方法，大容量攪拌式風透干燥機的干燥效率平均值為80.44 g/min，遠高于恒溫箱法的24.73 g/min。

(3)以國標規定的恒溫箱干燥法作為參比方法，進行可替代性試驗，結果表明：對于灰分指標，設備方法能完全替代國標方法。

(4)大容量攪拌式風透干燥機采用螺旋式葉片、蜂窩狀氣孔、粉料回收系統等設計，解決了干燥過程中煤樣黏結問題，實現了大容量煤樣的快速干燥，可用于煤樣的制備過程。