蒸汽列管回轉干燥技術用于煤泥干燥的研究*

王宏耀 吳 靜 李曉光 王瑞雪 張海濱

（山東天力干燥股份有限公司，山東省濟南市，250101）

★ 煤炭科技·加工轉化★

蒸汽列管回轉干燥技術用于煤泥干燥的研究*

王宏耀 吳 靜 李曉光 王瑞雪 張海濱

（山東天力干燥股份有限公司，山東省濟南市，250101）

采用單因素實驗方法研究了煤泥在列管回轉小試干燥裝置內的運動規律，深入分析了干燥機轉速和煤泥填充率對煤泥干燥效果的影響。采用單因素實驗和均勻試驗等試驗方法，利用環管式蒸汽回轉干燥中試裝置研究了煤泥含水率對其運動流動性的影響，深入分析了煤泥含水率、干燥溫度以及停留時間等因素對煤泥干燥效果的影響。基于上述實驗研究，確定了用于煤泥干燥的蒸汽列管回轉干燥機的最佳運行參數，以期為用于煤泥干燥的環管式蒸汽回轉干燥機的工程設計提供一定的參考。

蒸汽回轉干燥機 環管 煤泥 干燥 粘性物料

1　前言

煤泥作為鍋爐燃料，泛指煤粉含水形成的半固體物，是煤炭生產過程中的一種低質固體廢棄物（燃料），濕基煤泥具有高含水、高揮發分、燃點低以及易自燃的特點，給儲存及運輸帶來諸多不便。將高含水的煤泥直接應用于電廠鍋爐的燃燒，既影響鍋爐的正常運行，又易造成發電機組運行不穩定和運煤系統堵塞。隨著原煤入洗率的逐年提升，我國的煤泥產量也越來越高。根據國家能源發展 “十二五”規劃中“到2015年，原煤入洗率達到65%以上”的要求，預計2015年產生的煤泥量在2.5億t以上。目前，約有70%的煤泥就地排放和堆放，由于受到堆放場地的制約，其存儲成本越來越高，且遇水流失、遇風飛揚，對環境產生嚴重污染。對煤泥進行干燥脫水可降低煤泥的含水率，干燥后的煤泥呈顆粒狀且熱值提高，通過摻配可以滿足電廠的用煤要求，而且更便于儲存、裝車和運輸，是擴大煤泥應用途徑的一種重要預處理方式。

目前廣泛采用的煤泥干燥技術是高溫煙氣回轉干燥技術，該技術采用高溫煙氣對煤泥進行直接干燥，高溫煙氣回轉干燥機結構形式簡單，但存在安全性差、熱效率低、系統操作要求高、環境污染大、占地面積大和干燥產品質量不均勻等缺點。與高溫煙氣回轉干燥技術相比，蒸汽列管回轉干燥技術是一種先進的間接干燥技術，采用蒸汽作為熱源，通過干燥機內的列管與物料進行間接換熱，具有高效、節能、環保、單機處理能力大、設備操作彈性大以及運行穩定等諸多優勢，已在諸多領域呈現出逐漸替代煙氣回轉干燥機的趨勢。將蒸汽列管回轉干燥技術應用于煤泥的干燥可有效解決高溫煙氣回轉干燥存在的諸多問題，具有廣闊的推廣應用前景。

目前，國內外學者對煤泥干燥技術的研究主要集中在干燥工藝流程和干燥宏觀處理效果的改進等方面，主要對工藝系統的組成、工作原理以及在一些選煤廠應用后取得的社會效益和經濟效益進行研究，而對于干燥過程中煤泥的運動規律和傳熱特性等理論分析和實驗研究卻很少見，對蒸汽列管回轉干燥機用于煤泥干燥的研究報道更加罕見。本文旨在通過對煤泥在蒸汽列管回轉干燥機內運動規律和干燥過程的實驗研究，深入分析干燥過程中操作參數對煤泥干燥效果的具體影響，以期為煤泥蒸汽列管回轉干燥的工程設計提供一定的參考。

2　實驗裝置

2.1小試實驗裝置

針對煤泥的干燥特性，建立了一套間接加熱的列管回轉干燥小試實驗裝置和系統，實驗系統圖及裝置實物圖分別如圖1和圖2所示。

圖1　小試實驗系統圖

圖2　小試實驗裝置實物圖

由圖1和圖2可以看出，該系統的主體設備為不銹鋼回轉圓筒，配置電磁調速驅動系統以調節筒體轉速，筒體直徑為500 mm，長度為675 mm。回轉筒體內以同心圓的方式排列2圈電加熱管，每圈電加熱管沿圓周均勻布置16根。外圈（靠近筒壁）的電加熱管直徑為32 mm，內圈的電加熱管直徑為25 mm。電加熱管內部設有電熱絲，通過調節電加熱管的輸入功率可以改變加熱管的表面溫度，模擬蒸汽干燥的不同溫度條件。干燥機筒體的有效容積（去除加熱管的體積）為0.13 m3，所有加熱管的表面積之和為0.75 m2。

2.2中試實驗系統

環管式蒸汽回轉干燥機是直管式蒸汽回轉干燥機的升級優化，其筒體橫截面上列管形式的橫截面示意圖如圖3所示。

圖3　環管式蒸汽回轉干燥機橫截面示意圖

與傳統直管式干燥機相比，環管式蒸汽干燥機的列管為可拆式結構，維修更換方便，且列管的環形加熱管間距可調。因此采用環管式蒸汽回轉干燥機對煤泥進行干燥，根據煤泥原料的結團情況，在干燥機的不同位置處設置不同的環形加熱管間距，可以有效地解決煤泥在干燥過程中的結團堵塞問題。此外，環管形式的列管與煤泥的接觸方式為順流全面積滑動接觸，具有換熱面積大、耐磨性好以及設備占地面積小等優勢。

采用環管式蒸汽回轉干燥機進行煤泥的連續化中試實驗研究，中試實驗系統主要由環管式蒸汽回轉干燥機、進料料斗、螺旋進料機、旋風除塵器、引風機、控制系統、蒸汽以及疏水管道等組成，環管式蒸汽回轉干燥中試實驗裝置實物圖如圖4所示。

圖4　環管式蒸汽回轉干燥中試實驗裝置實物圖

由圖4可以看出，環管式蒸汽回轉干燥機是實驗系統的主體設備，呈長筒形，直徑為0.83 m，長度為4 m，安裝傾角為1.5°，加熱面積為18 m2。干燥機采用飽和蒸汽作為加熱熱源，蒸汽流量通過設在蒸汽管道上的調節閥進行控制，蒸汽管道上設置檢測蒸汽消耗量的流量儀表；干燥機出料口和出氣口分別設置溫度檢測裝置，用以測定干燥產品和干燥尾氣的溫度；在引風管道上設有流量計，可測量干燥機尾氣流量。中試實驗系統的流程圖如圖5所示。

圖5　中試實驗系統流程圖

3　實驗方法

采用山東能源淄博礦業集團有限責任公司埠村煤礦提供的經過板框壓濾機處理后的煤泥作為實驗材料，待干燥煤泥的收到基水分（干基含水率）為33.33%，收到基水分（濕基含水率）為25%，收到基灰分為32.5%，收到基低位發熱量為14290 kJ/kg，干燥基比熱為1.05 kJ/（kg·℃）。計算干基含水率和濕基含水率，干基含水率指煤泥樣品中所含水的質量與絕干煤泥質量的比值，濕基含水率指煤泥樣品中所含水的質量與煤泥樣品質量的比值。為了便于對比分析，如無特殊說明，煤泥含水率均采用干基含水率表示。

3.1小試實驗

根據工程實際的需要，本次實驗研究將干燥后煤泥產品的含水率指標設定為不超過13.64%，實驗工況條件如表1所示。按照表1的參數設置好干燥溫度及物料填充率，干燥機轉速定為5 r/min。從干燥機啟動時刻開始計時，每隔5 min取樣一次，干燥60 min后實驗結束，檢測各取樣樣品的含水率，分析干燥溫度和填充率等參數對煤泥干燥特性的影響。

表1　小試實驗工況條件表

3.2中試實驗

列管回轉干燥機屬于間接加熱設備，煤泥在干燥機中的流動性和粘壁特性將直接影響干燥效果。為了研究煤泥含水率對其流動性和粘壁特性的影響，通過將一定質量的煤泥干燥產品與煤泥原料進行摻混，可降低進料煤泥的含水率。定義摻混比例α為摻入的煤泥產品質量與進料煤泥總質量（即摻入煤泥產品后的煤泥質量總和）的比值，見式（1）：

由式（1）可見，通過改變摻混比例可改變進料煤泥的含水率。采取均勻實驗和單因素實驗這2種實驗方法進行研究，中試實驗工況條件如表2所示，中試實驗工況條件如表3所示。干燥機煤泥進料量為1000 kg/h（對應的物料填充率為25%），主要實驗內容如下：

表3　中試實驗工況條件表（單因素實驗）

（1）調整設置熱源蒸汽壓力和干燥機轉速，按照摻混比例的要求獲得具有一定含水率的進料煤泥，將進料煤泥按照1000 kg/h的進料速度加入列管回轉干燥機中。

（2）在實驗過程中，每間隔5 min取樣煤泥產品，測試產品的含水率，記錄產品溫度和尾氣出氣溫度等參數，分析熱源蒸汽溫度和煤泥停留時間對干燥效果的影響。進料過程中和實驗結束后，觀察煤泥的進料狀況及其在筒體內的粘壁情況。

4　小試實驗結果及分析

4.1干燥溫度對煤泥干燥特性的影響

為了分析干燥溫度對煤泥干燥特性的影響，測試了表1在各工況條件下煤泥產品的含水率隨干燥溫度的變化，所獲得的各干燥曲線如圖6所示。

圖6　干燥溫度對煤泥干燥過程的影響

由圖6可以看出，當干燥條件一定時，隨著干燥過程的不斷進行，干燥速率呈現先增加后降低的趨勢。在不同填充率及干燥溫度條件下，煤泥含水率達到13.64%（工程實際要求煤泥干燥產品的含水率控制在不高于13.64%），所需的干燥時間測試結果如表4所示。

表4　煤泥水率達到13.64%所需的干燥時間

由表4可以看出，在煤泥填充率相同的條件下，干燥溫度越高干燥速率越快，煤泥含水率干燥至13.64%所需的干燥時間越短。在工業設計中，通常保證物料在干燥機中的停留時間不低于所需的干燥時間，且不宜過長，以免出現產品過干現象。表4中的實驗結果可為不同運行條件下，煤泥停留時間的設計提供參考依據。

4.2填充率對煤泥干燥特性的影響

為分析煤泥填充率對干燥特性的影響，對表1中各實驗工況條件下的測試結果進行了比較，分析了不同填充率時煤泥含水率隨干燥時間的變化情況如圖7所示。

圖7　不同填充率對煤泥干燥過程的影響

由圖7和表4分析可知，隨著干燥機中煤泥填充率的升高，煤泥含水率干燥至13.64%時所需的干燥時間先減少后增加，即煤泥干燥速率先增加后減小，當填充率為25%時，煤泥含水率干燥至13.64%所需的干燥時間最短，即干燥速率最大，這主要是由干燥過程的傳熱方式和煤泥的運動狀態所決定的。有研究表明，在列管式回轉干燥機內，物料干燥所需的熱量主要是在物料與列管壁面發生接觸時進行傳遞的。當干燥機筒體轉動時，煤泥在筒體內作月牙狀運動，煤泥在筒體內的運動狀態示意圖如圖8所示。當煤泥填充率過高時，有一部分煤泥處于靠近轉筒圓心的非列管區域，無法和列管發生接觸，不利于煤泥和列管之間的熱傳遞，從而降低了該部分煤泥的干燥速率。而當煤泥填充率過低時，煤泥將難以與筒體內圈的列管進行有效接觸，使列管的加熱面積得不到充分利用，也將使干燥速率有所降低。

圖8　煤泥在筒體內的運動狀態示意圖

在工業裝置設計中，合適的填充率可根據干燥機橫截面上列管的分布進行確定，以物料剛好將列管埋沒為宜，此時將最有利于發揮干燥機的干燥能力，干燥速率最高。

5　中試實驗結果及分析

5.1煤泥的最佳摻混比例

隨著摻混比例α的增加，進料煤泥的含水率逐漸降低，其結團直徑逐漸減小。當摻混比例達到14.44%時，煤泥可經進料螺旋輸送后順利落入干燥機內，在干燥機入料口附近，煤泥結團直徑約為25 mm左右，煤泥的堆積量較少，有輕微粘附管壁現象，但隨著干燥機的轉動，粘附物料可被沖刷下落，保證了煤泥在干燥機內的運動順暢，無堵料現象發生。不同摻混比例時進料煤泥在干燥機內的粘壁情況如圖9所示。

圖9　不同摻混比例時進料煤泥在干燥機內的粘壁情況

由圖9可見，當摻混比例達到14.44%時，干燥過程結束后，干燥機內基本無煤泥粘壁現象發生。

上述實驗結果說明，在工業設計中，煤泥的摻混比例達到14.44%（即進料煤泥含水率低于30.49%）時，可實現煤泥的連續進料，煤泥在干燥機內可順暢運動，基本無粘壁現象，能夠保證蒸汽列管回轉干燥機的連續運行和干燥效果。

5.2中試試驗結果（均勻實驗）分析

為了研究摻混比例、加熱蒸汽壓力和干燥機轉速對煤泥干燥效果的影響，分別測試了表2所示工況條件下煤泥產品的含水率、出料溫度以及尾氣出氣溫度，實驗結果如表5所示。

表5　中試試驗測試結果（均勻實驗）

由表5可以看出，煤泥的摻混比例、加熱蒸汽壓力和干燥機轉速均與煤泥產品的干燥程度正相關，且3個影響因素對煤泥干燥效果的影響為加成作用。

5.3中試試驗結果（單因素實驗）分析

5.3.1摻混比例對煤泥干燥效果的影響

為了分析進料煤泥中煤泥產品的摻混比例對煤泥干燥效果的影響，在其它實驗條件不變的情況下（表3中的工況1，2，3），對不同摻混比例下的煤泥產品含水率、出料溫度和尾氣出氣溫度進行了比較，結果如表6所示。

表6　不同摻混率下的測試結果（單因素實驗）

由表6可以看出，進料煤泥中煤泥產品的摻混比例對煤泥干燥效果的影響不明顯，幾乎可以忽略不計。這主要是因為當摻混比例達到14.44%時，煤泥的分散性較好，在干燥過程中，煤泥的破碎狀況和運動狀態差別不大，當干燥過程所需熱量得到足夠供應時，煤泥中水分的蒸發過程主要取決于煤泥周圍環境的溫度和含水率。因而，在煤泥所處環境條件相同的情況下，所獲得煤泥產品的含水率、出料溫度和尾氣出氣溫度基本無差異。

5.3.2蒸汽壓力對煤泥干燥效果的影響

為了分析蒸汽壓力對煤泥干燥效果的影響，在其它實驗條件不變的情況下（表3中的工況4，5， 6），測試了不同蒸汽壓力條件下煤泥干燥產品的含水率、出料溫度以及尾氣出氣溫度，測試結果如圖10所示。

圖10　蒸汽壓力對干燥效果的影響

由圖10可以看出，蒸汽壓力對干燥效果的影響較為顯著。在其它參數相同的情況下，隨著蒸汽壓力的提高，煤泥產品的含水率明顯降低，出料溫度和尾氣溫度均上升。熱源溫度的提高增大了煤泥和加熱管壁之間的傳熱溫差，在其它條件不變的情況下，可以增大熱源蒸汽和煤泥之間的換熱量，從而提高了煤泥的水分蒸發速度，在相同的干燥時間內，煤泥產品的含水率會有所降低。由于煤泥中的水分蒸發后將在引風機的作用下迅速排出干燥機，在干燥機中的停留時間較短，且與列管間的對流換熱系數較小，因此蒸汽壓力的提高對尾氣出氣溫度的影響并不明顯。

當含水率過低時，易產生廢氣含塵量大和粉塵飛揚等不良效果。根據上述實驗結果可知，蒸汽壓力控制在0.6 MPa（G）左右較為適宜，可較好地滿足煤泥干燥要求。

5.3.3干燥機轉速對煤泥干燥效果的影響

干燥機轉速直接影響煤泥在干燥機內的停留時間，因此干燥機轉速的影響可以反映出煤泥停留時間對煤泥干燥效果的影響。為了分析干燥機轉速對煤泥干燥效果的影響，在其它實驗條件不變的情況下（表3中的工況7，8，9），測試了不同干燥機轉速條件下，煤泥產品的含水率、出料溫度以及尾氣出氣溫度對干燥效果的影響，結果如圖11所示。

由圖11可以看出，隨著干燥機轉速增加，煤泥在干燥機內的停留時間減小，煤泥產品的含水率上升，出料溫度和排氣溫度降低。較長的停留時間有利于獲得含水率較低的產品，但停留時間過長，將使設備的生產效率降低，且可能出現產品含水率過低的現象。針對實際生產中產品含水率控制在13.64%左右的要求，干燥機轉速宜選取在2.4 r/min左右即可，此時煤泥在干燥機內的停留時間約為20 min。

圖11　不同干燥機轉速對干燥效果的影響

6　結論與建議

6.1結論

（1）采用間接加熱式列管回轉干燥小試實驗裝置，對煤泥的干燥過程進行了小試實驗研究，可以得到以下結論：

隨著煤泥填充率的升高，干燥速率先增加后減小。本實驗裝置中，當填充率為25%時，干燥機的干燥速率最大。在工業化裝置上，最佳填充率應結合干燥機內列管的位置確定，以物料剛好將列管埋沒為宜；當煤泥填充率為25%、干燥溫度為160℃以及干燥時間約為21 min時，煤泥的干燥產品含水率達到要求，可作為工業化裝置設計的參考數據。

（2）采用環管式蒸汽回轉干燥中試實驗裝置，對煤泥的干燥過程進行了連續化的中試實驗研究，得到以下結論：

當摻混比例達到14.44%，即進料煤泥的含水率為30.49%時，干燥機內無堵料及粘壁現象，可實現連續運行；蒸汽壓力對干燥效果有顯著影響，隨著蒸汽壓力的提高，煤泥產品的含水率明顯降低，出料溫度和尾氣溫度均上升，在實際生產中，建議蒸汽壓力控制在0.6 MPa（G）左右；隨著干燥機轉速的降低，煤泥在干燥機內的停留時間增加，煤泥產品的含水率下降，出料溫度和排氣溫度均有所提高。在工業生產中，干燥機轉速宜選取在2.4 r/min左右為宜，此時煤泥在干燥機內的停留時間約為20 min。

6.2建議

綜上所述，煤泥的蒸汽列管回轉干燥過程的影響因素較多，在設計和運行過程中應綜合考慮轉速、填充率和蒸汽壓力等各因素的影響，可針對所干燥煤泥的理化特性及干燥要求，通過中試實驗確定最優的操作參數，實現煤泥連續、穩定、高效的干燥過程，達到所要求的干燥效果。本研究不僅充分證明了環管式蒸汽回轉干燥技術對煤泥干燥的良好適用性，同時為其工業化裝置的設計提供了可靠的參考。

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Research on steam rotary tube drying technology using for coal steam dryer

Wang Hongyao，Wu Jing，Li Xiaoguang，Wang Ruixue，Zhang Haibin
（Shandong Tianli Drying Co.Ltd.，Jinan，Shandong 250101，China）

The authors studied movement rule when coal steam in underbrush dying equipment of rotary tube by taking single factor experiment，and also deeply analyzed rotate impact of speed of dying machine on coal steam dying.By conducting single factor experiment，uniform experiment and other experimental methods，the authors studied impact of coal steam moisture content on movement liquidity by using loop tube steam rotary pilot plant equipment，and deeply analyzed moisture content of coal steam，drying temperature，length of staying and other factors that influenced coal team dying.According to experimental study，the best operating parameter of steam rotary tube dryer was confirmed when using coal steam drying which providing

for technic design of loop tube steam rotary tube dryer.

steam rotary tube dryer，loop tube，coal steam，drying，stickiness materials

TD462.4

A

王宏耀（1972-），男，山東濰坊人，濟南市青年學術帶頭人，現任山東天力干燥股份有限公司副總經理，長期從事干燥、節能、環保等技術以及生產的研究開發工作，所參與研發的研究成果多次獲得中國石油和化學工業協會科學技術一等獎、山東省科技進步一等獎等獎項。

（責任編輯 王雅琴）

中小企業發展專項資金（SQ2013Z0C600008）