我國選煤廠煤泥干燥技術應用現狀與發展趨勢

李建軍

(唐山大有科技有限責任公司，河北 唐山 063000)

煤泥泛指煤粉與水形成的混合物，對于選煤廠的煤泥來說，特指粒度在0.5 mm以下的洗選副產品。由于煤泥具有持水性強、水分高(多在20%以上)、粘性大、熱值低(一般在12.55 MJ/kg左右)等特點，很難實現大規模與資源化利用，長期以民用作為主要出路[1]。此外，由于煤泥堆積形態不穩定，自流而不成形，遇水即流失，風干即飛揚[2]，極易引發嚴重的環境問題。目前，我國的煤泥產量很大，隨著原煤入選率的逐年提高，煤泥產量進一步增大，預計2015年的煤泥產量在2.5億t以上[3]。大量煤泥的堆積與低效利用，不但浪費大量寶貴的不可再生資源，而且容易帶來環境污染，還會妨礙工業場地的循環利用，甚至占用大量可耕土地。因此，需要不斷探索提高煤泥質量的途徑，實現煤泥的有效與高效利用。

就目前的技術條件來看，干燥是拓寬煤泥利用范圍，實現煤泥的有效與高效利用的現實途徑。現階段我國選煤廠應用的煤泥干燥技術較多，按干燥介質的溫度劃分，可分為高溫干燥技術和低溫干燥技術；按干燥介質與煤泥的接觸方式劃分，可分為直接干燥技術和間接干燥技術；按干燥介質的種類劃分，可分為煙氣干燥技術、蒸汽干燥技術、導熱油干燥技術等。從現場實際應用情況來看，傳統的高溫干燥技術應用廣泛，近些年出現的低溫干燥技術得到了一定的推廣與應用，而微波等干燥技術[2,4]目前尚處于實驗室研究階段，并沒有實現工業應用。為了提高我國選煤廠干燥設備的適配性和穩定性，提升干燥煤泥的質量和附加值，對我國選煤廠煤泥干燥技術應用現狀進行了分析，并就其未來發展趨勢進行了預測。

1 高溫干燥技術

1.1 干燥系統組成

目前，我國選煤廠廣泛應用的煤泥干燥技術屬于傳統的高溫干燥技術，干燥介質為高溫煙氣或高溫熱氣。滾筒式干燥機和旋翼式干燥機是典型的高溫干燥設備，在生產現場應用較多，基于這兩種設備的干燥工藝流程是常用的干燥工藝流程。

(1)滾筒式干燥系統組成。滾筒式干燥系統主要由熱源系統、輸送系統、給料系統、干燥系統、除塵系統、電器控制系統等組成。滾筒式干燥機是該干燥系統的核心設備，其筒體內壁各段依次鋪設有大傾角導料板、傾斜揚料板、活動蓖條式翼板、圓弧形揚料板、清掃鏈；熱源系統是干燥介質(高溫煙氣)產生的場所，通常采用熱風爐、煤氣發生爐或沸騰爐作為加熱設備，為煤泥干燥提供高溫煙氣；輸送系統用于運輸待干燥煤泥和干燥煤泥，一般以帶式輸送機或刮板輸送機作為運輸設備；給料系統的主要設備為打散裝置和給料機，待干燥煤泥經打散處理后，由給料機均勻給入滾筒式干燥機筒體內；除塵系統由除塵器和引風機等設備組成，用于回收干燥煤泥中的微細顆粒，確保凈化尾氣滿足環保要求；電器控制系統由各個設備的拖動電機、變頻器、檢測溫度與壓力的儀器儀表組成，對提高煤泥的干燥效果和設備的穩定運行具有重要作用。

(2)旋翼式干燥系統組成。旋翼式干燥系統的結構可分為四部分，即給料系統、干燥機主體、熱源系統、尾氣處理系統。旋翼式干燥機即為干燥機主體，是干燥系統的核心設備，其采用三圓結構設計，筒體內布置有三個工作腔，筒體外設計有刮壁機組、旋翼機組、給料螺旋。給料系統由帶式輸送機或刮板輸送機、儲存倉、給料螺旋組成，儲存倉內布置有料位探測器，能夠實現螺旋的變頻定量給料；給料處設計有煤泥探測裝置，可監視系統的給料情況。熱風爐是熱源系統的主要設備，為煤泥干燥提供高溫熱風；尾氣處理系統主要由旋風分離器和水浴塔組成，旋風分離器用于分離流化氣體、微細煤泥顆粒、蒸發水，水浴塔用于冷卻氣體中的水蒸汽。

1.2 干燥工藝流程

待干燥煤泥經打散裝置處理后，通過運輸設備輸送給進料設備，進料設備將經打散處理的煤泥均勻給入干燥設備；煤泥在干燥設備內產出干燥煤泥和含塵尾氣，干燥煤泥通過輸送設備運輸至煤泥堆放場地，含塵氣體經除塵系統凈化后排入大氣。煤泥高溫干燥原則流程如圖1所示。

圖1 煤泥高溫干燥原則流程

待干燥煤泥在干燥設備內的干燥原理基本相同，都是通過干燥介質的直接傳熱傳質實現煤泥自身溫度的升高，從而使其中水分蒸發，但具體干燥過程有所不同。在待干燥煤泥進入滾筒式干燥機時，熱源系統產生的700～800 ℃高溫煙氣以順流或逆流形式進入筒體內部，在干燥滾筒的連續運動下煤泥逐步得到干燥；而在旋翼式干燥機內，待干燥煤泥是在旋翼的帶動下反復向上運動，并與高溫熱風不斷接觸，從而逐漸得到干燥[5]。

1.3 技術特點

從煤泥干燥實踐與現場應用情況來分析，高溫干燥技術具有如下技術特點：

(1)高溫干燥技術成熟，設備結構穩定，工藝性能可靠，投資少且維護成本低；熱源較易獲取，既可選用煤層氣，又可選用煤炭；入料粒度范圍廣，一般粒度小于200 mm的煤泥均可直接干燥；干燥介質與煤泥直接接觸，質熱交換充分，干燥強度大[2,4]。

(2)干燥介質溫度較高，存在燃燒或爆炸的風險。采用高溫干燥技術干燥煤泥時，干燥介質溫度一般在500～800 ℃之間[4-6]，甚至高達1 000 ℃[6]；對于高揮發分、高發熱量的煤泥來說，干燥過程中存在煤泥燃燒或煤粉爆炸的風險。

(3)干燥煤泥易吸水而返潮。經高溫干燥后的煤泥容易吸水而返潮，導致煤泥水分迅速增加。這可能與干燥溫度高、時間短兩個因素有關，待干燥煤泥進入干燥機后，其中水分在高溫(500～700 ℃)環境中于短時間(8～12 min)內被蒸發，導致煤泥表面孔隙增大且裂縫增多，比表面積增大，吸附能力增強，在遇水的情況下容易返潮。

1.4 應用現狀

高溫干燥技術具有干燥強度大、質熱交換充分、處理能力大等優點，基于滾筒式干燥機和旋翼式干燥機的高溫干燥技術在現場應用較多。

1.4.1 基于滾筒式干燥機的高溫干燥技術應用現狀

該干燥技術在我國東北、西北、華北等冬季寒冷地區應用廣泛[6]，其中大興礦選煤廠、朔中選煤廠、燕子山選煤廠、邯鄲選煤廠等均有應用，且取得了良好的干燥效果和經濟效益。朔中選煤廠原煤實際入選量約為10 Mt/a，煤泥產量在 60 萬 t/a 以上，其水分通常在 23%～26%之間，Qnet,ar平均為15.06 MJ/kg[7]，無論將其摻入洗混煤或精煤銷售，還是單獨銷售，都沒有市場優勢，甚至處于滯銷狀態。為此，該選煤廠采用基于滾筒式干燥機的高溫干燥技術對煤泥進行干燥。經高溫干燥后，煤泥質量(表1)[7]明顯提高，平均水分下降 8個百分點，平均發熱量提高2.09 MJ/kg，為企業帶來了顯著的經濟效益。

表1 干燥前后的煤泥質量

趙固一礦選煤廠的煤泥經干燥后，發熱量平均提高1.72 MJ/kg，全水分平均降低8.70個百分點[8]；燕子山選煤廠煤泥經干燥后，發熱量由13.38 MJ/kg左右提高至18.39 MJ/kg左右，全水由29% 左右降低至18% 左右[9]，該干燥技術在其他選煤廠應用也很成功。干燥后的煤泥質量明顯提高，既可以摻入混煤或精煤銷售，也可以單獨銷售，在有效解決銷售問題的同時避免了因堆積帶來的二次污染，為企業創造了較好的經濟效益。

1.4.2 基于旋翼式干燥機的高溫干燥技術應用現狀

旋翼式干燥機的設計初衷是處理市政污泥、化工污泥、生物和制藥行業的菌渣等，由于其應用效果良好，在選煤行業得到了推廣與應用，其在煤泥干燥方面有一定的優勢。該干燥技術在月亮田礦選煤廠、老屋基選煤廠(現更名為“山腳樹礦選煤廠”)、大平礦選煤廠等投入了運行，也取得了良好的干燥效果。

月亮田礦選煤廠是一座設計能力為 90萬t/a的礦井型選煤廠，其中<0.25 mm粒級煤泥浮選，浮選精煤由沉降過濾式離心機、壓濾機聯合脫水處理，浮選尾煤采用兩段濃縮、兩段回收工藝聯合處理。原設計尾煤由帶式壓濾機脫水，但由于水分高、粘度大的原因，濾餅儲存、運輸、利用難度大。為此，該選煤廠采用基于旋翼式干燥機的高溫干燥技術對煤泥進行干燥處理。干燥前后的煤泥水分詳見表2[10]。

表2 干燥前后的煤泥水分統計數據

由表2可知：經干燥處理后，煤泥平均水分下降19.63個百分點；在灰分不變的情況下，煤泥發熱量與水分存在一定的線性關系[11-13]，從諸多的定量分析與定性分析結果來看，煤泥水分越低，其發熱量越高，故干燥處理對于提升煤泥發熱量具有積極作用。

老屋基選煤廠待干燥煤泥水分在40%～44%之間，干燥后煤泥水分在12%～18%之間，其水分下降22～32個百分點[5]，干燥成效顯著。2010年2—9月，大平礦選煤廠的待干燥煤泥平均水分為43%、平均灰分為51.69%、平均發熱量為6.34 MJ/kg；經干燥處理后，煤泥的平均水分為18.97%、平均灰分為52.59%、平均發熱量為10.09 MJ/kg，煤泥發熱量明顯提高[14]。

2 低溫干燥技術

針對煤泥高溫干燥過程中存在燃燒或爆炸風險，熱能資源與水資源浪費較大，易污染環境等問題[4]，我國科研人員對煤泥低溫干燥技術進行了不少探索，近年來煤泥低溫蒸汽干燥技術在現場得到了一定推廣與成功應用。

2.1 干燥系統組成

煤泥低溫蒸汽干燥技術常用的核心設備為空心槳葉干燥機和蒸汽回轉干燥機[4]，空心槳葉干燥機已在國外研發與推廣多年，后來被我國引進，并于近年應用于煤泥干燥方面；蒸汽回轉干燥機是國內應用比較成熟的一種低溫蒸汽干燥設備，根據結構形式的不同可將其分為直管固定式蒸汽回轉干燥機和環管分體式蒸汽回轉干燥機[4]，兩種設備的主要區別在于換熱管，后者是前者的改良版，有效換熱面積更大，部件更耐磨，檢修與維護更方便。

煤泥低溫蒸汽干燥系統主要由給料系統、蒸汽干燥設備、加熱系統、卸料系統、除塵系統、電控系統、輸送系統等組成[4]，根據不同的干燥需求，可以選用空心槳葉干燥機和蒸汽回轉干燥機對煤泥進行干燥。空心槳葉干燥機是以熱傳導為主的臥式攪拌式干燥機，主要由夾套外殼、雙螺旋干燥輸送軸、驅動機構、頂蓋、排濕設備等組成[15]；蒸汽回轉干燥機[16]主要由進料系統、出料系統、拖輪系統、機身(筒體)、換熱管、潤滑裝置、安全保護裝置、傳動裝置、耐壓防爆裝置等組成。

2.2 工藝流程

待干燥煤泥通過輸送設備運輸給給料設備，給料設備將其均勻給入干燥設備，在干燥介質的作用下，煤泥中的水被蒸發，煤泥逐漸得到干燥；干燥煤泥通過運輸設備運送至堆放場，含塵尾氣經除塵系統除塵后排放入大氣，干燥過程中產生的冷凝液進入冷凝液回收單元。煤泥低溫蒸汽干燥原則流程如圖2所示。

圖2 煤泥低溫蒸汽干燥原則流程

待干燥煤泥在低溫干燥設備內的干燥原理基本相同，都是通過干燥介質(水蒸氣)的間接傳熱實現煤泥干燥，但干燥過程有所不同。在空心槳葉干燥機內，煤泥是在攪拌槳葉的不斷翻動和擠壓下，與干燥器的傳熱壁面和熱載體持續接觸，進而使其連續受熱并使煤泥中的水被蒸發[15]。對于蒸汽回轉干燥機而言，由于干燥機主體與水平面存在一定夾角，煤泥進入干燥機筒體后，在隨著筒體不斷運轉的同時逐步由高處(入料口)向低處(出料口)運動，并在此過程中與換熱管完成熱交換[1]。

2.3 技術特點

低溫蒸汽干燥技術于近些年出現在煤泥干燥行業，與高溫干燥技術相比，其具有干燥溫度低、干燥成本低、蒸發水及熱能可回收利用等特點，具體技術特點如下：

(1)干燥溫度低。煤泥低溫干燥技術以水蒸氣作為干燥介質，通過換熱部件來傳熱，從而使煤泥得到干燥。其中水蒸氣的溫度較低，一般不超過250 ℃[1,2,15]，對于低燃點的煤泥，無自燃或爆炸的危險，系統安全性高。

(2)干燥成本低。對于蒸汽凝結水的熱能，可通過換熱器加熱空氣，將其作為輔助烘干介質，這有利于加快煤泥干燥進程[4]。蒸汽凝結成水后，經簡單處理即可循環利用，如作為鍋爐水；煤泥干燥時蒸發的水和熱能均可回收利用，蒸發水回收后可作為鍋爐水或產生蒸汽的原料，熱能可用于加熱干燥介質。就整個干燥過程的物料利用情況來看，其可以實現循環利用，系統能耗低，干燥成本低。

(3)低溫蒸汽干燥技術于近些年應用于煤泥干燥行業，現階段的工藝與設備還不夠完善，初期投資過高，這直接影響該技術的推廣與應用；此外，核心設備處理能力較小，干燥溫度較低，熱轉化效率較低，這也是制約其推廣與應用的重要問題。

2.4 應用現狀

(1)基于空心槳葉干燥機的煤泥低溫蒸汽干燥技術在山東、山西兩地的煤泥干燥項目中得到了應用，在山東的煤泥干燥項目中，待干燥煤泥水分為25%，干燥煤泥水分為15%；在山西的煤泥干燥項目中，待干燥煤泥水分為26%，干燥煤泥水分為15%[15]。煤泥經過干燥后，其中的水明顯下降，發熱量顯著提高，且不易吸水而返潮。

(2)基于蒸汽回轉干燥機的煤泥低溫蒸汽干燥技術在協莊煤礦選煤廠應用成功，干燥前的煤泥發熱量為12.55 MJ/kg、水分為29%，干燥后的煤泥發熱量為15.90 MJ/kg、水分為13%，煤泥干燥效果良好[1]。

3 發展趨勢

煤泥高溫干燥技術是成熟的技術，在實際生產中具有很強的實用性，該技術在短時間內作為煤泥干燥主導技術的地位不會發生大的變化。但必須解決干燥過程中存在的燃燒或爆炸風險和干燥煤泥易吸水返潮的問題；此外，還要提高燃料利用效率和含塵尾氣的凈化能力，實現燃料的節約利用，提升設備的環保水平。煤泥干燥過程中的燃燒或爆炸風險主要與干燥溫度、煤粉濃度有關，可以考慮采用溫度和濃度儀器、儀表實時檢測，并通過系統PLC及時調控，降低此類風險發生的概率，甚至杜絕其發生。對于提高燃料利用效率與含塵尾氣高效凈化的問題，可以采用高效、環保的燃燒設備(如改良的循環流化床鍋爐)代替燃氣爐等，并在尾氣凈化系統中整合先進的脫硝、脫硫技術，進一步降低含塵尾氣中的SO2、NOx含量，保證尾氣達標排放。從這些方面分析，選用安全、環保、高效、可靠的設備與工藝，提高干燥設備綜合自動化水平，是煤泥高溫干燥技術的發展趨勢。

煤泥低溫干燥技術于近些年得到推廣與應用，其干燥成本低，系統安全性高，擁有一定的技術優勢；但核心設備處理能力較小，熱轉化效率低，初期投資過高。隨著選煤工藝和設備向著現代化、集約化、大型化的發展，洗選系統的處理能力必將增大，作為干燥系統核心設備的干燥機處理能力也應提高。對于熱轉化效率低的問題，需要探索導熱性更好的材料，以其作為換熱部件；此外，可以考慮采用混合干燥方式，即在保證安全性的基礎上，以適當溫度的煙氣直接干燥與蒸汽間接干燥相結合。針對初期投資過高的缺陷，應該從設備簡約化考慮，即在干燥機大型化的同時優化設備結構，剔除其中可有可無的環節。就這些方面來看，安全、大型、簡約、高效是煤泥低溫干燥技術的發展趨勢。

就干燥溫度來說，微波干燥技術也屬于低溫干燥技術，其受到很多研究者的關注。其中，姚騰[17]的研究表明：在適當的條件下，微波干燥能有效提升煤泥的發熱量；無論是在室內還是在室外，微波干燥煤泥的含水率一直較低，且一般不會產生明顯的煤粉和揚塵。席波[18]等對煤泥微波干燥工藝和設備進行了研究，為其工業應用進行了有益探索。由于干燥能耗低而效率高，干燥時間短而處理能力大，生產過程無污染，設備結構簡單，施工安裝簡便，經濟性較好等，微波干燥技術應用前景廣闊，這也是煤泥干燥技術未來發展的主要趨勢之一。

4 結語

就目前的技術條件而言，煤泥高溫干燥技術和低溫干燥技術各有特點，對于不同煤質的煤泥，應該選擇不同的干燥技術——高溫煙氣(熱氣)干燥技術或低溫蒸汽干燥技術；在選擇干燥技術時，可以從技術適用性、工藝先進性、設備成熟性、投資與運行成本等方面綜合考慮。隨著我國國民對生活環境要求的提高和國家對環境保護力度的加大，以及選煤向著精細化發展，無論是煤泥高溫干燥技術還是低溫干燥技術必將向著安全與環保、節能與智能、大型與簡約方向發展。

[1] 鄭 汝，吳偉偉. 煤泥低溫干燥提質技術的研究與應用[J].節能, 2013(10):55-57.

[2] 劉文昌，劉保華，亓 愈. 煤泥干燥技術分析[J].選煤技術，2014 (4)：93-94.

[3] 王宏耀，吳 靜，李曉光，等. 蒸汽列管回轉干燥技術用于煤泥干燥的研究[J].中國煤炭，2015，41(11)：86.

[4] 牛振國，李曉光，于 磊，等.國內煤泥干燥主要技術及設備淺析[J].干燥技術與設備,2014,12(3):3-5.

[5] 李阿林. WJG旋翼式干燥機在老屋基選煤廠煤泥干燥中的應用[J].選煤技術，2010 (6)：42.

[6] 謝廣元.選礦學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001.

[7] 郝 俊，李曉昊，陳開玲.朔中選煤廠煤泥干燥提質實踐[J].選煤技術，2014(5)：31.

[8] 李利娟.煤泥干燥技術在趙固一礦選煤廠的應用[J].選煤技術，2016(2).

[9] 呂國定. 煤泥干燥技術在燕子山選煤廠的應用[J].煤炭加工與綜合利用，2014(9)：45.

[10] 付聚強，陶 群，蔣家慕.WJG型旋翼式干燥機在月亮田礦選煤廠的應用[J].選煤技術，2009(5)：30,32.

[11] 陳洪博,白向飛,羅隕飛.煤的發熱量與水分、灰分的關系研究[J].煤質技術，2010(4):26-28.

[12] 郝 俊,陳開玲.基于多元線性回歸的洗混煤低位發熱量數學模型研究[J].選煤技術，2014(3)：1-3.

[13] 馮桂東.用回歸方法研究煤的灰分、水分與發熱量的關系[J].江蘇煤炭，2001(1)：33-35.

[14] 寇俊利. WJG旋翼式強制流態化煤泥干燥機在大平礦選煤廠的應用[J].煤炭加工與綜合利用，2010(6)：16.

[15] 趙志堅，史 昱，何明威. 煤泥低溫干燥新工藝探討[J].無機鹽工業，2016，48(3)：69-71.

[16] 彭達順， 霍慧芳. 蒸汽回轉干燥機在高硫鐵精礦干燥中的應用[J].河北化工，2012,35(9).

[17] 姚 騰. 微波在煤泥低溫脫水提質的應用研究[J].真空電子技術，2013(6):37-40.

[18] 席 波，劉曉蕊. 煤泥微波烘干技術及設備的研究[J].選煤技術，2011(6):23-25.