褐煤干燥工藝中螺旋干燥機的應用及研究

劉潔

摘 要：文章主要研究螺旋干燥機在褐煤干燥工藝生產流程中的應用。通過工業試驗，對數據進行收集、整理、分析得出：同一臺干燥設備在不同換熱模式下存在顯著的效果差異，以及原煤粒度和疏水結構對干燥效果的影響。

關鍵詞：褐煤；干燥

中圖分類號：TD462 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）08-0043-02

1 背景介紹

褐煤，主要分布在中國的內蒙古東部、云南東部、東北和華南地區。目前已經探明的褐煤儲量為1 290億噸，占煤炭開采總量的13%。由于褐煤具有高水分、高揮發分、高灰分、低熱值的特點，導致其易自然，運輸成本高，目前只用于坑口電廠的發電。為了提高褐煤的熱值，穩定鍋爐燃燒，在褐煤燃燒前需要對褐煤進行干燥，本文所針對的螺旋換熱設備在褐煤干燥工藝中主要起到干燥褐煤的作用。

2 螺旋換熱設備在褐煤干燥工藝中的研究

2.1 螺旋換熱設備結構介紹

螺旋換熱設備是由換熱倉體（以下稱“倉體”）和螺旋空心換熱軸（以下稱“換熱軸”）組成。倉體內設有夾層，夾層內垂直方向設有半圓形管排；換熱軸為空心結構，軸外側設有蚌殼式空心螺旋（中間間斷不連續）。物料在倉體內，通過螺旋軸的轉動由入料口向出料口運動；新蒸汽分別由換熱軸端部進汽管和倉體進汽口進入換熱軸和倉體內，經過放熱的疏水經過疏水器匯至疏水母管。

螺旋換熱設備以過熱蒸汽為熱源，空氣為攜濕介質。過熱蒸汽通過換熱面將褐煤中的水分加熱到倉內水分壓對應的飽和溫度以上；在引風機的負壓作用下，通過空氣將褐煤中析出的游離態水分帶走，完成褐煤的干燥過程。該過程影響干燥效果的主要因素有：換熱時間、換熱面積、換熱溫差、物料粒度、蒸汽疏水結構、攜濕介質的濕度、物料在設備內的混合程度。本試驗主要研究：物料粒度、綜合傳熱系數和蒸汽疏水結構螺旋干燥設備干燥效果的影響。

2.2 試驗設備結構差異介紹

A設備和B設備為兩臺型號相同的螺旋換熱設備（換熱面積、出料時間、熱源參數等均相同）。其中A設備保持原有設計結構不變，對B進行結構改造。改造內容如下，具體系統，如圖1所示。

①通過在螺旋大徑邊緣外側設置矩形刮板并在倉體內物料出口處加設擋料板，增強物料混合程度提高設備的綜合傳熱系數。

②通過將設備主機呈3 °傾角傾斜布置（出料口為低點），改善設備疏水結構，減少疏水管路中水阻和氣阻的發生。

③通過加裝碎煤機塞板保證物料顆粒度維持在20 mm以下。

2.3 試驗部分

2.3.1 物料粒度對干燥效果影響的試驗

選用改造后的設備B進行試驗，試驗通過篩分法選取粒度為35 mm、30 mm、25 mm、20 mm和15 mm的褐煤；將設備B充分預熱后送入等量的褐煤，記錄試驗前后褐煤的含水量和干燥過程所用蒸汽量，通過對比分析物料粒度對同一臺設備干燥效果的影響。實驗分為5組，每組進行3次，取平均數據。

①試驗基本參數。

其一，設備出力2.5 t/h；轉速6 r/min。

其二，原褐煤溫度：32℃。

其三，熱源參數，見表1。

②試驗結果，褐煤粒度與試驗前后水份對應關系，如圖2所示。褐煤粒度與脫水率的對應關系，如圖3所示。

③試驗結果分析。試驗過程中熱源和設備參數相同，不同物料的汽耗量基本相同，可以認為本試驗數據對于分析物料粒度對干燥效果的影響具有參考性。經分析得出，在相同工況下，物料粒度對干燥效果的影響較為明顯（如圖2所示），且與文獻[1]結論相符：干燥動力學參數與物料粒度的平方成反比，理論上褐煤干燥過程中粒度越小干燥效果越好；降低物料入口粒度，有效地增大了物料的比表面積；加大了單位質量褐煤中水分的析出面積f。但在工業生產中過度減小物料粒度會加大破碎裝置的負荷。通過對“表2”的進一步分析得出：物料粒度在25～35 mm區間內變化時脫水率變化較為明顯，所以在工業生產中應合理選取被干燥褐煤的粒度達到生產的經濟效益平衡點。

2.3.2 設備綜合傳熱系數和疏水結構對干燥效果影響的試驗

避免攜濕介質濕度對干燥效果的影響，A、B兩臺設備在相同地點、同時進行試驗，兩臺設備出力和轉速均相等，通過對比分析設備結構差異對干燥效果的影響。試驗持續5 h，分5次取樣記錄數據。

①試驗基本參數。

其一，設備出力2.5 t/h；轉速6 r/min。

其二，原褐煤溫度32 ℃；物料粒度30 mm。

其三，熱源參數，見表2。

②試驗結果。A、B設備出口溫度對比，如圖4所示，A、B設備脫水率對比，如圖5所示，A、B設備汽耗率對，如圖6所示。

③試驗結果分析。A設備在運行過程中，內部物料主要分布在換熱軸和倉體下部，物料與換熱軸的相對運動較為緩慢；通過紅外測溫儀確保換熱軸和倉內壁面溫度分布較為均勻。B設備在運行過程中，在螺旋刮板和出口擋料板的作用下物料在倉體內存在明顯的翻滾現象，假設螺旋刮板后物料在倉體內的換熱過程已突破穩態導熱條件，換熱過程為以對流換熱為主的綜合換熱過程[2]。

通過對試驗數據的整理分析得出：B設備的干燥性能遠遠高于A設備。數據表明，A設備的平均脫水率為7.52%，B設備的平均脫水率為16.15%；B設備的脫水能力超出已A設備一倍以上。數據表明，A設備出口的物料平均溫度為65.6℃，B設備出口的物料平均溫度為87.8 ℃。B設備出口物料平均溫度比A設備高22.2 ℃；說明通過對設備內部結構和疏水結構的調整大幅度增強了物料與設備換熱面的換熱性能。經牛頓冷卻公式[2]計算得出：A設備綜合傳熱系數：

h=158.60 [w/m2·℃]；

B設備綜合傳熱系數：

h=345.99 [w/m2·℃]。

通過綜合傳熱系數的對比說明：刮料板和出口擋料板的設置改變了物料在干燥機內部的換熱形式，在轉速和停留時間相同的狀態下使物料升到更高的溫度，加大了褐煤內部水分與攜濕介質間的溫度梯度[3]，增大了褐煤中水分的吸熱量，加速水分的析出。中的數據主要體現了兩臺設備在相同熱源參數下干燥單位質量原煤所消耗的蒸汽量的關系。對比分析可得出設備B的汽耗率大于設備A的汽耗率，即B設備疏水量大于A設備疏水量，說明加大設備傾角和改善疏水系統防止了輸水堵塞和熱源蒸汽通過輸水管路短路，加大了蒸汽與干燥機壁面的換熱量，為改善干燥機干燥效果奠定基礎。

3 結 語

通過工業試驗和數據采集、計算可得出針對同一臺干燥設備，褐煤粒度對褐煤的干燥效果存在較大的影響，本文通過試驗數據整理分析得出工業生產中粒徑20 mm以下的褐煤會得到較好的干燥效果。此外，干燥設備的換熱結構直接影響到物料與干燥機換熱面的換熱形式，改變物料與換熱面間的換熱形式，會大幅加大換熱過程的綜合傳熱系數，提高物料與攜濕介質間的溫度梯度。傳統螺旋槳葉換熱設備，換熱軸中心管通入加熱蒸汽，疏水經中心管套管排除，蒸汽與換熱面的換熱過程容易發生疏水不暢和熱源蒸汽短路的問題，該問題使蒸汽的能量無法順利傳遞至換熱面，造成能量損失；加大設備傾角和改善輸水裝置能夠有效的避免疏水不暢和熱源蒸汽短路的問題，改善干燥效果。

參考文獻：

[1] 郭治.褐煤干燥動力學模型研究[J].神華科技，2011，（9）.

[2] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 井玉龍.過熱蒸汽攜濕在褐煤干燥中的應用[J].干燥技術與設備，2012，

（10）.