大型盤式半焦干燥機的設計開發

王 凱 張皓遠 朱世峰

（1.洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 2.河南科技大學）

干燥設備

大型盤式半焦干燥機的設計開發

王 凱*1張皓遠2朱世峰1

（1.洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 2.河南科技大學）

主要介紹了大型盤式半焦干燥機的設計開發過程，重點闡述了大型盤式干燥機主要設計參數的選取要領和注意事項。開發出的大型盤式半焦干燥機填補了市場空白，促進了半焦生產企業升級轉型，提高了其資源經濟效益。

盤式干燥機 半焦 蒸汽 干燥盤 設計 技術參數

0 前言

隨著我國經濟的飛速發展，市場對焦炭的需求逐年增加。但是我國的焦煤儲量較少且地域分布不均，因此造成了焦炭市場的供應緊張，原本不受青睞的半焦也成了市場上的寵兒。特別是近些年來受到市場需求的推動，在我國的陜西、內蒙古和新疆等地先后興建了一大批半焦廠。

在半焦的生產過程中，高溫半焦從干餾爐內排出后要浸入水池內進行熄焦和冷卻，最后由撈渣機撈出。從撈渣機內排出的半焦大約含有28%的水分，要想進一步貯存和利用半焦，就必須將其所含的水分去除。

經過調研發現，目前絕大部分半焦廠家都沒有使用專門的烘干設備來干燥半焦。有的廠家將半焦露天堆放，有的廠家在輸送機上架設燒嘴，通過燃燒煤氣對半焦進行干燥。這不僅污染環境、浪費能源，而且還有嚴重的安全隱患。

截至2015年年底，我國的半焦產量已經達到了4750萬t。因此不管是從經濟效益出發，還是從社會效益出發，開發大型半焦專用烘干設備都迫在眉睫。

1 干燥機的選型

干燥機的形式有很多種，之所以選擇用盤式干燥機來烘干半焦，主要是考慮到半焦的物料特性。半焦一般是用泥煤、褐煤等一些低變質煤種在隔絕空氣的條件下加熱而得到的固體產物。由于其生產原料屬于年輕煤種，所以半焦的主要特點就是孔隙率大、揮發分高、機械強度低。

（1）孔隙率大

因為半焦的孔隙率大，所以在半焦顆粒的內部存在大量的毛細孔。這些毛細孔對水分子的吸附能力很強，想要將這部分水分徹底烘干比較困難，只能采用較高的烘干溫度。

（2）揮發分高

半焦屬于低溫干餾產物，其內部還會殘留一部分揮發分。這部分揮發分在烘干過程中受熱會釋放出一些可燃氣體。如果這些氣體聚集并遇到高溫煙氣，則極易發生自燃或爆炸等安全事故。

（3）機械強度低

由于半焦的生產原料黏結性較差，所以其強度也較低。550℃半焦的第二次跌落強度只有不到50%。另外，由于焦粉沒有工業用途，只能當作普通燃料，經濟價值很低，所以在半焦的干燥過程中應盡可能減少機械運動，避免發生碎裂。

除了上述三個因素外，還有一個最重要的因素就是盤式干燥機的占地面積非常小，基本不受場地限制，非常適合用于改造項目。

2 盤式干燥機的結構和工作原理

蒸汽加熱的盤式干燥機最早出現于德國，用于褐煤的干燥成型。但是其產量不高而且大型化比較困難，后來逐漸被管式干燥機所取代。然而在某些情況下，盤式干燥機的干燥過程控制要比其他形式的干燥機容易得多，所以在某些領域盤式干燥機仍在使用。

盤式干燥機實質上是一種采用多層環形固定式加熱盤、回轉式耙犁攪拌、以熱傳導為主的立式連續干燥設備。其由電機、減速機、主軸、耙臂、耙葉、干燥盤、殼體、框架及外保溫等幾部分組成。

盤式干燥機的結構如圖1所示。濕物料由位于干燥機頂部中央的進料口接連不斷地喂入到最上部的干燥盤上。干燥盤上帶有耙葉的耙臂在主軸的帶動下不斷旋轉，耙葉的排列使其在回轉過程中一邊將物料不斷地翻動，一邊將物料沿著螺旋線的軌跡輪流刮到干燥盤邊緣，并從干燥盤邊緣的開孔處掉落到下一層干燥盤上。由于下一層干燥盤上的耙葉安裝方向與上一層相反，所以物料在該層干燥盤上，除了會隨著耙葉的回轉不斷地翻動外，還會被刮到干燥盤的內側，從干燥盤內側的開孔處掉落到再下一層干燥盤上。濕物料就這樣周而復始地沿著“之”字形線路經過干燥機的每一層干燥盤，直到以干燥狀態從最底部的干燥盤排出。另外，干燥機中所有的干燥盤內都通入了飽和蒸汽，當物料在干燥盤上停留時就會被不斷地加熱，從而使物料中的水分不斷地蒸發，蒸發的水分由設在干燥機頂部的排濕口排出。

圖1 盤式干燥機結構

與其他形式的干燥設備相比，盤式干燥機最主要的特點是熱效高、能耗低、投資省、污染少、操作簡便、占地小、干燥過程可控。因此，盤式干燥機非常適合干燥類似半焦這種粒度分布寬、沒有黏結性、流動性好且具有易燃性的散狀顆粒物料。

3 盤式干燥機規格的確定

3.1 加熱面積

根據盤式干燥機的傳熱機理可知，其干燥過程實質上就是干燥盤內的熱載體以傳導和輻射的形式將熱量通過干燥盤表面傳遞給濕物料的過程。因此，在一定條件下與物料接觸的干燥盤面積就決定了盤式干燥機的處理能力。所以盤式干燥機最主要的參數就是加熱面積。

式（1）為盤式干燥機的加熱面積計算式。由式（1）可見，只要知道單位面積蒸發強度As，就可算出加熱面積。

式中A——加熱面積，m2；

Gs——絕干物料量，kg/h；

c1——物料進口含水率，kg/kg；c2——物料出口含水率，kg/kg；

As——單位面積蒸發強度，kg/(m2·h)；

τ——停留時間，h。

盤式干燥機的傳熱過程是一個非常復雜的復合過程。由于物料顆粒不停地受到攪拌，其狀態是隨機分布的，因此想要通過數學模型精確地計算出干燥盤上單位面積的蒸發強度基本上是不可能的。表1是通過試驗測得的在不同蒸汽壓力下干燥盤的單位面積蒸發強度。

表1 不同蒸汽壓力下干燥盤的單位面積蒸發強度

以?4500-21型盤式半焦干燥機為例，在蒸汽壓力為202.6 kPa時，可從表1中對照選出單位面積蒸發強度As為6.91 kg/(m2·h)。將表2中的物料參數代入式（1），可算出所需的加熱面積A為305 m2，進而可確定盤式干燥機的規格。

表2 ?4500-21型盤式干燥機物料參數

3.2 干燥盤直徑及數量

盤式干燥機各部件的尺寸一般與干燥盤外徑D有關，而干燥盤的外徑應綜合考慮制造、運輸、安裝和成本等因素，原則上可按式（2）先進行初步估算，然后再根據實際情況進行圓整。式（2）中的系數與物料在干燥機內的停留時間相關，如果想延長物料的停留時間可選大值。

式中A——加熱面積，m2；

D——干燥盤外徑，m。

將加熱面積A=305 m2代入式（2）后，計算出干燥盤的合理外徑為4.3～3.6 m。考慮到干燥機的系列化問題，取D為4.5 m（R20系列）。另外，為了便于主軸和橫臂固定座的拆裝，干燥盤的內徑d取1.6 m。這樣該干燥機每個干燥盤的凈面積都有16.4 m2，從而可計算出干燥盤的數量為19個。

通常盤式干燥機的干燥盤數量都會留有10%的富余，以防止物料的濕度過大。相反地，如果物料比較干燥的話，則可以將干燥機底部部分干燥盤的蒸汽關閉，使其不起加熱作用。綜合考慮上述因素，最終選取?4500-21型盤式干燥機的干燥盤數量為21個。

3.3 主軸轉速

盤式干燥機的主軸轉速決定了干燥機的產能和物料的停留時間。在其他條件相同的情況下，干燥機的主軸轉速與干燥機的產能成正比，與物料的停留時間成反比。即主軸轉速越高，物料的停留時間越短，干燥機的產能就越高。一般情況下，盤式干燥機的主軸轉速為1～10 r/min，在實際生產時可根據進料的含水率進行調整。在滿足產能和最終含水率的前提下，主軸轉速應越低越好。如果主軸轉速選取過高，雖然在生產中調整余地較大，但電機的富余功率過大，會造成電耗較高，還會造成刮刀的磨損過大。經過實際測算，當主軸轉速為5.5 r/min時，刮刀的壽命通常可達到18個月左右。因此在確定盤式干燥機主軸的最高轉速時，應保證刮刀的最大線速度不超過1.75 m/s。

4 盤式干燥機的結構設計

經過上面的分析和計算，盤式干燥機的參數都已基本確定，下一步就可進行盤式干燥機的結構設計了。圖2為?4500-21型盤式干燥機的剖面圖，圖3為其截面圖。下面結合實例對大型盤式干燥機在結構設計中應該注意的幾個問題進行分析。

4.1 進料口位置

小型盤式干燥機的進料口位置可以根據需要隨意布置，但是大型盤式干燥機只能采取中心喂料，并應在喂料口下方設置布料裝置，如圖2所示。布料裝置可使物料盡可能均勻地分布在干燥盤上，并使刮刀盡快將堆積的物料攤平。如果大型盤式干燥機采用側面喂料，大量物料進入干燥機后會堆積在第一層干燥盤的表面，而刮刀又來不及將物料刮走，導致物料越積越多，造成下料不暢。另外，由于橫臂每次轉到下料口處都必須從堆積的物料中穿過，物料堆積會造成主軸上的阻力急劇變化。即當橫臂進入料堆時阻力突然增大，當橫臂離開料堆時阻力又突然減小。這種不均衡的受力會造成整個主軸產生劇烈的振動，甚至引起刮刀與干燥盤面發生剮蹭而受到損壞。圖4就是對上述情況的模擬。

圖2 ?4500-21型盤式干燥機剖面圖

圖3 ?4500-21型盤式干燥機截面圖

圖4 盤式干燥機側面喂料對橫臂運動的影響

4.2 干燥盤結構

干燥盤是盤式干燥機的關鍵部件，它將飽和蒸汽的熱量傳遞給物料，使物料升溫干燥。另外，干燥盤的成本可占到整機成本的75%左右。因此，在設計干燥盤時應予以特別重視。

干燥盤的結構按上、下盤面的固定形式可分為支柱式、折流板式和沖壓式三種。這三種結構各有優點，在小型干燥機上都有使用。但在大型盤式干燥機中，干燥盤的結構往往都采用折流板式的焊接結構，如圖5所示。

圖5 折流板式干燥盤內的蒸汽流向

為了方便檢修和更換，每個干燥盤都分成4～8個獨立的扇形小盤（見圖5）。這些扇形盤由鋼板制成并焊成一體，頂部磨損面的鋼板厚度為10 mm，底部非磨損面的鋼板厚度為6 mm，分別被焊到由折流板組成的框架上。該結構可以承受3個大氣壓以上的蒸汽壓力。為了保證刮刀平穩運轉，干燥盤頂部的鋼板平面度不得大于4 mm。為了保證干燥盤上的物料厚度，在干燥盤的內、外緣上都應焊上一定高度的擋料板。為了提高干燥盤的有效面積，通常大型盤式干燥機的干燥盤都不采用大、小交替的布置形式，而是所有干燥盤都大小一致，并在每個扇形盤的內側或外側開2～3個排料孔。一般情況下，干燥盤之間的間距為25 cm，干燥盤內的氣室高度為3.2 cm。

需要注意的是：雖然所有的干燥盤規格都相同，但是隨著半焦含水量的減少，每個干燥盤的蒸汽冷凝量是逐漸遞減的。這樣就會造成干燥盤進口、出口處的壓差隨著蒸汽冷凝量的增大而增大，即位于干燥機相對下部的干燥盤排氣壓力要高于上部。因此，主排氣管內的蒸汽就會向上流動，影響上部干燥盤的排氣，從而造成整個干燥機的效率下降。

為了防止上述現象的發生，可在每個干燥盤上都安裝疏水閥。通過表3中的數據可以看出，通過安裝疏水閥可以將干燥盤的單位面積蒸發強度提高16%。

表3 安裝和不安裝疏水閥時干燥盤單位面積蒸發強度

4.3 篩分盤

半焦在撈渣、輸送和轉運過程中難免會發生碎裂。破碎的半焦由于其粒度較小，所以干燥速度較快，往往不等到達底部的干燥盤就已經完全干燥，如果繼續加熱的話就可能會發生自燃。為了避免過干燥情況的發生，需要在干燥機中部偏下的位置設置一個篩分盤（如圖2所示）。該篩分盤由鋼板制成，上面開著正方形的篩孔，從內到外篩孔尺寸逐漸增大。

篩分盤的作用是將物料中的大塊與小塊分開，不能透過篩孔的大塊物料被刮到位于篩分盤外緣的排料孔內，沿著原定線路繼續干燥；而能透過篩孔的小塊物料則會掉到篩分盤下面的干燥盤上，并被刮刀刮到干燥盤內緣，通過與橫桿相連的細料溜槽直接跨過剩余的干燥盤掉到干燥機底部，與已經干燥的大塊物料混合在一起從出料管排出。

4.4 刮刀角度

在盤式干燥機中，刮刀通過橫臂與主軸固定在一起（見圖3）。當主軸旋轉時，干燥盤上的物料就會在刮刀的作用下，沿著圓周方向和半徑方向不斷翻滾。通常每個干燥盤上都會有4～6個均布的橫臂，而每個橫臂上都裝有9～16個刮刀。對于一臺具有21個干燥盤的干燥機來說，其刮刀的數量高達1300多個。因此，盤式干燥機的使用性能在很大程度上取決于刮刀角度α的調整（見圖3）。如果刮刀角度α調整不當，可能會導致盤式干燥機的產能下降13%左右。

劉鴻燕[4]等通過理論分析和試驗研究，認為刮刀角度α在45°～55°時，熱效率最高。而在實際設計中刮刀角度的取值也是在該范圍內的。需要特別指出的是，對于小型盤式干燥機來說，所有刮刀都可以采用相同的角度，但是對于大型盤式干燥機則不能如此，否則會出現問題。圖6是模擬物料在干燥盤上分布的情況。從圖中可以看出，當所有刮刀角度相同時，越靠近干燥盤的外緣，露出的表面就越多，這些裸露的表面起不到任何加熱作用，從而造成干燥盤熱效率大大降低。這是由于主軸轉動時位于外側的刮刀比內側的刮刀掃過的面積大，所以外側的刮刀輸送物料的能力就比內側的強。為了避免上述情況發生，使物料能夠均勻地分布在整個干燥盤表面，可以通過適當加大外側刮刀的角度來降低它的輸送能力，從而保持內、外側刮刀輸送物料的能力相接近。這樣一來，同一橫臂上刮刀的角度就會隨著其所處的位置不同而不同。因此大型盤式干燥機不能采用相同的刮刀角度。

圖6 物料在干燥盤上的分布

表4是?4500-21型盤式干燥機的性能參數，該干燥機在使用中取得了良好的效果。

表4 ?4500-21型盤式干燥機性能參數

5 結論

盤式干燥機用于干燥半焦的實例還較少。另外，大型盤式干燥機的設計也與小型干燥機有很大的不同。除了上述問題以外，更多的問題還需要在實際應用中才能體現出來，只有通過不斷地改進才能使產品更加完善。

[1]劉廣文.干燥設備設計手冊 [M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]金國淼.干燥設備[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3]朱振華，徐成海，龔素芝.物料在盤式連續干燥器干燥盤上運動規律的研究 [J].化工裝備技術，2003,24（5）：1-3.

[4]劉鴻燕，張及端.盤式連續干燥器中耙葉安裝角度的改變對干燥速率影響的研究 [J].化工裝備技術，2004，25（3）：1-4.

[5]朱振華，徐成海.盤式連續干燥器中物料在干燥盤上停留時間的研究 [J].長春理工大學學報，2004，27（3）：58-60.

Design and Development of Large-Scale Disc Dryer for Semi-coke

Wang KaiZhang Haoyuan Zhu Shifeng

The design and development process of large-scale dryer for semi-coke are mainly introduced.The selection of main design parameters and matters needing attention in large-scale disc dryer are expounded.The large-scale dryer for semi-coke has filled the gap of the market,promoted the upgrading and transformation of the semi-coke production enterprises,and raised its resource and economic benefits.

Disc dryer;Semi-coke;Steam;Drying disc;Design;Technical parameter

TQ 051.8+92

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.001

2017-02-20)

*王凱，男，1981年生，工程碩士，工程師。洛陽市，471039。