一種生焦干燥及尾氣處理工藝的技術(shù)研究

唐浩(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900)

0 引言

煤系針狀焦是生產(chǎn)超高功率石墨電極的主要原料，是由煤瀝青經(jīng)過(guò)原料預(yù)處理、延遲焦化和煅燒三個(gè)工序生產(chǎn)的。延遲焦化生產(chǎn)的針狀焦含有較高的水分和揮發(fā)性組分，稱為生焦，需進(jìn)行高溫煅燒處理才能作為高功率、超高功率石墨電極的原料。煅燒的目的是脫除生焦中的水分和揮發(fā)分，提高焦炭的含碳量、密度、強(qiáng)度、導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性[1-2]。

煅燒的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是生焦在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)預(yù)熱、水分蒸發(fā)、揮發(fā)分逸出及最終燒成的過(guò)程，對(duì)于煤系針狀焦其煅燒溫度為1400～1500 ℃，煅燒的熱源主要由外供燃料、揮發(fā)分燃燒以及焦炭的自身燃燒來(lái)提供。正是由于回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦時(shí)所需求的溫度較高，而針狀焦生焦的揮發(fā)分一般較低約為6%左右，因此為了達(dá)到煅燒所需熱量，除需要大量外供燃料外，還增大了針狀焦的炭質(zhì)燒損，造成了大量的浪費(fèi)，導(dǎo)致煅燒收率較低，一般僅達(dá)到70%～72%[2]。在此情況下，如果能夠降低生焦含水量，則勢(shì)必會(huì)對(duì)降低生焦燒損起到一定的積極作用。同時(shí)，生焦作為電池負(fù)極材料的重要原料，對(duì)來(lái)料水分的要求也較為嚴(yán)格，一般不得高于5%。

本文根據(jù)某企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)選用了滾筒式干燥機(jī)用于生焦干燥過(guò)程并針對(duì)性設(shè)置了干燥尾氣處理裝置。

1 基礎(chǔ)條件

某企業(yè)新建一套煤系針狀焦生產(chǎn)裝置，延遲焦化產(chǎn)出的生焦含水率較高，特增設(shè)一套生焦干燥裝置，要求每小時(shí)烘干后生焦成品產(chǎn)量為12 t，干燥機(jī)采用間接加熱，干燥介質(zhì)為0.8 MPa飽和蒸汽，另要求干燥過(guò)程嚴(yán)格控制生焦粉末率。干燥過(guò)程產(chǎn)生的尾氣所含焦粉粒子、焦油類異味(H2S、氨、焦油霧等)及水分等物質(zhì)也應(yīng)當(dāng)?shù)玫接行Э刂疲坏弥迸糯髿狻＞唧w設(shè)計(jì)條件如下：

該裝置設(shè)計(jì)每小時(shí)干燥能力為12 t/h(干基)；

濕物料初含水率P1=12%(干燥機(jī)進(jìn)口)，初始溫度：T1=30 ℃；

干基物料含水率P2=3%(干燥機(jī)出口)，終了溫度：T2=100 ℃；

干燥間接加熱介質(zhì)： 0.8 MPa飽和水蒸汽，工作溫度169 ℃；

干燥車間溫度30 ℃，干燥機(jī)排潮溫度90 ℃，潮氣按70 ℃出現(xiàn)冷凝水計(jì)算。

2 干燥設(shè)備的選擇

2.1 設(shè)備選擇

自延遲焦化而來(lái)的生焦普遍具有塊徑大、易粉碎、待除水分主要為外在水的特點(diǎn)，在干燥設(shè)備的選擇時(shí)既要考慮換熱性能，又要充分考慮其耐蝕性、耐磨性和防沖擊性。經(jīng)綜合考慮選用了回轉(zhuǎn)列管干燥機(jī)，其主要由筒體、內(nèi)加熱管束、外加熱伴管、滾圈、托輪、電機(jī)、減速機(jī)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、底座支撐裝置和旋轉(zhuǎn)接頭、高溫球閥等附屬裝置組成，以低壓飽和蒸汽作為傳熱介質(zhì)，主體略帶傾斜并能作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.2 設(shè)備工作原理

將蒸汽通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭加入干燥機(jī)，蒸汽進(jìn)入干燥機(jī)后通過(guò)筒體外壁及內(nèi)加熱排管間接與物料充分接觸。濕物料從較高端進(jìn)入干燥機(jī)筒體與加熱排管的空間，物料在帶有傾斜度的筒體回轉(zhuǎn)作用下向尾部移動(dòng)，物料在移動(dòng)過(guò)程中，受到筒體內(nèi)特殊結(jié)構(gòu)及布置的抄料板和加熱排管的連續(xù)翻動(dòng)，在干燥機(jī)內(nèi)均勻分布與分散并不斷地撒落在管束上，極大加快了濕物料在干燥機(jī)內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，最后完成干燥過(guò)程的合格物料由干燥機(jī)尾部的排料口均勻地排出，進(jìn)入下一道篩分工序。

該滾筒式干燥機(jī)傳熱面積大，熱效率高。單位容積的干燥能力是常規(guī)間接加熱干燥機(jī)的3倍以上，熱效率高達(dá)95%；對(duì)物料特性的適應(yīng)性比較強(qiáng)，物料干燥范圍大，物料干燥的均勻性好；干燥機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料；尤其是筒體外覆伴管的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，既強(qiáng)化了對(duì)已分散物料的清掃和熱傳導(dǎo)作用，又消除了筒體內(nèi)壁的沾粘現(xiàn)象，對(duì)物料水分、粘性變化的適應(yīng)性更強(qiáng)，同時(shí)極大地延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

3 干燥物料及熱量衡算

3.1 干燥物料衡算(按每小時(shí)為單位)

干燥前后絕干物料質(zhì)量不變：M=12×103×(1-3%)=11 640 kg；

初始含水量：M1=M÷(1-12%)×12%=1 588 kg；

終了含水量：M2=M÷(1-3%)×3%=360 kg；

水分蒸發(fā)量：M3=M1-M2=1 588-360=1 230 kg。

3.2 干燥熱量衡算(按每小時(shí)為單位)

(1)生焦升溫所需熱量Q1

生焦碳的比熱容1.8 kJ/kg·℃

(2)水分吸收熱量Q2

水的比熱容：Cs=4.18 kJ/kg·℃；

90 ℃水的蒸發(fā)熱：△H=2.283×103kJ/kg；

產(chǎn)品生焦所含水分吸收的熱量：

蒸發(fā)出的水分吸收的熱量：

因此水分吸收總熱量：

(3)空氣帶走熱量Qq

干燥車間平均溫度30 ℃，相對(duì)濕度30%，氣壓101 kPa；干燥車間空氣密度ρq約：1.154 488 kg/m3；凈含干空氣約：1.145 144 kg/m3；凈含水汽約：0.009 344 kg/m3。

干燥機(jī)排潮系統(tǒng)中，布袋除塵器露點(diǎn)溫度一般取70 ℃，相當(dāng)于潮氣溫度90 ℃，相對(duì)濕度20%，其參數(shù)如下：空氣密度約：0.918 341 kg/m3；凈含干空氣約：0.719 816 kg/m3；凈含水汽約：0.198 525 kg/m3。

干燥機(jī)溫度90 ℃，相對(duì)濕度20%潮氣中1 kg凈干空氣凈含水汽約0.275 8 kg。

干燥車間溫度30 ℃，相對(duì)濕度30%空氣中1 kg凈干空氣凈含水汽約0.008 16 kg。

干燥機(jī)1 h需要溫度30 ℃，相對(duì)濕度30%的空氣量Vk：

干燥機(jī)1 h排出溫度90 ℃，相對(duì)濕度20%的潮氣量Vc：

空氣比熱容Cs=1.011 256 kJ/kg·℃；

空氣帶走的熱量：

3.3 干燥機(jī)干燥效率

回轉(zhuǎn)列管干燥機(jī)換熱效率據(jù)經(jīng)驗(yàn)取95%計(jì)，故實(shí)現(xiàn)以上干燥能力所需熱量為：

3.4 蒸汽耗量計(jì)算

滾筒式干燥機(jī)排水溫度為140 ℃左右；

水的比熱容：Cs=4.18 kJ/kg·℃；

4 干燥尾氣的處理

在生焦干燥過(guò)程中，水分經(jīng)過(guò)間接加熱而蒸發(fā)，同時(shí)伴隨干燥機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，焦塊承受反復(fù)跌落沖擊產(chǎn)生一定量的焦粉揚(yáng)塵，以及隨溫度升高部分揮發(fā)分的逃逸，形成成分基本為焦粉粒子、焦油類異味(H2S、氨、焦油霧等)及水蒸汽等的尾氣混合物。性質(zhì)特點(diǎn)為含塵、粒度細(xì)、形狀不規(guī)則含濕量大、溫度高、腐蝕性，會(huì)對(duì)后續(xù)除塵系統(tǒng)要求比較高，若采用傳統(tǒng)布袋除塵器，則極易造成粘結(jié)、糊袋，從而讓布袋除塵器阻力加大，直至失去作用，嚴(yán)重影響干燥機(jī)的生產(chǎn)效率。這都使得煙氣凈化除塵具有了相當(dāng)大的難度。針對(duì)該情況，如何選用高品質(zhì)的除塵及清灰技術(shù)就成了關(guān)鍵所在。

目前，在工業(yè)尾氣排放時(shí)使用的除塵形式主要有：濕式除塵和干法除塵兩大類。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：濕式除塵器投資較大，腐蝕嚴(yán)重，而且會(huì)造成二次污染。旋風(fēng)除塵因?qū)Α? μm顆粒分離效率很低，很難達(dá)標(biāo)排放。靜電除塵器在除塵效率及二次污染方面都優(yōu)于濕式除塵器，但在使用過(guò)程中，影響除塵器性能的因素太多，比如：煙氣粉塵的比電阻、粉塵的粒度、粉塵的濃度、甚至粉塵的濕度、溫度都會(huì)對(duì)除塵效率有較大的影響，而這些因素又是在生產(chǎn)中難于控制合適的因素，任何生產(chǎn)工況都很難保持特別穩(wěn)定，且一次性投資大。因此靜電除塵器有一定的局限性。脈沖袋式、濾筒除塵器在濕度大的工況下使用效果較差。

與以上除塵器相比，塑燒板除塵器就比較好的克服了這些弊端，該除塵器處理煙塵量大，可以做到微米級(jí)孔徑，除塵效率高能夠達(dá)到99.5%以上，疏水性好，耐濕、耐油能力強(qiáng)，而且維護(hù)費(fèi)用低，塑燒板濾芯為剛性結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度好，反吹清灰效果好，又無(wú)骨架磨損，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。但其耐溫性能較差，處理溫度較高的含塵含濕氣體時(shí)，需配套前置降溫器。利用光氧凈化裝置進(jìn)一步對(duì)除塵后的尾氣進(jìn)行處理，其主要通過(guò)高臭氧UV紫外線的照射，裂解分子鏈結(jié)構(gòu)，使生焦干燥逃逸的揮發(fā)性有機(jī)物分子鏈降解轉(zhuǎn)變成低分子化合物，如：CO2、H2O等。

干燥尾氣處理的工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 干燥尾氣處理的工藝流程簡(jiǎn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)延遲焦化而來(lái)的含濕生焦采用滾筒干燥機(jī)干燥后，其水分可以控制在3%左右，滿足后續(xù)負(fù)極材料加工的要求，也一定程度上降低了生焦煅燒過(guò)程中的燒損率，同時(shí)也降低了生焦輸送過(guò)程中對(duì)輸送設(shè)備的腐蝕情況。其配套尾氣處理裝置，能夠有效凈化干燥尾氣，使其達(dá)標(biāo)排放。綜合以上，本文所述滾筒式干燥機(jī)及其尾氣處理裝置具有一定的推廣使用價(jià)值。