褐煤干燥工艺中螺旋干燥机的应用及研究

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摘 要：文章主要研究螺旋干燥机在褐煤干燥工艺生产流程中的应用。通过工业试验，对数据进行收集、整理、分析得出：同一台干燥设备在不同换热模式下存在显著的效果差异，以及原煤粒度和疏水结构对干燥效果的影响。

关键词：褐煤；干燥

中图分类号：TD462 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）08-0043-02

1 背景介绍

褐煤，主要分布在中国的内蒙古东部、云南东部、东北和华南地区。目前已经探明的褐煤储量为1 290亿吨，占煤炭开采总量的13%。由于褐煤具有高水分、高挥发分、高灰分、低热值的特点，导致其易自然，运输成本高，目前只用于坑口电厂的发电。为了提高褐煤的热值，稳定锅炉燃烧，在褐煤燃烧前需要对褐煤进行干燥，本文所针对的螺旋换热设备在褐煤干燥工艺中主要起到干燥褐煤的作用。

2 螺旋换热设备在褐煤干燥工艺中的研究

2.1 螺旋换热设备结构介绍

螺旋换热设备是由换热仓体（以下称“仓体”）和螺旋空心换热轴（以下称“换热轴”）组成。仓体内设有夹层，夹层内垂直方向设有半圆形管排；换热轴为空心结构，轴外侧设有蚌壳式空心螺旋（中间间断不连续）。物料在仓体内，通过螺旋轴的转动由入料口向出料口运动；新蒸汽分别由换热轴端部进汽管和仓体进汽口进入换热轴和仓体内，经过放热的疏水经过疏水器汇至疏水母管。

螺旋换热设备以过热蒸汽为热源，空气为携湿介质。过热蒸汽通过换热面将褐煤中的水分加热到仓内水分压对应的饱和温度以上；在引风机的负压作用下，通过空气将褐煤中析出的游离态水分带走，完成褐煤的干燥过程。该过程影响干燥效果的主要因素有：换热时间、换热面积、换热温差、物料粒度、蒸汽疏水结构、携湿介质的湿度、物料在设备内的混合程度。本试验主要研究：物料粒度、综合传热系数和蒸汽疏水结构螺旋干燥设备干燥效果的影响。

2.2 试验设备结构差异介绍

A设备和B设备为两台型号相同的螺旋换热设备（换热面积、出料时间、热源参数等均相同）。其中A设备保持原有设计结构不变，对B进行结构改造。改造内容如下，具体系统，如图1所示。

①通过在螺旋大径边缘外侧设置矩形刮板并在仓体内物料出口处加设挡料板，增强物料混合程度提高设备的综合传热系数。

②通过将设备主机呈3 °倾角倾斜布置（出料口为低点），改善设备疏水结构，减少疏水管路中水阻和气阻的发生。

③通过加装碎煤机塞板保证物料颗粒度维持在20 mm以下。

2.3 试验部分

2.3.1 物料粒度对干燥效果影响的试验

选用改造后的设备B进行试验，试验通过筛分法选取粒度为35 mm、30 mm、25 mm、20 mm和15 mm的褐煤；将设备B充分预热后送入等量的褐煤，记录试验前后褐煤的含水量和干燥过程所用蒸汽量，通过对比分析物料粒度对同一台设备干燥效果的影响。实验分为5组，每组进行3次，取平均数据。

①试验基本参数。

其一，设备出力2.5 t/h；转速6 r/min。

其二，原褐煤温度：32℃。

其三，热源参数，见表1。

②试验结果，褐煤粒度与试验前后水份对应关系，如图2所示。褐煤粒度与脱水率的对应关系，如图3所示。

③试验结果分析。试验过程中热源和设备参数相同，不同物料的汽耗量基本相同，可以认为本试验数据对于分析物料粒度对干燥效果的影响具有参考性。经分析得出，在相同工况下，物料粒度对干燥效果的影响较为明显（如图2所示），且与文献[1]结论相符：干燥动力学参数与物料粒度的平方成反比，理论上褐煤干燥过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积；加大了单位质量褐煤中水分的析出面积f。但在工业生产中过度减小物料粒度会加大破碎装置的负荷。通过对“表2”的进一步分析得出：物料粒度在25～35 mm区间内变化时脱水率变化较为明显，所以在工业生产中应合理选取被干燥褐煤的粒度达到生产的经济效益平衡点。

2.3.2 设备综合传热系数和疏水结构对干燥效果影响的试验

避免携湿介质湿度对干燥效果的影响，A、B两台设备在相同地点、同时进行试验，两台设备出力和转速均相等，通过对比分析设备结构差异对干燥效果的影响。试验持续5 h，分5次取样记录数据。

①试验基本参数。

其一，设备出力2.5 t/h；转速6 r/min。

其二，原褐煤温度32 ℃；物料粒度30 mm。

其三，热源参数，见表2。

②试验结果。A、B设备出口温度对比，如图4所示，A、B设备脱水率对比，如图5所示，A、B设备汽耗率对，如图6所示。

③试验结果分析。A设备在运行过程中，内部物料主要分布在换热轴和仓体下部，物料与换热轴的相对运动较为缓慢；通过红外测温仪确保换热轴和仓内壁面温度分布较为均匀。B设备在运行过程中，在螺旋刮板和出口挡料板的作用下物料在仓体内存在明显的翻滚现象，假设螺旋刮板后物料在仓体内的换热过程已突破稳态导热条件，换热过程为以对流换热为主的综合换热过程[2]。

通过对试验数据的整理分析得出：B设备的干燥性能远远高于A设备。数据表明，A设备的平均脱水率为7.52%，B设备的平均脱水率为16.15%；B设备的脱水能力超出已A设备一倍以上。数据表明，A设备出口的物料平均温度为65.6℃，B设备出口的物料平均温度为87.8 ℃。B设备出口物料平均温度比A设备高22.2 ℃；说明通过对设备内部结构和疏水结构的调整大幅度增强了物料与设备换热面的换热性能。经牛顿冷却公式[2]计算得出：A设备综合传热系数：

h=158.60 [w/m2·℃]；

B设备综合传热系数：

h=345.99 [w/m2·℃]。

通过综合传热系数的对比说明：刮料板和出口挡料板的设置改变了物料在干燥机内部的换热形式，在转速和停留时间相同的状态下使物料升到更高的温度，加大了褐煤内部水分与携湿介质间的温度梯度[3]，增大了褐煤中水分的吸热量，加速水分的析出。中的数据主要体现了两台设备在相同热源参数下干燥单位质量原煤所消耗的蒸汽量的关系。对比分析可得出设备B的汽耗率大于设备A的汽耗率，即B设备疏水量大于A设备疏水量，说明加大设备倾角和改善疏水系统防止了输水堵塞和热源蒸汽通过输水管路短路，加大了蒸汽与干燥机壁面的换热量，为改善干燥机干燥效果奠定基础。

3 结 语

通过工业试验和数据采集、计算可得出针对同一台干燥设备，褐煤粒度对褐煤的干燥效果存在较大的影响，本文通过试验数据整理分析得出工业生产中粒径20 mm以下的褐煤会得到较好的干燥效果。此外，干燥设备的换热结构直接影响到物料与干燥机换热面的换热形式，改变物料与换热面间的换热形式，会大幅加大换热过程的综合传热系数，提高物料与携湿介质间的温度梯度。传统螺旋桨叶换热设备，换热轴中心管通入加热蒸汽，疏水经中心管套管排除，蒸汽与换热面的换热过程容易发生疏水不畅和热源蒸汽短路的问题，该问题使蒸汽的能量无法顺利传递至换热面，造成能量损失；加大设备倾角和改善输水装置能够有效的避免疏水不畅和热源蒸汽短路的问题，改善干燥效果。

参考文献：

[1] 郭治.褐煤干燥动力学模型研究[J].神华科技，2011，（9）.

[2] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 井玉龙.过热蒸汽携湿在褐煤干燥中的应用[J].干燥技术与设备，2012，

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