王 凱 張皓遠(yuǎn) 朱世峰

（1.洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 2.河南科技大學(xué)）

干燥設(shè)備

大型盤式半焦干燥機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

王 凱*1張皓遠(yuǎn)2朱世峰1

（1.洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 2.河南科技大學(xué)）

主要介紹了大型盤式半焦干燥機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，重點(diǎn)闡述了大型盤式干燥機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選取要領(lǐng)和注意事項(xiàng)。開(kāi)發(fā)出的大型盤式半焦干燥機(jī)填補(bǔ)了市場(chǎng)空白，促進(jìn)了半焦生產(chǎn)企業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，提高了其資源經(jīng)濟(jì)效益。

盤式干燥機(jī) 半焦 蒸汽 干燥盤 設(shè)計(jì) 技術(shù)參數(shù)

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)焦炭的需求逐年增加。但是我國(guó)的焦煤儲(chǔ)量較少且地域分布不均，因此造成了焦炭市場(chǎng)的供應(yīng)緊張，原本不受青睞的半焦也成了市場(chǎng)上的寵兒。特別是近些年來(lái)受到市場(chǎng)需求的推動(dòng)，在我國(guó)的陜西、內(nèi)蒙古和新疆等地先后興建了一大批半焦廠。

在半焦的生產(chǎn)過(guò)程中，高溫半焦從干餾爐內(nèi)排出后要浸入水池內(nèi)進(jìn)行熄焦和冷卻，最后由撈渣機(jī)撈出。從撈渣機(jī)內(nèi)排出的半焦大約含有28%的水分，要想進(jìn)一步貯存和利用半焦，就必須將其所含的水分去除。

經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前絕大部分半焦廠家都沒(méi)有使用專門的烘干設(shè)備來(lái)干燥半焦。有的廠家將半焦露天堆放，有的廠家在輸送機(jī)上架設(shè)燒嘴，通過(guò)燃燒煤氣對(duì)半焦進(jìn)行干燥。這不僅污染環(huán)境、浪費(fèi)能源，而且還有嚴(yán)重的安全隱患。

截至2015年年底，我國(guó)的半焦產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了4750萬(wàn)t。因此不管是從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，還是從社會(huì)效益出發(fā)，開(kāi)發(fā)大型半焦專用烘干設(shè)備都迫在眉睫。

1 干燥機(jī)的選型

干燥機(jī)的形式有很多種，之所以選擇用盤式干燥機(jī)來(lái)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(zhì)煤種在隔絕空氣的條件下加熱而得到的固體產(chǎn)物。由于其生產(chǎn)原料屬于年輕煤種，所以半焦的主要特點(diǎn)就是孔隙率大、揮發(fā)分高、機(jī)械強(qiáng)度低。

（1）孔隙率大

因?yàn)榘虢沟目紫堵蚀螅栽诎虢诡w粒的內(nèi)部存在大量的毛細(xì)孔。這些毛細(xì)孔對(duì)水分子的吸附能力很強(qiáng)，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(fā)分高

半焦屬于低溫干餾產(chǎn)物，其內(nèi)部還會(huì)殘留一部分揮發(fā)分。這部分揮發(fā)分在烘干過(guò)程中受熱會(huì)釋放出一些可燃?xì)怏w。如果這些氣體聚集并遇到高溫?zé)煔?，則極易發(fā)生自燃或爆炸等安全事故。

（3）機(jī)械強(qiáng)度低

由于半焦的生產(chǎn)原料黏結(jié)性較差，所以其強(qiáng)度也較低。550℃半焦的第二次跌落強(qiáng)度只有不到50%。另外，由于焦粉沒(méi)有工業(yè)用途，只能當(dāng)作普通燃料，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很低，所以在半焦的干燥過(guò)程中應(yīng)盡可能減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)，避免發(fā)生碎裂。

除了上述三個(gè)因素外，還有一個(gè)最重要的因素就是盤式干燥機(jī)的占地面積非常小，基本不受場(chǎng)地限制，非常適合用于改造項(xiàng)目。

2 盤式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

蒸汽加熱的盤式干燥機(jī)最早出現(xiàn)于德國(guó)，用于褐煤的干燥成型。但是其產(chǎn)量不高而且大型化比較困難，后來(lái)逐漸被管式干燥機(jī)所取代。然而在某些情況下，盤式干燥機(jī)的干燥過(guò)程控制要比其他形式的干燥機(jī)容易得多，所以在某些領(lǐng)域盤式干燥機(jī)仍在使用。

盤式干燥機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種采用多層環(huán)形固定式加熱盤、回轉(zhuǎn)式耙犁攪拌、以熱傳導(dǎo)為主的立式連續(xù)干燥設(shè)備。其由電機(jī)、減速機(jī)、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(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。濕物料由位于干燥機(jī)頂部中央的進(jìn)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(dòng)下不斷旋轉(zhuǎn)，耙葉的排列使其在回轉(zhuǎn)過(guò)程中一邊將物料不斷地翻動(dòng)，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(kāi)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(huì)隨著耙葉的回轉(zhuǎn)不斷地翻動(dòng)外，還會(huì)被刮到干燥盤的內(nèi)側(cè)，從干燥盤內(nèi)側(cè)的開(kāi)孔處掉落到再下一層干燥盤上。濕物料就這樣周而復(fù)始地沿著“之”字形線路經(jīng)過(guò)干燥機(jī)的每一層干燥盤，直到以干燥狀態(tài)從最底部的干燥盤排出。另外，干燥機(jī)中所有的干燥盤內(nèi)都通入了飽和蒸汽，當(dāng)物料在干燥盤上停留時(shí)就會(huì)被不斷地加熱，從而使物料中的水分不斷地蒸發(fā)，蒸發(fā)的水分由設(shè)在干燥機(jī)頂部的排濕口排出。

圖1 盤式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)

與其他形式的干燥設(shè)備相比，盤式干燥機(jī)最主要的特點(diǎn)是熱效高、能耗低、投資省、污染少、操作簡(jiǎn)便、占地小、干燥過(guò)程可控。因此，盤式干燥機(jī)非常適合干燥類似半焦這種粒度分布寬、沒(méi)有黏結(jié)性、流動(dòng)性好且具有易燃性的散狀顆粒物料。

3 盤式干燥機(jī)規(guī)格的確定

3.1 加熱面積

根據(jù)盤式干燥機(jī)的傳熱機(jī)理可知，其干燥過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是干燥盤內(nèi)的熱載體以傳導(dǎo)和輻射的形式將熱量通過(guò)干燥盤表面?zhèn)鬟f給濕物料的過(guò)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(jī)的處理能力。所以盤式干燥機(jī)最主要的參數(shù)就是加熱面積。

式（1）為盤式干燥機(jī)的加熱面積計(jì)算式。由式（1）可見(jiàn)，只要知道單位面積蒸發(fā)強(qiáng)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(jìn)口含水率，kg/kg；c2——物料出口含水率，kg/kg；

As——單位面積蒸發(fā)強(qiáng)度，kg/(m2·h)；

τ——停留時(shí)間，h。

盤式干燥機(jī)的傳熱過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的復(fù)合過(guò)程。由于物料顆粒不停地受到攪拌，其狀態(tài)是隨機(jī)分布的，因此想要通過(guò)數(shù)學(xué)模型精確地計(jì)算出干燥盤上單位面積的蒸發(fā)強(qiáng)度基本上是不可能的。表1是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的在不同蒸汽壓力下干燥盤的單位面積蒸發(fā)強(qiáng)度。

表1 不同蒸汽壓力下干燥盤的單位面積蒸發(fā)強(qiáng)度

以?4500-21型盤式半焦干燥機(jī)為例，在蒸汽壓力為202.6 kPa時(shí)，可從表1中對(duì)照選出單位面積蒸發(fā)強(qiáng)度As為6.91 kg/(m2·h)。將表2中的物料參數(shù)代入式（1），可算出所需的加熱面積A為305 m2，進(jìn)而可確定盤式干燥機(jī)的規(guī)格。

表2 ?4500-21型盤式干燥機(jī)物料參數(shù)

3.2 干燥盤直徑及數(shù)量

盤式干燥機(jī)各部件的尺寸一般與干燥盤外徑D有關(guān)，而干燥盤的外徑應(yīng)綜合考慮制造、運(yùn)輸、安裝和成本等因素，原則上可按式（2）先進(jìn)行初步估算，然后再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行圓整。式（2）中的系數(shù)與物料在干燥機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間相關(guān)，如果想延長(zhǎng)物料的停留時(shí)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(jì)算出干燥盤的合理外徑為4.3～3.6 m?？紤]到干燥機(jī)的系列化問(wèn)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(nèi)徑d取1.6 m。這樣該干燥機(jī)每個(gè)干燥盤的凈面積都有16.4 m2，從而可計(jì)算出干燥盤的數(shù)量為19個(gè)。

通常盤式干燥機(jī)的干燥盤數(shù)量都會(huì)留有10%的富余，以防止物料的濕度過(guò)大。相反地，如果物料比較干燥的話，則可以將干燥機(jī)底部部分干燥盤的蒸汽關(guān)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(jī)的干燥盤數(shù)量為21個(gè)。

3.3 主軸轉(zhuǎn)速

盤式干燥機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了干燥機(jī)的產(chǎn)能和物料的停留時(shí)間。在其他條件相同的情況下，干燥機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速與干燥機(jī)的產(chǎn)能成正比，與物料的停留時(shí)間成反比。即主軸轉(zhuǎn)速越高，物料的停留時(shí)間越短，干燥機(jī)的產(chǎn)能就越高。一般情況下，盤式干燥機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速為1～10 r/min，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可根據(jù)進(jìn)料的含水率進(jìn)行調(diào)整。在滿足產(chǎn)能和最終含水率的前提下，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)越低越好。如果主軸轉(zhuǎn)速選取過(guò)高，雖然在生產(chǎn)中調(diào)整余地較大，但電機(jī)的富余功率過(guò)大，會(huì)造成電耗較高，還會(huì)造成刮刀的磨損過(guò)大。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)算，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為5.5 r/min時(shí)，刮刀的壽命通?？蛇_(dá)到18個(gè)月左右。因此在確定盤式干燥機(jī)主軸的最高轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)保證刮刀的最大線速度不超過(guò)1.75 m/s。

4 盤式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)上面的分析和計(jì)算，盤式干燥機(jī)的參數(shù)都已基本確定，下一步就可進(jìn)行盤式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了。圖2為?4500-21型盤式干燥機(jī)的剖面圖，圖3為其截面圖。下面結(jié)合實(shí)例對(duì)大型盤式干燥機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析。

4.1 進(jìn)料口位置

小型盤式干燥機(jī)的進(jìn)料口位置可以根據(jù)需要隨意布置，但是大型盤式干燥機(jī)只能采取中心喂料，并應(yīng)在喂料口下方設(shè)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(jī)采用側(cè)面喂料，大量物料進(jìn)入干燥機(jī)后會(huì)堆積在第一層干燥盤的表面，而刮刀又來(lái)不及將物料刮走，導(dǎo)致物料越積越多，造成下料不暢。另外，由于橫臂每次轉(zhuǎn)到下料口處都必須從堆積的物料中穿過(guò)，物料堆積會(huì)造成主軸上的阻力急劇變化。即當(dāng)橫臂進(jìn)入料堆時(shí)阻力突然增大，當(dāng)橫臂離開(kāi)料堆時(shí)阻力又突然減小。這種不均衡的受力會(huì)造成整個(gè)主軸產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，甚至引起刮刀與干燥盤面發(fā)生剮蹭而受到損壞。圖4就是對(duì)上述情況的模擬。

圖2 ?4500-21型盤式干燥機(jī)剖面圖

圖3 ?4500-21型盤式干燥機(jī)截面圖

圖4 盤式干燥機(jī)側(cè)面喂料對(duì)橫臂運(yùn)動(dòng)的影響

4.2 干燥盤結(jié)構(gòu)

干燥盤是盤式干燥機(jī)的關(guān)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(jī)成本的75%左右。因此，在設(shè)計(jì)干燥盤時(shí)應(yīng)予以特別重視。

干燥盤的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)，在小型干燥機(jī)上都有使用。但在大型盤式干燥機(jī)中，干燥盤的結(jié)構(gòu)往往都采用折流板式的焊接結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 折流板式干燥盤內(nèi)的蒸汽流向

為了方便檢修和更換，每個(gè)干燥盤都分成4～8個(gè)獨(dú)立的扇形小盤（見(jiàn)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(jié)構(gòu)可以承受3個(gè)大氣壓以上的蒸汽壓力。為了保證刮刀平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，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(nèi)、外緣上都應(yīng)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(jī)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(gè)扇形盤的內(nèi)側(cè)或外側(cè)開(kāi)2～3個(gè)排料孔。一般情況下，干燥盤之間的間距為25 cm，干燥盤內(nèi)的氣室高度為3.2 cm。

需要注意的是：雖然所有的干燥盤規(guī)格都相同，但是隨著半焦含水量的減少，每個(gè)干燥盤的蒸汽冷凝量是逐漸遞減的。這樣就會(huì)造成干燥盤進(jìn)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(jī)相對(duì)下部的干燥盤排氣壓力要高于上部。因此，主排氣管內(nèi)的蒸汽就會(huì)向上流動(dòng)，影響上部干燥盤的排氣，從而造成整個(gè)干燥機(jī)的效率下降。

為了防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，可在每個(gè)干燥盤上都安裝疏水閥。通過(guò)表3中的數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)安裝疏水閥可以將干燥盤的單位面積蒸發(fā)強(qiáng)度提高16%。

表3 安裝和不安裝疏水閥時(shí)干燥盤單位面積蒸發(fā)強(qiáng)度

4.3 篩分盤

半焦在撈渣、輸送和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中難免會(huì)發(fā)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(dá)底部的干燥盤就已經(jīng)完全干燥，如果繼續(xù)加熱的話就可能會(huì)發(fā)生自燃。為了避免過(guò)干燥情況的發(fā)生，需要在干燥機(jī)中部偏下的位置設(shè)置一個(gè)篩分盤（如圖2所示）。該篩分盤由鋼板制成，上面開(kāi)著正方形的篩孔，從內(nèi)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(kāi)，不能透過(guò)篩孔的大塊物料被刮到位于篩分盤外緣的排料孔內(nèi)，沿著原定線路繼續(xù)干燥；而能透過(guò)篩孔的小塊物料則會(huì)掉到篩分盤下面的干燥盤上，并被刮刀刮到干燥盤內(nèi)緣，通過(guò)與橫桿相連的細(xì)料溜槽直接跨過(guò)剩余的干燥盤掉到干燥機(jī)底部，與已經(jīng)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(jī)中，刮刀通過(guò)橫臂與主軸固定在一起（見(jiàn)圖3）。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，干燥盤上的物料就會(huì)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(gè)干燥盤上都會(huì)有4～6個(gè)均布的橫臂，而每個(gè)橫臂上都裝有9～16個(gè)刮刀。對(duì)于一臺(tái)具有21個(gè)干燥盤的干燥機(jī)來(lái)說(shuō)，其刮刀的數(shù)量高達(dá)1300多個(gè)。因此，盤式干燥機(jī)的使用性能在很大程度上取決于刮刀角度α的調(diào)整（見(jiàn)圖3）。如果刮刀角度α調(diào)整不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致盤式干燥機(jī)的產(chǎn)能下降13%左右。

劉鴻燕[4]等通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，認(rèn)為刮刀角度α在45°～55°時(shí)，熱效率最高。而在實(shí)際設(shè)計(jì)中刮刀角度的取值也是在該范圍內(nèi)的。需要特別指出的是，對(duì)于小型盤式干燥機(jī)來(lái)說(shuō)，所有刮刀都可以采用相同的角度，但是對(duì)于大型盤式干燥機(jī)則不能如此，否則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)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(dāng)所有刮刀角度相同時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)位于外側(cè)的刮刀比內(nèi)側(cè)的刮刀掃過(guò)的面積大，所以外側(cè)的刮刀輸送物料的能力就比內(nèi)側(cè)的強(qiáng)。為了避免上述情況發(fā)生，使物料能夠均勻地分布在整個(gè)干燥盤表面，可以通過(guò)適當(dāng)加大外側(cè)刮刀的角度來(lái)降低它的輸送能力，從而保持內(nèi)、外側(cè)刮刀輸送物料的能力相接近。這樣一來(lái)，同一橫臂上刮刀的角度就會(huì)隨著其所處的位置不同而不同。因此大型盤式干燥機(jī)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(jī)的性能參數(shù)，該干燥機(jī)在使用中取得了良好的效果。

表4 ?4500-21型盤式干燥機(jī)性能參數(shù)

5 結(jié)論

盤式干燥機(jī)用于干燥半焦的實(shí)例還較少。另外，大型盤式干燥機(jī)的設(shè)計(jì)也與小型干燥機(jī)有很大的不同。除了上述問(wèn)題以外，更多的問(wèn)題還需要在實(shí)際應(yīng)用中才能體現(xiàn)出來(lái)，只有通過(guò)不斷地改進(jìn)才能使產(chǎn)品更加完善。

[1]劉廣文.干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]金國(guó)淼.干燥設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]朱振華，徐成海，龔素芝.物料在盤式連續(xù)干燥器干燥盤上運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究 [J].化工裝備技術(shù)，2003,24（5）：1-3.

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

[5]朱振華，徐成海.盤式連續(xù)干燥器中物料在干燥盤上停留時(shí)間的研究 [J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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(yáng)市，471039。