米 超 竇 巖 楊少華

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

中低溫煤干餾冷焦機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①

米 超 竇 巖 楊少華

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

針對(duì)中低溫煤干餾的半焦產(chǎn)物需進(jìn)一步降溫才能利用的問題，闡述了結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠的管式回轉(zhuǎn)冷焦機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并分別介紹了冷焦機(jī)主要部件(進(jìn)料螺旋給料機(jī)、機(jī)身、支撐系統(tǒng)、密封裝置及卸料裝置等關(guān)鍵結(jié)構(gòu))的設(shè)計(jì)。

干餾冷焦機(jī) 蒸汽管 褐煤熱解 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)

褐煤熱解是在惰性氣體中對(duì)褐煤進(jìn)行加熱干飽，其產(chǎn)品有半焦、煤氣和煤焦油。褐煤半焦產(chǎn)品水分低、揮發(fā)分低、熱值高、燃點(diǎn)高、孔隙發(fā)達(dá)，是用途較廣的吸附材料、過濾材料，還可作為冶金工業(yè)的炭質(zhì)還原劑和無煙原料[1～3]。為實(shí)現(xiàn)煤炭的綜合利用，原料煤經(jīng)過干燥工序、熱解工序除去原煤中的水分和揮發(fā)份后，進(jìn)入下一冷卻工序，并將半焦由520℃冷卻到110℃。由于氣化制漿工序[4]中關(guān)鍵設(shè)備水煤漿泵的抽漿安全溫度為60℃，而冷卻的半焦溫度過高，不能滿足氣化制漿工序的要求，因此需設(shè)置冷焦機(jī)對(duì)半焦進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻，當(dāng)半焦被冷卻到60℃后再進(jìn)入輸送機(jī)，運(yùn)送至半焦斗提機(jī)，被儲(chǔ)存于半焦倉(cāng)內(nèi)，用于氣化制漿工序使用。據(jù)此，筆者詳細(xì)闡述了回轉(zhuǎn)冷焦機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 冷焦機(jī)的工作原理

冷焦機(jī)的工作原理為：冷水由冷卻水入口進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)水管，經(jīng)過冷水分配器，再通過密布的換熱管，對(duì)半焦進(jìn)行冷卻，換熱管在冷卻機(jī)頭部與環(huán)管相通，冷水通過換熱管匯集到環(huán)管，通過數(shù)量少且管徑大的外圈換熱管再次冷卻半焦，而后流回冷卻機(jī)尾部的旋轉(zhuǎn)接頭回水管內(nèi)，最后由出水口流出，完成一次冷卻循環(huán)，冷卻水進(jìn)出口在一端，增加了冷卻長(zhǎng)度，同時(shí)，冷卻水由低處進(jìn)入，延長(zhǎng)了冷卻時(shí)間，提高了冷卻效率。

2 設(shè)備配置

本冷焦機(jī)采用多管回轉(zhuǎn)滾筒式結(jié)構(gòu)[5]，由筒體、齒圈、換熱管、前后支撐系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、出料箱、冷卻水旋轉(zhuǎn)接頭、潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)架及防護(hù)罩等組成(圖1)。

圖1 冷焦機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 進(jìn)料出料密封

為保證冷焦機(jī)設(shè)備運(yùn)行的安全性、環(huán)保性和內(nèi)部物料、氣體無泄漏，其密封性能的要求比較高。

參考回轉(zhuǎn)設(shè)備密封結(jié)構(gòu)[6,7]，本設(shè)備進(jìn)料處采用軸承定位的V形環(huán)密封結(jié)構(gòu)[8]，該密封V形環(huán)處設(shè)有氮?dú)饷芊鈿?，另有冷卻水夾套裝置對(duì)該部位進(jìn)行冷卻(圖2)。該軸承定位的V形環(huán)密封結(jié)構(gòu)密封性能指標(biāo)是，設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行0.01MPa(G)氣密性試驗(yàn)，要求在10min內(nèi)壓降不大于4kPa；該設(shè)備的回轉(zhuǎn)精度要求很高，制造過程中，首要保證機(jī)體的同心度，通過將機(jī)體整體車削的辦法保證回轉(zhuǎn)部位的回轉(zhuǎn)精度，從而保證密封部位的跳動(dòng)小于1.5mm，再通過有效的密封結(jié)構(gòu)保證密封效果。

圖2 進(jìn)料密封示意圖

出料箱密封(圖3)選擇石墨浮環(huán)+石墨帶編 織盤根的組合，并輔以氮?dú)夥创档拿芊庑问?。?結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為隨著石墨浮環(huán)內(nèi)圈的磨損，密封面 處也將磨合到一定程度，最后每層浮環(huán)之間環(huán)向 緊緊貼合到一起，而此時(shí)石墨浮環(huán)與密封面的間隙不會(huì)變化，即此時(shí)也是磨合后的最佳密封狀態(tài)。石墨帶編織盤根密封的特點(diǎn)是耐磨、耐高溫，并輔以氮?dú)夥创担M(jìn)而達(dá)到最佳的密封狀態(tài)。

圖3 出料箱處密封示意圖

2.2 進(jìn)料螺旋輸送機(jī)

螺旋給料機(jī)由螺旋軸體、殼體、軸承座、傳動(dòng)電機(jī)減速機(jī)、機(jī)架及檢修軌道等組成(圖4)。螺旋給料機(jī)設(shè)計(jì)為兩點(diǎn)軸承座支撐的懸臂結(jié)構(gòu)?？紤]到螺旋給料機(jī)輸送量大、軸體重，為保證軸承的使用壽命，在軸體懸臂端增加吊掛滑動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承采用耐磨軸承鋼制作，并通入潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑。采用間歇式潤(rùn)滑油箱進(jìn)行供油，供油間歇時(shí)間和油量可以調(diào)節(jié)，提高滑動(dòng)軸承的使用壽命，并能保證軸承受力均勻，增加螺旋給料機(jī)的可靠性。

圖4 螺旋給料機(jī)示意圖

為了便于干燥機(jī)檢修，螺旋給料機(jī)需設(shè)計(jì)滾輪和檢修滑道，檢修時(shí)可將螺旋給料機(jī)移動(dòng)，在不拆除給料機(jī)的情況下，即可完成檢修工作，節(jié)省了檢修時(shí)間。

2.3 冷焦機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)身是冷焦機(jī)最主要的部件之一[9,10]，主要包括薄壁筒節(jié)、厚壁筒節(jié)、前滾圈、后滾圈、傳動(dòng)大齒圈及換熱管組等主要部件組成(圖5)。

圖5 冷焦機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)

2.3.1 滾圈跨距的確定及滾圈、大齒圈的設(shè)計(jì)

前后滾圈的跨距應(yīng)能夠傳遞足夠的扭矩并保證筒體撓度小于許用撓度，且應(yīng)考慮懸伸端的長(zhǎng)度，至少應(yīng)保證兩端懸伸端重量相等，避免筒體偏重。前、后滾圈與滾圈固定板之間的間隙大小也是設(shè)計(jì)主要考慮的內(nèi)容之一，滾圈與固定板之間采用間隙配合，未設(shè)計(jì)徑向固定鍵，且間隙的大小正好能夠抵消筒體在熱態(tài)下的徑向膨脹量，達(dá)到零零配合的理想狀態(tài)。滾圈的安裝采用熱套的方式與固定板組裝，保證使用的可靠性，防止因滾圈與固定板的間隙過大而發(fā)生徑向竄動(dòng)。前后滾圈軸向設(shè)計(jì)固定擋塊，應(yīng)能夠承受足夠的軸向力，擋塊的焊接應(yīng)保證有足夠強(qiáng)度，且應(yīng)進(jìn)行塞焊，防止擋塊焊縫開裂。

2.3.2 換熱管的排布

換熱管應(yīng)按照冷卻所需的換熱面積進(jìn)行排列，且按照同心圓的形式進(jìn)行布置，換熱管圈一般設(shè)置為3～8圈，圈數(shù)的多少主要取決于物料填充率的大小，填充率一般為15%～25%。每圈換熱管的根數(shù)由筒體的直徑、換熱管徑和管間距來確定，且每圈換熱管根數(shù)應(yīng)是3的倍數(shù)，管間距一般為40～80mm之間，換熱管與筒體內(nèi)壁的間距也應(yīng)保證在40～80mm之間最為合理。換熱管通過管支撐固定在筒體，一端與冷水口管板采用脹焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，另一端與管板采用填料和填料壓蓋進(jìn)行固定。

2.3.3 管支撐的布置

管支撐板一般為每圈3根或6根換熱管設(shè)置一個(gè)管支撐。每組管支撐的個(gè)數(shù)如果為奇數(shù)，則每組應(yīng)設(shè)置前后3排，不會(huì)存在兩相鄰的管支撐，便于物料流動(dòng)；如果管支撐的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則每組設(shè)置前后兩排即可，原則是不能存在兩個(gè)相鄰的管支撐。兩組管支撐之間的最大間距不能超過3 300mm，間距過大，換熱管在物料作用下會(huì)出現(xiàn)撓度，損壞換熱管。前后滾圈、大齒圈和筒節(jié)焊接環(huán)縫處不應(yīng)設(shè)置管支撐，因?yàn)闈L圈、大齒圈部位為主要承載部位，在旋轉(zhuǎn)作用下，會(huì)存在交變應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管支撐板焊縫開裂，嚴(yán)重影響冷焦機(jī)的使用壽命。為了保證管支撐部位筒體的橢圓度，在筒體外壁設(shè)置加強(qiáng)圈，加強(qiáng)環(huán)高度和寬度均應(yīng)保證有足夠的強(qiáng)度，且加強(qiáng)環(huán)必須整體套在筒體上，以保證筒體的橢圓度，防止筒體橢圓導(dǎo)致管支撐焊縫開裂及換熱管在管支撐部位的斷裂。換熱管與管支撐的間隙應(yīng)不大于1.5mm，間隙過大，容易導(dǎo)致?lián)Q熱管開裂，間隙過小會(huì)造成安裝困難，并容易劃傷換熱管表面。

2.4 干燥機(jī)卸料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

卸料方式設(shè)計(jì)為圓筒徑向卸料結(jié)構(gòu)(圖6)，在冷焦機(jī)出料端部位，沿圓筒周向均布設(shè)置6～8個(gè)卸料口，卸料口為方形結(jié)構(gòu)，口的大小根據(jù)粉煤處理量確定，在卸料口邊沿設(shè)置導(dǎo)料口，便于物料順利排出；導(dǎo)料口大小與卸料口相同，導(dǎo)料口設(shè)置法蘭，采用螺栓與卸料口邊沿的筒體連接，且導(dǎo)料口法蘭邊沿設(shè)置高度200～300mm的方接管，便于物料在冷焦機(jī)旋轉(zhuǎn)的過程中，順利的排出到出料箱體。圓筒卸料口前段設(shè)置擋料環(huán)(溢流堰板)，保證冷焦機(jī)內(nèi)物料的填充率和停留時(shí)間；換熱管穿過擋料環(huán)，且管孔按照換熱管的布置方式進(jìn)行排列，擋料環(huán)的外圈與干燥機(jī)筒體內(nèi)壁焊接固定，內(nèi)圈高度應(yīng)比靠近筒體中心的換熱管組高出100～150mm，以提高傳熱效率。在圓筒旋轉(zhuǎn)過程中，被冷卻的物料沿冷焦機(jī)斜度方向越過擋料環(huán)，沿卸料口順利排出，經(jīng)過導(dǎo)料口，然后進(jìn)入出料箱體，送至其他設(shè)備。

圖6 干燥機(jī)徑向卸料結(jié)構(gòu)示意圖

3 設(shè)備故障及處理措施

干餾冷焦機(jī)設(shè)備常見的故障有堵焦、超壓、超溫和斷水報(bào)警，處理措施如下：

a. 堵焦。在出料箱底部設(shè)置料位檢測(cè)裝置(圖7)，此裝置的組成包括彈力橡膠板、活動(dòng)門、復(fù)位彈簧及行程開關(guān)等。工作原理是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生堵焦情況時(shí)，堆積的半焦會(huì)擠壓活動(dòng)門，從而使活動(dòng)門外移，活動(dòng)門外移會(huì)觸發(fā)行程開關(guān)動(dòng)作，繼而中控室得到堵焦信號(hào)，此時(shí)聯(lián)鎖停車，進(jìn)行人工處理并使用刮板機(jī)將半焦輸送至后系統(tǒng)。

b. 超壓。在冷焦機(jī)冷卻水出口管道上設(shè)置安全閥，安全閥啟跳壓力應(yīng)小于冷焦機(jī)的設(shè)計(jì)壓力，啟跳壓力0.495MPa，有效保證換熱管等部件的安全。

c. 超溫。在冷焦機(jī)冷卻水出口管道上設(shè)置測(cè)溫儀表，實(shí)時(shí)檢測(cè)冷卻水回水溫度，若回收溫度超過38℃，應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)料量、冷卻水用量等參數(shù)，保證回水溫度恒定。

d. 斷水報(bào)警。在冷焦機(jī)冷卻水出口管道上設(shè)置了流量開關(guān)，實(shí)時(shí)檢測(cè)冷卻水耗量，若無流量顯示，應(yīng)聯(lián)鎖停車處理，保證冷卻水系統(tǒng)不超溫超壓。

圖7 料位檢測(cè)裝置示意圖

4 冷卻水系統(tǒng)

冷焦機(jī)供回水均通過旋轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)接頭是多管回轉(zhuǎn)冷焦機(jī)靜動(dòng)結(jié)合的機(jī)械密封組合部件，冷卻所需的冷卻水進(jìn)入和排出都由它完成，冷卻水系統(tǒng)由殼體、靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、補(bǔ)償元件及軸承填料密封等組成。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過以上結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠的半焦蒸汽管回轉(zhuǎn)冷焦機(jī)。該設(shè)備處理能力大，密封性能好，運(yùn)行穩(wěn)定，能有效冷卻半焦，為氣化制漿工序提供合格的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)低階煤的高效清潔利用，對(duì)緩解能源供應(yīng)緊張局面、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)有重要意義。

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StructureDesignofColdCokingMachineforMediumandLow-temperatureDryDistillationofCoals

MI Chao, DOU Yan, YANG Shao-hua

(TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.)

Aiming at to cool semicokes for later application, the key points of designing a tube-type rotary cold coking machine was expounded; and the design of its main parts like the screw feeder, frame and supporting system, sealing device and the unloading device were introduced.

cold coking machine, steam pipe,pyrolysis of brown coal,structure, design

米超(1992-)，碩士研究生，從事旋轉(zhuǎn)干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析、傳熱數(shù)值模擬等方面的研究，mlutcn@163.com。

TQ051.1

A

0254-6094(2017)01-0047-05

2016-03-21，

2016-11-02)