唐浩(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司,上海 201900)
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)用于生焦干燥過程并針對(duì)性設(shè)置了干燥尾氣處理裝置。
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,另要求干燥過程嚴(yán)格控制生焦粉末率。干燥過程產(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?,不得直排大氣。具體設(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。
自延遲焦化而來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)。
將蒸汽通過旋轉(zhuǎn)接頭加入干燥機(jī),蒸汽進(jìn)入干燥機(jī)后通過筒體外壁及內(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)過程,最后完成干燥過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)極大地延長了設(shè)備使用壽命。
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。
(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:
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:
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·℃;
在生焦干燥過程中,水分經(jīng)過間接加熱而蒸發(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,又無骨架磨損,使用壽命相對(duì)較長。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
通過對(duì)延遲焦化而來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程中的燒損率,同時(shí)也降低了生焦輸送過程中對(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。