煤粉的湿分及烘干技术

1煤粉的湿分及烘干技术1 物料的湿分与干燥湿分以松散的化学结构形式，或液态溶液的形式存在于固体中，或积集在固体的毛细微结构中。游离在固体颗粒表面的湿分称为非结晶水；结晶水则是构成化合物晶体的成分，晶体里含有一定数量的水分子。烘干是指将热量施加于湿物料，排出挥发性湿分，获得一定湿含量固体产品的过程。湿物料在热力干燥时，两种过程相继发生：过程 1，热量从周围环境传递至物料表面，使表面水分蒸发；过程 2，内部水分传递到物料表面，随之由于上述过程蒸发。干燥速率由上述两个过程中较慢的一个速率控制。热量以对流、传导、辐射的方式或联合作用对物料加热，热量先传导至湿物料的表面，然后在传入物料内部，将物料加热，湿分被蒸发。湿分的蒸发分两个过程：过程 1，湿分以蒸汽形式从物料表面排除，该速率取决于温度、空气湿度、空气流速、暴露的表面积、和压力等外部条件。称为外部条件控制过程，也称恒速干燥过程。过程 2，物料内部湿分的迁移，与物料性质、温度、湿含量相关。称为内部条件控制过程，也称降速干燥过程。2 物料干燥原理 外部条件控制的干燥过程在干燥过程中，基本的外部条件变量有：温度、湿度、空气的流速和方向、物料的物理形态、搅动状况、干燥器的持料方法。在干燥初始阶段，外部干燥条件在排出非结合表面湿分非常重要，物料表面的水分以蒸汽形式通过物料表面的气膜向周围扩散，这种传质过程伴随传热进行，强化传热便可加速干燥。 内部条件控制干燥过程在物料表面没有充足的自由水分时，热量传至湿物料后，物料开始升温，并在物料内部形成温度梯度，使热量从外部传入内部，而湿分从物料内部向表面迁移。其主要原因是物料的结构特征，扩散、毛细管流和由于干燥过程的收缩而产生的内部压力。在临界湿含量出现至物料干燥到很低的最终湿含量时，内部湿分迁移成为控制因素。一些外部条件，如空气用量，通常会提高表面蒸发速率，此时则降低了重要性。而保持较高的温度且停留较长时间，则有利于液体湿分迁移。减小物料的尺寸，有利于湿分扩散。 物料的干燥特性物料中湿分可能是结合水或非结合水。非结合水的排除，有蒸发和气化两种方法。蒸发是在物料表面水分蒸汽压等于大气压时发生的现象，在湿分的温度达到沸点时发生。汽化是在干燥的空气对流下进行的。热空气掠过物料，将热量传递给物料，空气被物料冷却，湿分从物料传入空气，并被带走。在这种情况下，物料表面的湿分蒸汽压低于大气压，且低于物料中的湿分对应温度的饱和蒸汽压，但大于空气中的蒸汽分压。 选择适宜的干燥器及设计干燥器尺寸，必须了解物料对所采用的干燥方法的工作特性，物料的平衡湿分及物料对温度的敏感性，以及有特定热源可获得的温度的极限。 物料的干燥特性与干燥方法有关，其关系用湿含量和时间的函数，即干燥曲线或干燥速率曲线表示。图 2 定性描述吸水性物料的典型干燥速率曲线。在第一干燥阶段干燥速率为常数，此时物料表面含有自由水。但其完全汽化后，湿表面则从物料表面退缩，物料体积收缩。在此阶段，控制速率的是水蒸气穿过空气湿分界面（气膜）的扩散，在此阶段的后期，湿分界面2可能内移，湿分将从物料内部因毛细管力作用而迁移到表面，干燥速率仍可能为常数。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一图 1 恒定干燥条件下的干燥速率曲线在进一步干燥时(第二降速阶段或第三降速阶段)，由于内部和表面的湿度梯度，湿分通过物料扩散至表面而排除，干燥速率受到限制。此时热量先传至表面，再向物料内部传递。由于干湿界面的深度逐渐增大，而外部干区的导热系数小，故干燥速率受热传导的影响加大。如果干物料具有相当的密度和小的微孔空隙体积，则干燥受导热的影响就低，而受物料内部相当高的扩散阻力影响，干燥速率受湿分从内部扩散到表面，然后由表面的传质所控制。在此阶段，某些由吸附而结合的湿分被排除。最后由于干燥降低了内部湿分的浓度，湿分的内部前移速率降低，干燥速率下降更快。在物料的湿含量降至与气相湿度相应的平衡值时，干燥就停止。物料具有高湿分，而产品也允许有较高的湿含量，整个干燥过程可能处于等速干燥阶段。对大多数物料干燥，两种阶段均存在。对难干燥物料，则降速干燥阶段是主要的，干燥时间就长。空气速度、温度、湿度、物料厚度、床层深度对传热速率很重要。在降速阶段，干燥速率随物料厚度的平方变化，要求低湿含量的物料，用搅拌、振动方法，使湿物料颗粒化，降低料层厚度有利于降速干燥。设计干燥器，应了解在这种干燥方法下的物料特性，这些特性通过试验获得。3 煤中水分的特征煤属于固体可燃性矿物，是碳、氢、氧的有机化合物，含有少量的硫、磷等无机物。煤中的水分分为游离水和结晶水。游离水又为表面水和湿存水。表面水也称自由水，是外在水分，是在开采、洗选和贮运期间掺入的水分，附着于煤粒表面和直径大于 10-4mm 毛细孔中，其蒸汽压和纯水相同，常温可去除。在热力干燥时，通过恒速干燥阶段可去除。湿存水也称内在水，指在煤微粒表面及孔隙中的吸着了空气中的水分。存在于小于 10-4mm 毛细孔中，其蒸汽压低于纯水，105110可去除；在热力干燥时，在降速干燥阶段去除。结晶水也称化合水，是与矿物质化合的水，加热至 200以上可除。煤质检验中的全水指游离水，即内在水和外在水的总量。4 煤中水分的来源及允许值煤在采掘、运输、贮存会掺入水分，尤其在湿法洗选后的精煤含有大量的水分，经机械方法脱水后，湿分仍相当高。离心脱水后的湿分在 12%以上；真空脱水后的湿分在 20%以上；振动筛滤后的湿分在 15%。3洗选后的废水中含有一定的精煤末和灰分，通常流入贮水池沉淀、分离。有的洗煤厂将废水加絮凝剂，用 120 目振动筛过滤、分离，水变为无色、清澈；煤泥呈球状，含水率在15%。洗煤厂经洗选后的煤粉要经过离心脱水，WZY 卧式振动卸料离心机粒级 0.550mm，入料水分30%，出料水分9%；LLL 离心机入料水分 4050%，出料水分 1220%，产量2590t/h；XL 型入料浓度 5060%，出料外在水分 1216%，产量 3050t/h煤中的湿分要经过热力烘干达到允许值以下，其好处： 运输成本降低煤的水分从 25%降至 15%，每吨煤节约 12%运输成本； 煤的水分减少，可减少输煤、储煤设施的容量 水分过高，在寒冷季节或寒冷地区，会造成冻车现象； 加工要求湿分降低煤的易碎性，使煤粉制备过程中的研磨质量变坏，妨碍分离、分级和煤粉的气力输送； 满足不同用途的工艺要求压块、炼焦、制备煤气、低温渗碳、液态燃料合成以及现代蒸汽锅炉燃烧用煤，对煤的湿分有严格的限制。一般湿分应在 10%以下，像煤粉燃烧湿分小于 2%。煤氢化的湿分为0； 降低湿分，提高热值煤含水量每降低 1%，热值可提高 50cal/g，煤的水分从 25%降至 15%，热值可提高500cal/g。像褐煤含水量 28%40%，将水分从 37.5%降至 31.4%，锅炉净效率提高 2.6%，燃料消耗减少 10.8%，烟气量降低 4%，磨煤机功率消耗降低 17%，风机功率降低 3.8%。由此可知，降低煤的湿分具有重要意义。5 煤的干燥方法煤的干燥遵从物料的干燥理论。煤的干燥器分为直接加热和间接加热，直接加热的工作介质为烟气或蒸汽。间接加热的工作介质为空气或真空。 间接加热煤与热源介质为两个独立系统，通过金属表面，将热能从高能位向低能位传导。一级换热热效率不超过 80%。蒸汽回转管干燥器，螺旋干燥器，用蒸汽或导热油加热金属管或叶片，再传导给煤粉，湿分蒸发，煤粉脱水干燥。 直接加热煤与热源介质直接混合，将煤加热，热效率接近 100%。热源介质可为高温烟气或过热空气流。煤不怕烟气污染，不与烟气发生化学反应，不收缩。首选烟气为干燥介质，直接加热，对流换热干燥，如滚筒回转式干燥器、振动流化床干燥器、振动混流低温干燥器、气流干燥器。6 煤干燥设备分析6.1 滚筒回转式干燥机滚筒回转式干燥机可分为直接式加热和间接式加热。直接式用烟气直接加热，间接式用蒸汽、导热油、电磁加热等热源，将滚筒壁、加热管、叶片、底板加热，再传导给煤粉，高4温下煤中的湿分蒸发、脱水。 直接加热式滚筒回转直接加热属于高温烟气干燥技术。滚筒直径在 1500mm 以上，长度 15000mm以上；烟气温度 500700，入料水分 25%，出料水分10%；依照直径不同，产量在每小时几吨到数十吨。滚筒用电动机-齿轮驱动，有引风装置，将高温热风输入，利用对流将煤粉加热，湿分蒸发，湿气抽出，经除尘后排放。滚筒内壁安装扬料板、粉碎、推料板等机构，滚筒旋转时，能将煤粉带到高处，散开下落，与热风充分热交换；能将大块的团粒破碎；能将煤粉向前输送。高温烟气干燥技术优点（1）高温热风同煤泥直接接触，干燥强度大，换热效率较高。（2）处理能力大，燃料消耗少，干燥成本较低。（3）抗过载能力强，筒体运行平稳，可靠性高。（4）检修方便，维护成本低。高温烟气干燥技术缺点（1）高温热风温度能达到500700，在烘干高挥发份、热值高的煤泥时如果操作不当会有煤粉爆炸的危险。（2）干燥尾气量大、含尘量高，处理不好易造成环境污染。（3）蒸发的煤泥中水分直接排放，热能不回收，对热能资源和水资源均是极大的浪费。(4) 体积大，占地大。系统的布置如图 1。图 1 滚筒干燥系统布置图 蒸汽间接加热式蒸汽管回转干燥机，属于低温干燥技术。在滚筒内布满加热管道，管道内通过热水蒸汽，5将管道加热，再传递给煤粉，煤粉吸热、蒸发去除湿分。低温蒸汽干燥技术优点（1）使用电厂低压余热蒸汽作为热源，温度低，系统本质安全，无粉尘爆炸危险。（2）蒸汽消耗少，干燥成本低。（3）做完功的蒸汽凝结成水，经过简单处理后可以做锅炉回水。（4）煤泥干燥后蒸发的水及热量可回收利用。（5）干燥尾气量小、含尘量低，易处理，可达标排放。设备428m，驱动功率 280kW，风机功率 132kW，入料湿分 28%，出料湿分 15%，产量 200t/h。系统布置如图 2。图 2 蒸汽管回转干燥系统布置图6.2 空心桨叶螺旋干燥机主轴和螺旋叶片中空，内置高温导热油或过热水蒸汽，物料在干燥机本体内通过特别设计的螺旋片被连续推进和搅拌打散，高温导热油通过夹套以热传导和热辐射方式间接加热物料，进而使物料中水分不断吸热蒸发，达到干燥脱水的目的。设备特点：（1）内部双桨叶之间具有自清理功能，可以有效防止物料在干燥机内的粘结。（2）设备结构紧凑，占地面积小。（3）处理规模小，适合小型化生产。粘陶土干燥，水蒸气加热，传热面积 49m2，干燥前水分 46%，干燥后水分 7.4%，功率15kW，产量 4t/h。设备结构如图 3.6图 3 双螺旋干燥机6.3 盘式干燥器盘式干燥器是多层空心圆盘，转耙搅拌，竖直安装，接触传导加热或对流换热结构。湿物料自加料器连续地加到干燥器上部第一层干燥盘上，带有耙叶的耙臂作回转运动，耙叶连续地翻抄物料。物料沿指数螺旋线流过干燥盘表面，在小干燥盘上的物料被移送到外缘，并在外缘落到下方的大干燥盘外缘，在大干盘上物料向里移动并从中间落料口落入下一层小干燥盘中。大小干燥盘上下交替排列，物料得以连续地流过整个干燥器。中空的干燥盘内通入加热介质，加热介质形式有饱和蒸汽、热水和导热油，加热介质由干燥盘的一端进入，从另一端导出。已干物料从最后一层干燥盘落到壳体的底层，最后被耙叶移送到出料口排出。湿份从物料中逸出，由设在顶盖上的排湿口排出。设备结构如图 4.图 4 盘式干燥机物料以20mm 薄层均匀地布满于整个加热盘面上，进行有效地接触传导干燥。氧化铝干燥，烘干面积 43m2，进料水分 20%，出料水分 0.3%，产量 1000kg/h。设备结构复杂。6.4 螺旋垂直振动干燥机螺旋垂直振动干燥机在垂直振动输送机的基础上，增加热风干燥系统而成。设备结构与布置如图 5。7图 5 垂直振动干燥机系统布置图振动垂直输送机是由螺旋提升槽、振动电机、减振系统和底座等组成。采用振动电机作为振动源，固定在提升槽上的两台相同型号的振动电机中心线交叉一定角度安装，并做相反方向自同步旋转，振动电机所带的偏心块在旋转时各个瞬间位置所产生的离心力之分力沿抛掷方向作往复运动，使支承在减振器上的整个机体不停振动，使物料在提升槽内被抛起的同时向上运动，物料落入入料槽后，开始被抛起，此时可以使物料与空气充分接触，还可以起到散热冷却的作用。该提升机对粉状、块状和短纤维状的固体物料（有粘性和易结块的除外）都可垂直输送，还可以完成对物料的干燥、冷却作用。物料沿螺旋床自上而下作圆周运动的同时，自身也产生跳跃。从而增加了物料与热风的接触，增强了干燥效果。热风多次穿过物料层，与物料逆向流动，使热交换充分，热效率高。药丸干燥，直径 1800mm，功率 22.2kW，风温 60200，风机功率 24kW，产量0.5t/h。6.5 振动混流干燥机振动混流干燥机用于褐煤干燥，处理能力 10450 t/h，入料粒度 500 mm，去水率1030 % (可调 )， 尾气粉尘浓度50mg/m3 。SZ 型振动混流干燥设备是一种连续操作的干燥设备，工作原理是：湿物料通过干燥器顶部的回转布料器均匀进入干燥器，在干燥器内部的多层振动干燥床上分散形成“之”字形物料长龙，一部分粒度小于床孔的细物料穿过床孔垂直下落，大部分粗颗粒物料形成疏松料层沿干燥床床面移动，移至床体端部洒落到下一层干燥床上；热烟气由送风机给入干燥机底部，热气流在干燥器内由下至上垂直地与各层干燥床上的湿物料进行充分地、高强度地混合，将物料干燥，在气流上升的过程中，由于多层振动床的存在，会产生横向气流，这样在干燥器内既有物料与热气流水平方向的逆流，又有两者之间垂直方向的逆流，因而形成了特有的混流干燥作用，干燥效果十分明显。粗细物料与热风在混流过程中经过多次混合分离再混合再分离的过程被均匀干燥，大部分物料从干燥器的底部输出，极小部分细物料随气流进入除尘器，除尘器分离出的物料作为产品回收。设备特点：（1）采用低温大风量干燥，具有良好的安全性；（2）采用混流干燥，干燥效率高；（3）燥器为立式组合结构，占地面积小；8（4）设备可以大型化，单台设备最大产能达 240t/h；（5）尾气中没有有机物等有害气体，不会造成环境污染；设备的干燥原理如图 6。系统布置如图 7。外形如图 8。图 6 振动混流干燥原理图 7 振动混流干燥系统布置图图 8 振动混流干燥机外形6.6 振动流化床干燥振动流化床干燥机，物料自进料口进入机内，在振动力作用下，物料沿水平流化床抛掷，向前连续运动，热风向上穿过流化床同湿物料换热后，湿空气经旋风分离器除尘后由排风口排出，干燥物料由排料口排出。9流化床面积 14.4m2，进风温度 70140，出风温度 4070，蒸发水分能力 290420 kg/m2.h，功率 5.52kW。图 9 为振动流化床干燥机布置图。图 9 振动流化床干燥机7 新型煤粉干燥机的设计理念对煤粉湿分结构、干燥原理和干燥设备的研究，得出以下几点，作为新型设备的设计基础： 热量足够，多种传热方式； 加热方式影响干燥速率，传导优于对流；比较两种加热方式的效果：蒸汽传导干燥 烟气对流干燥处理量，t/h 200 200进料水分，% 25 25出料水分，% 15 15干燥介质 蒸汽 热烟气干燥热源耗量，t/h 36.25 21.81干燥机功率， kW 280 315引风机功率， kW 132 2000尾气排放量，kg/h 40750 376435设备规格，m 4.228 4.838操作成本，万元/年 1067 4191 烘干长度足够，以保证有足够的干燥时间排除湿分； 干燥面积足够，增强传热传质过程； 煤粉流层要薄，利于传热传质过程； 煤粉输送速度足够，保证产量； 增强干燥器内的换气速度，湿空气及时抽出，干空气及时进入，空气湿度低于物料湿度。通过以上几点，达到设备有最大的产量，有最大