（机械设计及理论专业论文）煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统匹配设计及试验研究.pdf

c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iz i g u a n g m a y ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：罗芍 日期：驯侔s 月f 易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：罗宅 日期汐年朔膨日 导师签名 乞醐珈r f 年j 月f 6 日 厂 摘要 目前广泛使用的间歇式沥青混合料搅拌设备存在着使用煤粉直接燃烧污染 大、使用燃油成本高的问题，煤转气搅拌设备则可以较好地解决此问题。本文针 对煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统进行匹配设计，提出了煤气发生装置、烘干 筒、除尘系统匹配设计，并进行相应的试验研究。 本文首先介绍了煤转气沥青混合料搅拌设备整机及矿料烘干加热系统的结构 和工作原理；建立了煤气发生装置的理想气化模型、气体燃料燃烧的烟气生产模 型和整机系统的热平衡关系，确定了煤炭气化的消耗量、煤炭气化燃烧产生的烟 气量和水蒸气量，为煤气发生装置和除尘系统的匹配设计奠定了基础：其次进行 了煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统匹配设计，设计了煤气发生装置和除尘系统， 主要包括煤气发生装置的规格，旋风除尘器和湿式除尘器的匹配设计、除尘风机 的风压和风量的匹配设计，并根据匹配设计的煤气发生装置和除尘系统采用正交 试验法确定了烘干筒结构的关键参数。最后给出了设计样机的主要技术参数，并 对匹配设计的煤转气搅拌设备与燃煤型搅拌设备和燃油型搅拌设备进行了对比试 验研究。 试验研究结果发现：煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统匹配设计合理，其与 燃煤型搅拌设备相比，环保性能十分明显，与燃油型搅拌设备相比，节能特点非 常突出。 关键词：煤转气搅拌设备；煤气发生装置；矿料烘干加热系统；匹配设计；烘干 筒；除尘系统；试验研究 a b s t r a c t a sy o uk n o w , t h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ee x t e n s i v eu s eo f i n t e r m i t t e n ta s p h a l t m i x i n gp l a n ta r ep o l l u t i o ns e r i o u s i nc o a l - b u r n i n gm i x i n gp l a n t sa n dh i g hc o s ti n f u e l b u r n i n gm i x i n gp l a n t ，w h i l eg a s - g e n e r a t o rm i x i n gp l a n t s h a v en oa n a l o g o u s p r o b l e m s a i m i n ga ta g g r e g a t ed r y i n ga n dh e a t i n gs y s t e mo f t h eg a s 。g e n e r a t o rm i x i n g p l a n t ，t h em a t c h i n gd e s i g no fg a sg e n e r a t o r ，d r y i n gd r u ma n dt h ed u s tc o l l e c t o ro f d r y i n ga n dh e a t i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d ，a n dt h ef o r m a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e d o u t f i r s t t h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo ft h eg a s g e n e r a t em i x i n gp l a n t s a n d a g g r e g a t ed r y i n g a n dh e a t i n gs y s t e ma r ed e p i c t e d b y t h e g a sg e n e r a t o ri d e a l g a s i f i c a t i o nm o d e l ，g a sp r o d u c t i o ni nf u e lb u r n i n gm o d e la n dt h eh e a tb a l a n c eo f t h e m i x i n gp l a n t ，t h ec o a lc o n s u m i n gr a t e ，t h ea m o u n t so f t h es m o k eg a sa n dt h ev a p o ra r e g i v e no u t ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h em a t c h i n gd e s i g no fg a sg e n e r a t o ra n d t h e d u s tc o l l e c t o r t h e nt h ea g g r e g a t ed r y i n ga n dh e a t i ns y s t e mo fg a s 。g e n e r a t o rm i x i n g p l a n t a r ed e s i g n e d t h eg a sg e n e r a t o r a n dt h ed u s tc o l l e c t o r a r e m a t c h i n g d e s i g n e d ，i n c l u d i n g t h ef o r m a to fg a s g e n e r a t o r ，t h ec y c l o n e s e p a r a t o r ，w e t s c r u b b e r ，t h ew i n dr a t ea n dp r e s s u r eo ff a n sf o rt h ed u s tc o l l e c t o r a c c o r d i n gt ot h e m a t c h i n gd e s i g no fg a sg e n e r a t o ra n dt h ed u s t c o l l e c t o r ，t h ek e yp a r a m e t e r so ft h e d r y i n gd r u m a r ef i x e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s a tl a s t ，t h em a i nt e c h n i c a l p a r a m e t e r so ft h eg a s g e n e r a t o rm i x i n gp l a n tp r o t o t y p e i sg i v e n t h ec o m p a r i s o n e x p e r i m e n t sb e t w e e ng a s g e n e r a t o rm i x i n gp l a n ta n dc o a l b u r n i n gm i x i n gp l a n t ，g a s g e n e r a t o rm i x i n gp l a n ta n df u e l - b u r n i n gm i x i n gp l a n ta r e c a r r i e do u t t h ec o r r e s p o n d e n c eo ft h e t h et h e o r e t i c a ls t u d ya n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s v a l i d a t e st h a tt h em a t c h i n gd e s i g no fa g g r e g a t ed r y i n g a n dh e a t i n gs y s t e mi s r e a s o n a b l e ，a n dg a s g e n e r a t o rm i x i n gp l a n t sa r eo b v i o u s l ye n v i r o n m e n t a lc o m p a r e d w i t hc o a l b u r n i n gm i x i n gp l a n t sa n de x t r e m e l ye n e r g yc o m p a r e dw i t hf u e l - b u r n i n g m i x i n gp l a n t s k e yw o r d s ：g a s g e n e r a t o rm i x i n gp l a n t ；g a sg e n e r a t o r ；a g g r e g a t ed r y i n ga n d h e a t i n gs y s t e m ；m a t c h i n gd e s i g n ；d r y i n gd r u m ；d u s t c o l l e c t o r ； e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 目录 摘要1 a b s t r a c t 2 第一章绪论 1 1 间歇式沥青混合料搅拌设备国内外现状1 1 1 1 国内研究现状1 1 1 2 国外研究现状2 1 2 间歇式沥青混合料搅拌设备矿料烘干加热系统3 1 2 1 燃烧系统3 1 2 2 除尘系统5 1 3 煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统匹配研究的目的及意义7 1 4 主要研究内容一7 第二章煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统 2 1 煤转气强制间歇式沥青混合料搅拌设备生产工艺9 2 2 煤转气强制间歇式搅拌设备总体结构及其工作原理9 2 2 1 煤转气强制间歇式沥青混合料搅拌设备总体结构一9 2 2 2 煤转气强制间歇式沥青混合料搅拌设备工作原理1 2 2 3 煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统总体结构1 3 2 3 1 煤气发生装置一1 3 2 3 2 烘干筒1 4 2 3 3 除尘系统一1 4 2 4 矿料烘干加热系统匹配研究概述1 5 2 5 小结16 第三章煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统设计 3 1 煤气发生装置设计1 7 3 1 1 煤炭气化原理1 7 3 1 2 理想煤炭气化成分计算1 8 3 2 烘干筒设计一1 9 3 2 1 烘干筒总体设计1 9 3 2 2 烘干筒工作原理及设计要点1 9 3 3 除尘系统设计1 9 3 3 1 粉尘粒径大小19 3 3 2 除尘系统选择2 0 3 4 煤转气沥青混合料搅拌设备矿料烘干加热系统热力学计算2 0 3 4 1 计算目的：2 0 3 4 2 基本假设2 0 3 4 3 热平衡计算2 0 3 5 烟气特征分析及计算2 3 3 5 1 计算目的2 3 3 5 2 基本假设与说明2 3 3 5 3 烟气特征分析及计算2 3 3 6 小结2 5 第四章煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统匹配研究 4 1 煤气发生装置匹配研究2 6 4 1 1 煤炭成分分析一2 6 4 1 2 煤炭消耗量计算2 6 4 1 3 煤气发生装置匹配设计一2 7 4 2 除尘系统匹配研究2 8 4 2 1 煤炭气化燃烧废气计算2 8 4 2 2 旋风除尘器选型设计3 0 4 2 3 风机选型设计3 0 4 3 烘干筒匹配试验研究3 2 4 3 1 正交试验法简介3 2 4 3 2 烘干筒关键参数正交试验3 2 4 3 3 试验结果及分析3 3 4 4 设计样机及主要参数一3 5 4 5 小结3 5 第五章煤转气矿料烘干加热系统试验研究 5 1 试验内容3 6 5 1 1 试验目的和主要内容3 6 5 1 2 试验方案一3 6 5 2 煤转气搅拌设备与燃煤型搅拌设备对比试验一3 7 5 3 煤转气搅拌设备与燃油性搅拌设备对比试验4 2 5 4 结果分析4 6 5 5 小结4 7 第六章结论及建议 6 1 主要研究结论4 8 6 2 建议4 8 参考文献5 0 致谢5 3 附录a 5 4 第一章绪论 1 1 间歇式沥青混合料搅拌设备国内外现状 目前，我国公路路面主要以沥青路面为主。在沥青路面的铺筑和养护施工中， 最关键的施工设备之一有沥青混合料搅拌设备，沥青混合料搅拌设备的质量优劣 对沥青混合料的质量有着直接的影响，从而决定沥青路面的好坏。其功能主要是 按照路面的设计要求，将不同粒径的矿料与填料掺合在一起，并以沥青( 或改性 沥青等) 作结合料，在合适的温度范围内搅拌成均匀的沥青混合料，用以铺筑沥 青路面。沥青混合料搅拌设备按照其生产工艺可分为连续式和强制间歇式两种类 型心】，按照生产能力可分为超大型、大型、中型和小型搅拌设备。 我国地域广阔，各地区的矿料类型和特点差异极大，种类繁多，而且各地区 的施工作业条件相差较大，一般为露天作业，环境恶劣，这对沥青混合料搅拌设 备的性能提出了更高的要求。在沥青混合料搅拌设备的不断优化和发展中，间歇 式沥青搅拌设备凭借其结构完善、计量精度高、级配准确、成品料质量好、易于 控制等优点，较好的满足了上述环境，因此在沥青路面特别是高速公路的路面施 工中受到广泛的欢迎。我国使用经验表明，间歇式沥青混合料搅拌设备非常符合 我国实际情况，能够完全满足我国各种沥青路面的施工要求。 1 1 1 国内研究现状 由于以前我国沥青路面较少，用于沥青路面施工的间歇式沥青搅拌设备在我 国起步较晚，但是发展较快。通过各方面的努力，目前已经初步形成产品系列， 而且产品的综合性能也能够完全满足了各级路面的施工要求。 我国第一台间歇式沥青混合料搅拌设备在1 9 6 9 年9 月诞生。该产品是由交通部 公路研究所筑路机械室的留苏人员参考前苏联的技术开发设计，由当时交通部西 安筑路机械厂制造。当时国内沥青路面非常少，不仅应用在国内市场，而且还出 口到亚非国家。当时，控制上基本采用手动，燃烧器是人工点火，称量系统中传 感器是机械扛杆式，沥青由火焰直接加热，设备依靠蒸气保温，气路系统使用橡 胶管，并且故障率高。 我国开始对沥青混合料搅拌设备进行研究是在八十年代初期。1 9 8 3 年，交通 部西安筑路机械厂承担国家第一批重大引进科技消化吸收项目，引进国际上先进 的英国帕克公司的10 0 0 型强制间歇式沥青混合料搅拌设备。该产品的生产能力是 8 0 t h ，控制系统采用自动控制，燃烧器实现自动点火，热油加热系统实现自动 化，称量系统采用电子计量并通过p l c 进行误差的自动补偿，除尘系统考虑我国国 情，配备了多管旋风除尘器和湿式除尘器，该产品在市场迅速推广。 在我国不断进行基础设施的建设过程中，对沥青混合料搅拌设备的市场需求 在不断增大，这也促进了我国沥青混合料搅拌设备生产企业大力开发、设计、生 产沥青混合料搅拌设备。目前，国内沥青混合料搅拌设备整体开发和生产水平最 高的代表厂家为中交西筑，具有较大规模的有南阳陆德、三一重工、中联重科、 徐工集团、南方路机、辽阳筑机、无锡雪桃、华晨华通、无锡锡通等公司。为了 满足高速公路路面施工中标段长、工期短的要求，沥青混合料搅拌设备有朝大型 化发展的趋势，产量达至0 4 0 0 z h ( 5 0 0 0 型) 的搅拌站已经有多家厂家试制成功并 投入市场，部分厂家正在研发4 8 0t h ( 6 0 0 0 型) 的超级沥青混合料搅拌站。在燃 烧系统方面，湖南湘路机械科技有限公司将煤炭气化技术应用于沥青混合料搅拌 设备上面，实现了沥青混合料搅拌设备燃料利用的一次技术革新。 彩5 ”矽”鬈辑”鼍垆丫”秒驴。誓”伊铲猕轳獬，5 ”缈彩。孵秽矽”哆瑗 图1 1 南方路机沥青混合料搅拌设备 1 1 2 国外研究现状 由于强制式沥青混合料搅拌设备与连续式搅拌设备相比具有其十分突出的优 点，在国外的沥青路面的筑养路施工中，大多数国家也同样采用强制间歇式沥青 混合料搅拌设备。在八十年代国外的先进的沥青混合料搅拌设备主要是美国的巴 巴格林公司、英国的帕克公司和意大利的玛莱昵公司，同时还有德国的林泰阁、 泰尔拖，英国的a c p 公司和日本的新泻、田中、日工等公司。从九十年代起，德国 的边宁荷夫和瑞士的阿曼公司成为行业的主要代表，与此同时出现了德国西姆公 司、意大利伯纳第公司、韩国斯贝柯公司等等，产品最大达4 0 0 t h 陆1 。此外，美 国的a s t e c 公司主要生产双滚筒式沥青混合料搅拌设备，其已经研发生产出产量达 到5 0 0 t h 的设备，采用双滚筒对沥青矿料进行加热，是沥青混合料搅拌设备发展 的一个发展方向，它和目前普遍使用的强制间歇式相比的主要区别是在筛分前对 矿科进行加热，而不是强制间歇式在筛分后进行加热的形式，由此带来成套设备 2 的简化和成本降低，并节约了能源，降低了除尘系统的处理能力需求。 在燃烧系统方面，国外针对燃油型研究主要是针对燃烧器的改进和优化，提 高燃油的经济性；针对燃煤型主要是针对磨煤机的研究，通过将煤炭细化来提高 煤粉燃烧的充分性，以提高能源的利用效率，并减少大气污染物的排放。将煤炭 气化技术应用于沥青混合料搅拌设备并进行相关的研究，国内外暂未发现。 1 2 间歇式沥青混合料搅拌设备矿料烘干加热系统 矿料烘干加热系统是沥青混合料搅拌设备的一个关键部件，其结构主要有烘 干筒、燃烧系统和除尘系统。强制间歇式搅拌设备中对矿料烘干加热的方式主要 是明火加热，包括气体燃料加热、煤加热、油类加热等。矿料烘干加热系统结构 形式的选择主要在于燃烧系统的选择，同型号沥青混合料搅拌设备的烘干系统和 除尘系统的结构基本相似。 1 2 1 燃烧系统 目前与沥青混合料搅拌设备配套的燃烧系统按使用的燃料种类，一般分为3 大类：油类燃烧器、煤粉燃烧器和气体燃烧器，表1 1 是各种燃料应用于沥青混合 料搅拌设备时的优缺点。由于沥青混合料搅拌设备具有移动性，天然气运输困难， 铺设管道成本高，燃料的使用成本也很高，所以目前在中小型和大型沥青混合料 搅拌设备中几乎不使用天然气。 表1 1 各种燃料应用于沥青混合料搅拌设备特点 煤转气煤粉 柴油天然气 车辆、管道只能用管道 输送方式车辆只能用车辆 集中输送集中输送 燃烧完全性燃烧完全燃烧不完全燃烧较完全燃烧最完全 燃烧控制控制调节效果好控制效果较差控制调节效果好控制调节效果较好 燃烧效率高低较高两 炉膛温度较高较低较高较高 劳动强度。小大小小 操作环境好差较好好 3 1 2 1 1 煤转气型 煤转气即煤炭气化，是指在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机 质与气化剂( 如蒸汽空气等) 发生一系列化学反应，生成含有c o 、h 。等清洁可燃 气体的过程。燃烧系统主要包括煤气发生装置和燃烧器系统。系统可实行人工点 火和自动点火功能哺1 。 煤转气沥青混合料搅拌设备是沥青混合料搅拌设备中利用煤炭的一种全新技 术。煤转气技术打破了传统的燃料燃烧方式，将煤炭转化为清洁气体燃料进行燃 烧，对沥青矿料进行加热，是一种洁净、高效利用煤炭的技术。 图1 2 煤气发生装置 1 2 1 2 燃油型 油类燃烧系统的结构包括燃油供给系统和燃烧器。燃烧器是成套搅拌设备的 关键部件之一。其控制形式由原来的人工点火、手动调温发展到现在的自动点火 和自动控温。其雾化形式主要有低压油加高压空气雾化和高压油雾化，燃烧器的 燃料也从最初的柴油发展到现在的柴油、重油、煤粉、天然气等。评价燃烧器性 能好坏的一个最主要指标是调节比，其值为最大耗油量与最小耗油量之比。一般 在l ：1 到1 ：4 之间，最大的可达l ：1 0 。世界上公认的最好的油类燃烧器是德国边 宁荷夫公司生产的，它是采用低压油和高压空气雾化，轴流风机用来提供燃烧用 空气，其调节比为l ：8 。见图1 3 。 4 图1 3 德国边宁荷夫燃烧器 1 2 1 3 燃煤粉型 煤粉燃烧器主要是以烟煤作为燃料，用于沥青混合料搅拌设备中对矿料加热 的加热装置。其结构包括磨煤喷粉机、燃烧炉、点火装置和控制系统，控制系统 是其最关键的部件，由于煤粉燃烧的固有缺点，导致成品料的温度波动范围较大， 不能完全满足沥青沥青混合料搅拌设备对矿料温度的要求。同时，煤粉在燃烧过 程中产生的灰粉极易残留在烘干筒内，残留于热矿料中，进而对沥青混合料的质 量产生影响，所以在质量要求较高的高速公路施工中均禁止使用煤粉燃烧器。 1 2 2 除尘系统 粉体是小于一定粒径的颗粒集合引，在工业除尘系统设计中，一般的需处 理的为多相混合物。工业除尘器的种类和特点简述如下： ( 1 ) 重力除尘器利用自身的重力使尘粒从烟尘中沉降分离的装置。在 重力除尘设备中，气体流动的速度越低，越有利用沉降细小的粉尘，越有利 于提高除尘效率。但若速度太低，则设备相对庞大，投资费用明显增高，也 是不可取的。 ( 2 ) 惯性除尘器是使含尘气体与挡板撞击或者急剧改变气流方向，利 用惯性力分离并捕集粉尘的除尘设备。其结构简单，阻力较小，但除尘效率较 低，常用于一级除尘。 ( 3 ) 电除尘器其工作原理是烟气通过电除尘器主体结构前的烟道时， 使其烟尘带正电荷，然后烟气进入设置多层阴极板的电除尘器通道。其主要 结构是钢结构，一般由型钢焊接而成，外表面覆盖蒙皮和保温材料。各种电 除尘器一般都具有效率高、阻力低、能够适用于高温和除去细微粉尘的优点，因 此获得了比其他除尘器更快的发展，但其投资大。 ( 4 ) 湿式除尘器是使含尘气体与液体( 一半为水) 密切接触，利用水 滴和颗粒的惯性碰撞及其他作用捕集颗粒或使颗粒增大的装置。湿式除尘器 表1 2 各类除尘器的使用范围和性能 适用范围不同粒径效率，投资比 粉粒径，| im k - p _粉尘 初 年型除尘作 除尘器种类 式用力粒浓度温度投成 5 051 径 g m 3 资本 l jm 惯性、 重力 惯性除尘器 1 0 1 10 0 9 61 63 l 5 9 9 9 98 69 53 8 干静电力高效电除尘 9 9 9 9 9 96 64 2 1 0 0 9 9 9 9 9 4 6 9 散 过脉冲清灰 3 l o 9 99 96 85 o 与滤高压反吹清 10 0 9 99 96 o4 0 筛器吹 分 自激式洗涤 湿 惯性、 器 1 0 0 1 0 0 4 0 010 09 34 02 72 1 扩散与 高压喷雾洗 0 0 1 0 4 0 0 1 0 09 6 7 52 6 1 5 式涤器 凝集 5 1 0 9 99 34 7 7 7 高压文氏管 除尘器 可以有效地将直径为0 1 2 0 微米的液态或固态粒子从气流中除去，同时，也 能脱除部分气态污染物。它具有结构简单、占地面积小、操作及维修方便和 净化效率高等优点，能够处理高温、高湿的气流，将着火、爆炸的可能减至 最低。 ( 5 ) 袋式除尘器是一种干式滤尘装置。适用于捕集细小、干燥、非纤维性 粉尘。但其存在使用成本高、过滤速度低、占地面积大、压降大、换袋麻烦等缺 6 点。 ( 6 ) 旋风除尘器旋风除尘器的除沉机理是使含尘气流作旋转运动，借 助于离心力降尘粒从气流中分离并捕集于器壁，再借助重力作用使尘粒落入 灰斗。其主要优点：结构简单，本身无运动部件，不需要特殊附属设备，占地面 积小；维护、操作简便，压力损失较小，动力消耗小，运转和维护费用较低；操 作弹性较大，且性能稳定，基本不受含尘气体的浓度、温度限制，而且对于粉尘 的物理性质无特殊要求。 1 3 煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统匹配研究的目的及意义 现今国内沥青混合料搅拌设备通常都以柴油为燃料来加热矿料，但随着原油 价格的不断上涨，为降低养护成本，各施工单位不得不寻求以煤、重渣油或天然 气来取代柴油( 轻油) 。石油作为主要机械燃料的污染范围很大，污染时间很长久， 不仅存在土壤污染、水体污染，更为重要的是燃烧的硫的氧化物二氧化硫和三氧 化硫排到大气中造成空气污染，对人体产生危害，并且石油燃烧产生的氮的氧化 物和硫的氧化物在高空中为雨雪冲刷，溶解，雨成为了酸雨；这些酸性气体成为 雨水中杂质硫酸根、硝酸根和氨离子，会严重污染土壤以及水体，造成生态的失 衡。因此我国的筑养路行业中的机械设备有必要采用新的环保型的能源来代替石 油燃料。 煤转气技术应用于公路筑养护行业是一种全新的工艺和技术。将相对丰富的 煤炭资源转化为无污染，清洁的气体资源当作燃料，既达到了降低公路养护成本 的要求又和国家新时期的生态文明相吻合。目前，国内外暂未发现将煤转气技术 应用于沥青混合料搅拌设备相关方面的系统研究。同时，由于煤转气技术是首次 与沥青混合料生成矿料烘干加热相结合，且一台沥青混合料搅拌站价值几百万元， 研究成本、试验成本以及研究风险均较高，因此，本课题以用于沥青路面养护的 沥青混合料搅拌设备作为主要研究对象。 本课题来源于贵州省交通厅项目公路养护典型设备节能减排技术研究， 依托贵州省公路系统养护工程。 1 4 主要研究内容 针对沥青混合料搅拌设备矿料烘干加热系统中燃料使用过程中出现的使用成 本高、环境污染大的问题，对公路养护行业中的能源利用新技术煤转气技术及其 相匹配的矿料烘干加热系统进行了探索性研究，主要内容包括： i 、介绍了间歇式沥青混合料搅拌设备国内外现状和矿料烘干加热系统中矿料 的加热方式和除尘方式及其优缺点，指出了煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统匹 7 配研究的目的及意义。 2 、简述了煤转气沥青混合料搅拌设备的生产工艺、整机结构、工作原理，以 及矿料烘干加热系统煤气发生装置、烘干筒和除尘器的结构特点，提出了烘干筒、 煤气发生装置和除尘系统的合理匹配是矿料烘干加热系统设计的关键技术； 3 、阐述了煤转气沥青混合料搅拌设备矿料加热烘干系统中煤气发生装置、烘 干筒和除尘系统的工作原理和设计要点，对理想煤气发生炉的理想气体成分和烘 干筒的热力学平衡进行了计算，为煤气发生装置和除尘系统的匹配研究奠定了基 础。 4 、对煤转气沥青混合料搅拌设备矿料加热烘干系统中煤气发生装置和除尘系 统进行了计算选型设计。采用正交试验法对烘干筒主要结构参数进行了结构设计， 确定了与煤气发生装置和除尘系统相匹配的烘干筒主要结构参数。进行了煤转气 搅拌设备矿料烘干加热系统匹配设计，设计了煤气发生装置和除尘系统，主要包 括煤气发生装置的规格，旋风除尘器和湿式除尘器的匹配设计、除尘风机的风压 和风量的匹配设计，并根据匹配设计的煤气发生装置和除尘系统采用正交试验法 确定了烘干筒内部的主要参数，最后分析了煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统各 参数的影响。 5 、将设计的煤转气沥青混合料搅拌设备与市场同类型燃煤型沥青混合料搅拌 设备进行了对比试验，并将设计的煤转气沥青混合料搅拌设备进行了燃油性改造 试验对比，验证了矿料烘干加热系统设计的合理性和煤转气沥青混合料搅拌设备 的优势特点。 6 、全文总结。 8 第二章煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统 2 1 煤转气强制间歇式沥青混合料搅拌设备生产工艺 煤转气强制间歇式沥青混合料搅拌设备的生产工艺流程图如图2 1 所示。首先 在料场把不同粒度的石子、砂等矿料分别送入配料站的各个料仓内，然后依据设 计的标准将各种矿料配比逐一计量，将一个工作循环所需的矿料通过电动滚筒及 输送带送至一次提升料斗，并送入烘干筒内；煤气发生装置产生的清洁可燃气体 在特定的燃烧器口燃烧发出大量热量，对旋转的烘干筒( 正转) 里的冷矿料进行 加热烘干，经过预设的时间后；烘干筒缓冲停止，电动机驱动烘干筒反向旋转， 并由烘干筒内反转螺旋叶片将矿料送至搅拌系统内，同时将计量好的矿粉和沥青 从搅拌缸上方投入，热沥青和矿粉在搅拌缸内与热矿料充分混合与裹敷，在搅拌 缸内形成“沸腾效应”，矿粉作为填充料与沥青共同形成糊状粘结物填充于矿料之 间，从而增加了矿料之间的粘结强度，提高沥青混合料的质量。最后，搅拌好的 成品料由二次提升斗送至贮料仓内贮存。 冷矿料 煤炭 图2 1 煤转气沥青混合料搅拌设备生产工艺流程 2 2 煤转气强制间歇式搅拌设备总体结构及其工作原理 2 2 1 煤转气强制间歇式沥青混合料搅拌设备总体结构 本机结构如图2 2 所示，主要由煤气发生装置( 含燃烧器) 、行走机构、进料 口、烘干筒、沥青混合箱、沥青计量系统、粉料计量系统、搅拌装置、二次提升 装置、成品料仓、控制室、一次提升装置、除尘系统、三级配料系统、气动系统 等组成。 l 、三级配料系统( 见图2 2 ，1 4 ) 三级配料系统主要由储料仓、支架、输送轨架、输送带、改向滚筒、电动滚 筒及称量传感器组成。c l y b - b 1 5 t 拉力传感器下方悬挂输送机架、输送带、改 9 向滚筒及电动滚筒等。当砂石料称量完后，电动滚筒起动，输送带运转，将砂石 料送入矿料提升斗内。 2 、一次提升装置( 见图2 2 ，1 2 ) 一次提升装置由料斗、提升轨道、中间过度料斗、针轮减速机等组成。上料 前将不同粒度的矿料按一定级配装在料斗内，启动针轮减速机，料斗由钢丝绳牵 图2 2 煤转气沥青混合料搅拌设备整机结构图 1 、煤气发生装置；2 、行走机构；3 、进料口；4 、烘干筒；5 、沥青混合箱； 6 、沥青计量系统；7 、粉料计量系统；8 、搅拌系统；9 、二次提升系统； 1 0 、成品料仓；1 l 、控制室；1 2 、一次提升装置；1 3 、除尘系统； 1 4 、三级配料系统；1 5 、气动系统。 引沿提升轨道上升一定高度后，其长轴滚轮进入提升轨道岔道，料斗倾斜，斗门 自动打开，物料经中间过渡料斗进入烘干筒。 料斗上下行程终点均由行程开关自动控制。当料斗提升到卸料位置时，附着 于料斗上的行程开关碰杆触动提升终点行程开关的摇杆，行程开关动作，针轮减 速机断电，产生制动力矩，料斗停止在卸料位置上。为安全可靠，提升轨道上端 一般装有两个行程开关，一个装在低位，在正常情况下使用，另一个装在高位， 当低位损坏后起保护作用，并启动报警系统，以实现安全可靠的双保险；当料斗 1 0 下降到底后，钢丝绳松开不受力，提升轨道上部的压杆被弹簧顶起，料斗下降终 点行程开关动作，针轮减速机被断电制动以免钢丝绳松动。 3 、煤气发生装置( 见图2 2 ，1 ) 煤气发生装置主要由炉体、燃煤提升装置、排空阀、水除尘装置、燃烧器、 燃烧器鼓风机、炉体鼓风机、出渣灰盘等部分组成。工作开始时，首先用燃煤提 升装置给炉体内加块煤，经进一段时间的气化，炉体内产生可燃的清洁气体。清 洁气体经过除尘装置过滤后得到洁净的热煤气，由燃烧器内的电极对其进行点火， 在燃烧器鼓风机的作用下将火焰向烘干筒尾部推进，对矿料进行烘干。 4 、烘干筒( 见图2 2 ，4 ) 石料烘干的热源由煤气发生装置提供。矿料经过烘干、加热后，从烘干筒卸 出。 5 、搅拌系统( 见图2 2 ，8 ) 搅拌系统由动力装置、搅拌装置、搅拌缸、卸料机构、供油系统等组成。动 力装置由一台3 7 k w 的电机经摆线针轮减速机减速后，通过链条将转矩传递到两根 搅拌轴上，而两根搅拌轴上安装有2 4 块搅拌叶片，实现搅拌功能，搅拌缸由缸体 和耐磨衬板等组成。 搅拌装置由搅拌轴、搅拌臂、搅拌叶片和轴端密封组成，搅拌臂轴端处装有 侧刮板，与其他叶片反向，不易粘料，叶片与搅拌臂用螺栓通过长孔相连，可调 整各叶片与搅拌缸圆弧衬板及端面衬板的间隙，保证间隙均匀，并限制在2 0 m m 左 右，以减缓衬板和叶片的磨损，避免卡料，使搅拌机工作平稳，卸料干净，搅拌 轴两端与搅拌缸相连处，设有轴端密封，防止沥青进入到轴承。 卸料机构由卸料门及气缸组成，气缸由电控气阀控制从而实现卸料门的开启 和关闭，完成搅拌装置的卸料工作。 6 、除尘系统( 见图2 2 ，1 3 ) 从烘干筒出来的含尘烟气由于除尘风机的作用被吸入一级除尘系统。然后经 过除尘风机后进入二级湿式除尘系统。从一级除尘系统出来的粗粉尘可经过回收 后通过螺旋输送机进入热料提升机添加进搅拌装置，经二级除尘的烟尘直接排放 进入大气。 7 、粉料计量系统( 见图2 2 ，6 ) 粉料计量系统主要由螺旋输送器，电子称重矿粉桶，矿粉闸门等组成。系统 采用电子计量，计量精度较高。 8 、沥青计量系统( 见图2 2 ，7 ) 沥青计量系统主要由沥青泵、三通阀、电子称重桶、投入闸门等组成。 由三通阀来控制沥青的计量，计量精确，调节方便，全自动化计量，油石比， 精确度高。 9 、二次提升系统( 见图2 2 ，9 ) 二次提升系统由提升斗、提升轨道、支架、料仓、气缸以及料门启闭机构等 组成。仓体可贮存9 吨沥青混合料。 1 0 、电气控制系统 电气系统根据整机的工艺流程，对整机各部进行集中控制、监控与保护。 2 2 2 煤转气强制间歇式沥青混合料搅拌设备工作原理 1 、矿料计量及输送 不同粒度的石子、砂等矿料送入配料站的各个料仓后，根据级配需要调定每 个料仓的称量值，并适当调整提前量值，然后启动称量，称量完后起动电动滚筒 把矿料送至矿料斗内，经预期调节好的时间称量后，电动滚筒断电停止后，等待 下一次称量工作过程。 2 、矿料提升 矿料提升是由摆线针轮减速机、矿料提升斗轨道、矿料提升斗组成，当减速 机启动时，矿料提升斗沿着轨道上行将料斗内的矿料通过接料斗送至烘干滚筒后 返回到原始位置等待下一次循环开始。 3 、矿料烘干 滚筒驱动电机启动，通过一对皮带轮将转矩传递到减速机，经固接在滚筒的 齿圈带动滚筒转动，正转烘干，实现矿物自落式抛撤运动。经过调定的延时烘干 时间后，电机反转，带动滚筒反转出料。 4 、矿粉添加与沥青喷入 矿粉经螺旋输送器提升到矿粉桶里并按比例称重后，等待滚筒反转过料结束 信号。当过料结束后，启动气缸，将矿粉桶底盖推开，已计量好的矿粉便加入搅 拌器中，经过设定时间后，关闭矿粉桶底盖，回到等待信号，进行下一个循环； 在过料开始之前，沥青泵电机启动，带动沥青齿轮泵将沥青油池里已熔化和脱水 的热沥青经三通阀按比例计量泵入沥青桶内，在滚筒反转出料开始时获取延时电 信号，等待把沥青投入搅拌缸，当延时电信号结束后计量好的沥青喷入搅拌缸内 的砂石料上，并在强制搅拌作用下获得性能良好的成品料。经一定时间后，关闭 三通阀，待下一个工作循环。 5 、拌和出料 搅拌电机经摆线针轮减速机减速后，通过链轮将转矩传递到主搅拌轴上，由 一对啮合的开式齿轮保证双轴同步，从而实现拌合器的搅拌功能。已配比好的各 种热矿料及矿粉与沥青在强制拌合器内强制搅拌，充分混合与裹敷，经预调的拌 和时间后，卸料门气缸的电磁换向阀获取换向信号，气缸动作，打开卸料门，混 合料卸入成品提升斗内，再经调定的延时时间后，电控换向阀再次换向，气缸动 1 2 作，关闭卸料门，完成卸料工作。 6 、成品料提升与贮存运输 卸料门关闭完后，经调定的延时时间后，热料斗提升电机启动，料斗上升把 成品料卸入料仓后下降回位等待下一次卸料，成品料储存一定斗数后，载运汽车 进入成品仓下面，此时启动气缸，打开仓门，把成品料卸入汽车内。卸料完毕后， 气缸动作关闭成品料仓门，等待下一次循环，这样保证连续不断的生产。 2 3 煤转气搅拌设备矿料烘干加热系统总体结构 2 3 1 煤气发生装置 煤气发生装置由上煤加煤机构，炉体、水套、灰盘传动除渣系统、空气及蒸 汽供给系统、除尘系统、燃烧器、防爆装置及自动控制系统等组成。煤气发生装 置结构如图2 3 所示。 1 、上煤加煤机构 该机构由卷扬机斜桥上煤装置、上水封下钟罩气动自动加煤机构、分煤装置 等组成。煤斗中装满煤料后，启动卷扬机，煤斗沿斜桥提升至炉体顶部，同时顶 开水封阀顶盖，煤料自动倒入钟罩体内，随后煤斗下行，水封顶盖自动关闭，然 后启动钟罩启动装置，顶开原来封闭的钟罩阀，煤料落入分煤器上，经自动合理 分配后均匀散布于炉膛内，同时钟罩气缸回程，钟罩阀关闭。由此完成一个加煤 循环。 2 、煤气发生装置主体 由炉膛、水套、炉栅、打钎孔、灰盘及其传动、气化剂供给系统等部分组成。 炉膛为盛料、反应和产生煤气的主体空间，水套内的水由煤的燃烧供热产生蒸汽， 蒸汽包内的蒸汽和炉底鼓风机吹入的空气按一定比例混合后进入炉栅，经炉栅合 理分配后与炉膛内燃料反应而产生煤气。灰盘作为炉底水封和炉栅支撑，可由其 传动装置驱动而作旋转运动，将炉内灰渣带出炉体。 3 、煤气除尘及输送系统 煤气由炉膛内出来后，一路通过管道输送与钟罩阀相连，另一路通过管道输 送进入旋风除尘器，经除去灰尘及其他有害物质后，即可输送入燃烧器。钟罩阀 能起放散阀及安全阀作用。煤气管路上还接有水封，用于管道煤气的切断。 4 、煤气燃烧装置 由调节阀、风机、烧嘴等组成。煤气进入烧嘴前，与鼓风机吹入的空气按一 定比例混合，以达到最佳燃烧效果。各种调节阀分别用于煤气量、空气量的合理 调节。 图2 3 煤气发生装置结构 1 、炉体；2 、燃煤提升装置；3 、排空阀；4 、除尘装置；5 、燃烧器： 6 、燃烧器鼓风机；7 、炉体鼓风机；8 、出渣灰盘 2 3 2 烘干筒 烘干筒由进口法兰、提升叶片、螺旋叶片、挡料环等组成，矿料在烘干筒完 成烘干、加热工作。抄板将矿料提升后自行跌落，在不断翻落过程中所有矿料形 成密布的料帘与火焰进行充分的热交换。抄板与筒体焊成一定螺旋角，可使矿料 从进料区经烘干向出料区移动。进料口焊有一档料环，可防止矿料落入燃烧室内。 滚筒正转不能出料，主要集中在中部烘干区、进料区反向移动，形成密布的料帘 使矿料充分吸热。烘干筒在出料区焊有出料叶片，矿料经一定时间烘干后，滚筒 反转通过出料叶片将热矿料卸入搅拌器内。在滚筒外表面导轨边焊有一圈限位圆 环，以限制烘干筒的轴向窜动。 2 3 3 除尘系统 煤转气沥青混合料搅拌设备目前主要应用于公路养护工程，综合考虑燃料的 利用工艺和燃烧特点，本机采用一级旋风除尘( 多管旋风除尘器) 和二级湿式除 尘，它主要由进气口、旋风管、出气口、集尘斗、烟道、引风机、烟囱及筒体等 1 4 组成。含尘气体经进风口进入旋风除尘筒后，自在惯性力的作用下气体中的粗粉 尘分离出来并落至除尘