大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)設計研發(fā)與應用

陶亞東 王鵬云 王蓮邦 彭文剛

(1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315；2.云南中翼鼎東能源科技開發(fā)有限公司，云南省曲靖市，655000)

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大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)設計研發(fā)與應用

陶亞東1王鵬云2王蓮邦2彭文剛2

(1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西省榆林市，719315；2.云南中翼鼎東能源科技開發(fā)有限公司，云南省曲靖市，655000)

隨著原煤入洗率的提高，煤泥的產(chǎn)量也在不斷增加，煤泥的干燥成為解決煤泥提質增效利用的主要方法。針對煤泥干燥環(huán)節(jié)，建立了一套具有傳熱效率高、處理量大、自動化程度高的旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)，在有效降低煤泥水分的同時，實現(xiàn)了煤泥干燥設備的大型化和自動化。實際使用效果表明：采用該大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)，可將煤泥平均水分由原來的29.5%降低到15%，發(fā)熱量也有所提高，在提高經(jīng)濟效益的同時，也為煤泥干燥問題提供了一種有效的解決方法。

煤泥 旋流化解聚 干燥

近年來煤炭市場需求量明顯降低，但對煤質的要求卻顯著提高，為了適應市場變化，穩(wěn)定煤炭產(chǎn)品質量，神東煤炭集團原煤入選率逐步提高，但是增加入選量必然帶來煤泥量增大等問題，2015年粗細煤泥產(chǎn)量約為980萬t以上，其中-0.2 mm細煤泥產(chǎn)量約為547萬t，產(chǎn)率占公司商品煤產(chǎn)量的5.6%以上；全入洗煤泥產(chǎn)量將達到2000萬t以上，其中-0.2 mm細煤泥產(chǎn)量約為1085萬t，產(chǎn)率達到11%以上。細煤泥水分平均在32%左右、灰分在26%～38%之間、發(fā)熱量在13000～17000 kJ/kg之間，粒度細且硫分較高，綜合質量較差。

目前煤泥的處理方式及綜合利用手段有2種，一是將其直接摻入煤炭洗選主產(chǎn)品中混合銷售，這是目前最主要的處理方式；二是供電廠燃燒發(fā)電，上灣選煤廠的煤泥可以直接供給上灣熱電廠，作為發(fā)電燃料用煤，這種方式利用的煤泥較少，僅為總煤泥量的3%左右。

目前煤泥的處理方式主要存在以下問題，一是造成最終產(chǎn)品質量降低，影響洗選加工的效果；二是洗選煤泥具有粘度大、易結團、易粘連、排料不連續(xù)、在洗選加工過程中往往具有滯后性等特點，導致其在運輸和儲存的過程中經(jīng)常給生產(chǎn)系統(tǒng)的運行帶來許多問題；三是隨著煤炭產(chǎn)量的增加、環(huán)境保護要求的提高，上述問題將更加突出。

因此，煤泥的有效處理及綜合利用問題已經(jīng)成為影響神東煤炭集團煤質的突出問題。從集團整體利益最大化的角度出發(fā)，探索煤泥提質增效的綜合利用途徑勢在必行，而基于大型熱力干燥設備的熱力干燥技術是煤泥提質增效的有效手段之一。神華神東煤炭集團經(jīng)過多次考察，選用了云南中翼鼎東能源科技公司(以下簡稱中翼鼎東公司)的大型旋流化煤泥解聚干燥技術，并在神東石圪臺選煤廠進行了工業(yè)化示范，該技術還有效地解決了選煤生產(chǎn)系統(tǒng)與煤泥干燥同步運行的無縫對接，從源頭上避免了煤泥提質的二次污染。

1 煤泥干燥原理

煤泥由干燥機一端上部進料，在旋翼作用下向上拋擲，使其在機腔內(nèi)充分彌散。熱風由煤泥進料端上方進入干燥機，與被拋擲的物料充分接觸，物料在旋翼高速拋擲，反復彌散在腔體內(nèi)并被熱風流載著向前運動，表面被不斷更新，實現(xiàn)充分的質熱交換。

干燥機內(nèi)部分為3個工作腔，在第1個腔內(nèi)，濕冷的煤泥與高溫熱風直接接觸，其吸收的熱量用來迅速升高本身溫度；在第2個腔內(nèi)，升溫后的煤泥內(nèi)部蒸汽已遠大于環(huán)境的蒸汽壓，繼續(xù)吸收熱量便于置換蒸發(fā)熱，從而使大量的水分被迅速蒸發(fā)，此時屬于恒速干燥段，為主要干燥段；最后進入第3干燥腔內(nèi)，此時煤泥的水分蒸發(fā)速度降低，煤泥溫度開始逐漸上升，屬于降速干燥段。當含水量降至15%以下時完成煤泥干燥，煤泥干燥機系統(tǒng)結如圖1所示。

圖1 煤泥干燥機系統(tǒng)結構

由圖1可以看出，在煤泥干燥系統(tǒng)中主要采用熱風接觸式，即以對流干燥的方式進行，對流干燥的傳熱速率主要與體積給熱系數(shù)、干燥機容積、熱風溫度、物料溫度及物料表面被不斷更新等有關。干燥設備在中、高溫和物料高彌散狀態(tài)下工作，因此具有體積小、質熱交換充分、干燥效率高等優(yōu)點。旋流干燥工藝通過多腔室多階段干燥流態(tài)分隔實現(xiàn)煤泥干燥過程的本質安全；通過高轉和大扭矩結構，實現(xiàn)了煤泥的充分解聚和流化；采用獨特的打散拋料裝置，保證物料拋起后有足夠停滯和對撞的時間和空間，加大了煤泥與熱風的接觸面積，實現(xiàn)物料與高溫煙氣的充分旋流質熱交換，傳熱效率高且處理能力大。

2 大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)設計

神東洗選中心石圪臺選煤廠設計規(guī)模為10.0 Mt/a，原煤處理能力為2222 t/h。主要選煤工藝及方法為25～200 mm塊煤重介淺槽分選、2～25 mm末煤重介旋流器分選和2～0.20 mm煤泥螺旋分選機分選工藝，粗煤泥采用煤泥離心機脫水，細煤泥采用加壓過濾機和板框壓濾機聯(lián)合處理，然后直接回摻混煤。

2013年5月，煤泥干燥提質加工科研項目(以后簡稱煤泥干燥系統(tǒng))在神東洗選中心石圪臺選煤廠開始建設，2014年7月試運行，設計能力為100萬t/a。

2.1 系統(tǒng)組成及其工作過程

該項目設計的大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)由煤泥輸送設備、干燥機、熱風爐、引風系統(tǒng)、旋風系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)和出料系統(tǒng)等部分組成，采用旋翼式強制流態(tài)化干燥機和熱風爐組合工藝，大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)組成

由圖2可以看出，煤泥通過運輸設備由壓濾車間給入進料緩沖倉，緩沖倉中的煤泥通過倉下的螺旋輸送機及進料閉風器均勻穩(wěn)定地給入干燥機。干燥后的物料分別通過干燥機下部的閉風排料器和旋風收料器排出，再經(jīng)過轉載運輸設備運至混煤帶式輸送機。燃料煤為干燥后的煤泥，由干燥后成品帶式輸送機分流自動添加至熱風爐燃料倉，燃燒用風由鼓風機提供。高溫熱風在引風機產(chǎn)生的負壓作用下，由熱風爐經(jīng)主風管進入干燥機，在干燥機內(nèi)與煤泥實現(xiàn)充分的質熱交換后，經(jīng)旋風除塵器完成氣固分離后再經(jīng)過尾氣凈化系統(tǒng)凈化達標后排至大氣。尾氣凈化采用布袋除塵，除塵所收集的粉塵造粒后用作熱風爐燃料，降低燃料成本。

2.2 系統(tǒng)工藝及運行特點

2.2.1 設備結構合理

熱風爐采用特殊結構的往復式爐排，燃燒效率高，能夠自動控制高溫煙氣中的氧含量、煙氣溫度和煙氣量，滿足了干燥器安全運行的要求；旋流干燥器通過高轉速和大扭矩結構實現(xiàn)了煤泥的充分解聚和流化；傳熱效率高和處理能力大實現(xiàn)了裝置大型化；通過負壓高流速保障了物料與高溫煙氣的充分旋流質熱交換，且環(huán)境友好。

2.2.2 系統(tǒng)安全性和自動化程度高

整體系統(tǒng)設有保障安全生產(chǎn)的儀器儀表及設備，包括設備故障報警器、含氧量檢測傳感器、溫度傳感器、粉塵撿漏儀、壓力傳感器、生產(chǎn)旁路管道聯(lián)動機構等；通過自動化程序的聯(lián)動和現(xiàn)場操作人員及時處理等方式，滿足自動化儀表要求的同時也提升生產(chǎn)過程的安全性。同時，氧含量等主要安全數(shù)據(jù)實現(xiàn)了閉環(huán)控制。采用現(xiàn)場監(jiān)測層、通信管理層系統(tǒng)管理層3層架構，實現(xiàn)了監(jiān)管控一體化，大型旋流化解聚煤泥熱風干燥自動控制3層架構如圖3所示。

圖3 大型旋流化解聚煤泥熱風干燥自動控制3層架構

由圖3可以看出，系統(tǒng)采用先進的網(wǎng)絡通信技術將PLC、智能傳感器、智能執(zhí)行器，計算機圖形、網(wǎng)絡、通訊等諸多迅速發(fā)展的新技術結合在一起，用方便靈活的硬件和軟件模塊組合設計。與選煤廠生產(chǎn)實現(xiàn)無縫對接，大型旋流化解聚煤泥熱風干燥自動控制系統(tǒng)拓撲結構如圖4所示。

同時，神東集團和中翼鼎東公司合作開發(fā)了能源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)信息實現(xiàn)了可視化和在線發(fā)布，通過能源管理，使干燥過程的自動控制精度有了很大提升，同時實現(xiàn)了安全、節(jié)能、環(huán)保、內(nèi)控高度科學管理的信息化，滿足了安全生產(chǎn)節(jié)能減排的常態(tài)化管理要求。

2.2.3 實現(xiàn)了清潔生產(chǎn)

該系統(tǒng)全程封閉作業(yè)，對所有產(chǎn)生粉塵的環(huán)節(jié)均做到了負壓除塵，有效保障了煤泥干燥提質生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的清潔生產(chǎn)，在煙氣和粉塵排放上，粉塵顆粒、煙氣黑度、二氧化硫以及氮氧化物等指標均低于國家現(xiàn)行相關標準中大氣污染物排放限制的要求。

3 系統(tǒng)運行效果

大型旋流化煤泥解聚干燥系統(tǒng)在石圪臺選煤廠共有4條生產(chǎn)線，設計能力都在100萬t/a，自2014年7月份投產(chǎn)以來，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，干燥效果良好。

圖4 大型旋流化解聚煤泥熱風干燥自動控制系統(tǒng)拓撲結構

3.1 煤泥干燥提質效果

煤泥經(jīng)過干燥后發(fā)熱量升高，不同脫水率可以對應不同的商品煤發(fā)熱量。按目前塊煤入洗、末煤30%入洗的運行情況測算，全年煤泥產(chǎn)量約為50萬t。根據(jù)不同末煤入洗率測得不同的煤泥量，在不同的脫水率條件下，測得煤泥干燥后混煤發(fā)熱量的指標變化見表1。

表1 煤泥干燥后混煤發(fā)熱量的指標變化表

由表1可以看出，隨著煤泥降水幅度的增大，發(fā)熱量也相應提高，因此煤泥的降水提質對于提高選煤廠的經(jīng)濟效益有著顯著的提高。

另外，隨著煤泥產(chǎn)量的增長，煤泥的發(fā)熱量也有著顯著增長，在此基礎上進行煤泥干燥處理，煤泥降水幅度與煤泥發(fā)熱量關系如圖5所示，煤泥量與煤泥發(fā)熱量關系如圖6所示。

圖5 煤泥降水幅度與煤泥發(fā)熱量關系圖

由圖5和圖6可以看出，同一種生產(chǎn)模式下(系統(tǒng)煤泥量一定)干燥系統(tǒng)降水幅度越高，煤泥回摻后混煤提質越明顯；如果干燥系統(tǒng)降水幅度一致，改變末煤入洗率，煤泥產(chǎn)量越高則煤泥回摻后混煤提質越明顯；當系統(tǒng)煤泥量和干燥系統(tǒng)降水幅度都達到最大時，煤泥干燥對混煤提質效果達到最大值。

3.2 經(jīng)濟效益分析

以石圪臺選煤廠目前塊煤入洗、末煤30%入洗，按照神華集團合同價測算，煤泥干燥降水14.5%，回摻混煤銷售，與不干燥回摻混煤銷售相比較，噸混煤銷售利潤增加1.3～2.11元/t，且干燥后混煤水分降低、重量減少，還可節(jié)省運費1.5～2.4元/t。按照石圪臺礦商品煤1060萬t測算，可為集團增效1378～2236萬元/a。

圖6 煤泥量與煤泥發(fā)熱量關系圖

4 結論

(1)在選煤廠入洗率大幅提高的背景下，煤泥量的增加顯著降低了選煤廠的產(chǎn)品質量。通過與中翼鼎東公司合作開發(fā)，應用大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)徹底解決了由于煤泥量的水分問題帶來選煤廠產(chǎn)品質量問題，設計流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)在自動化程度提高的基礎上，確保系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性，同時保證了生產(chǎn)過程對環(huán)境清潔的要求。

(2)采用該大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)，可將煤泥平均水分由原來的29.5%降低到15%，提高了產(chǎn)品的發(fā)熱量，提升了選煤廠的經(jīng)濟效益，同時為煤泥干燥問題提供了一種有效的解決方法。

(3)大型旋流化解聚煤泥熱風干燥全自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)了煤泥干燥生產(chǎn)線中央控制，解決了生產(chǎn)全流程控制系統(tǒng)自動化等技術難題，生產(chǎn)穩(wěn)定性大幅提高，并提高了系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化、智能化水平。大量實驗表明，該項技術非常適用于褐煤、長焰煤等煤種的優(yōu)化提質。

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[2] 王樹民. 清潔煤電與燃氣發(fā)電環(huán)保性及經(jīng)濟性比較研究[J]. 中國煤炭，2016(12)

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(責任編輯 王雅琴)

Design and application of large-scale cyclone coal slime-resolving hot air drying system

Tao Yadong1, Wang Pengyun2, Wang Lianbang2, Peng Wengang2

(1. Shenhua Shendong Coal Group Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719315, China; 2. Yunnan Zhongyidingdong Energy Technology Development Co., Ltd., Qujing, Yunnan 655000, China)

The amount of coal slime keeps rising as washing rate of raw coal improves. The drying of coal slime has become the key to achieve higher quality and efficiency in the process of coal slime treatment. Based on coal slime drying procedures, a fluidized and particle-depolymerized hot air drying system, which has high transitive thermal efficiency, large capacity and high degree of automation, was developed to improve the drying effect of coal slurry. This system could reduce the water content of coal slime and achieve the trend of equipment enlargement and automation. The field application results showed that the system could reduce the moisture of coal slime from 29.5% to 15% and increased the heat value of coal slime so as to significantly improve the economic benefit and provide an effective solution for coal slime drying problem.

coal slime, fluidization and particle-depolymerization, drying

陶亞東，王鵬云，王蓮邦等. 大型旋流化解聚煤泥熱風干燥系統(tǒng)研發(fā)與應用[J].中國煤炭，2017，43(3)：104-108. Tao Yadong, Wang Pengyun, Wang Lianbang, et.al. Design and application of large-scale cyclone coal slime-resolving hot air drying system[J].China Coal，2017，43(3)：104-108.

TD946.2

A

陶亞東(1970-)，男，工程碩士，教授級高工，現(xiàn)任神華神東洗選中心總工程師，主要從事煤炭洗選工藝、產(chǎn)品質量管控、科技創(chuàng)新管理等工作。