煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)研究與應(yīng)用

朱 峰，王婷婷，王 凱，吳 淼

(1.光大清潔技術(shù)股份有限公司，北京 100080；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

2019年我國煤炭開采和洗選業(yè)產(chǎn)能利用率為70.6%[1]，煤泥產(chǎn)量過億噸。隨著采煤機械化程度的提高和入洗原煤比例的增加，煤泥產(chǎn)量將大幅上升[2]。煤泥具有粒度細(通常在0.5mm以下，小于0.2mm占80%以上[3])，高水分(含水量約25%～40%)，高粘性、高持水性、高灰分等特點，不易運輸和利用[4]。煤泥無法外銷則會造成大量積存，尤其是煤泥露天堆放時極易發(fā)生煤泥流失分化進入空氣和河流，造成環(huán)境污染，同時煤泥中含有的煤粉成分隨之流失[5]。

煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)是一種蒸汽間接干燥技術(shù)，采用的是蒸汽加熱翅片管式回轉(zhuǎn)圓筒干燥機，能夠?qū)⑦x煤廠產(chǎn)出的濕煤泥水分降低至13%以下，解決了煤泥在裝儲運輸中的難題，同時提高了煤泥熱值，使煤泥的價值得到提升。蒸汽間接干燥技術(shù)相較于其他干燥技術(shù)具有安全可靠、清潔環(huán)保及成本低廉的特點，但是在實際運行過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，包括干燥能耗高、蒸發(fā)濕氣對空排放、黏度高的煤泥入料難、多臺干燥機配料不均、干燥機內(nèi)煤泥粘管粘壁、緩存?zhèn)}起拱導(dǎo)致下料不暢以及煤泥間歇性出料導(dǎo)致干燥機進料不均等。這些問題制約了蒸汽間接干燥技術(shù)在煤泥干燥提質(zhì)領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，解決實際運行中發(fā)現(xiàn)的問題并完善整體工藝是目前該技術(shù)的主要研究方向。

筆者團隊在深度掌握煤泥的性質(zhì)及特點的基礎(chǔ)上，攻克解決了蒸汽間接干燥技術(shù)實際運行過程中的難題，研發(fā)了一套完整的煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)及工藝并研制了蒸汽加熱翅片管式回轉(zhuǎn)圓筒干燥機[6]等相關(guān)設(shè)備。

1 我國煤泥處置現(xiàn)狀

本文所討論的待處理煤泥均是在經(jīng)過壓濾機回收后的煤泥，水分在23%～32%?，F(xiàn)在煤炭洗選過程產(chǎn)生的煤泥主要通過3種方式進行處理：直接摻混外賣、濕煤泥低價直接銷售、烘干提質(zhì)后摻混外賣[7]，而現(xiàn)有的煤泥處置方式包括有晾曬、填埋、就地堆存、干燥提質(zhì)和濕煤泥鍋爐摻燒等。其中露天堆放遇水流失、遇風(fēng)飛揚，不僅帶來環(huán)境污染，也造成資源浪費[2]，因而露天晾曬、填埋和就地堆存已經(jīng)被政府明令禁止。因此應(yīng)用較為廣泛的煤泥資源化利用途徑主要有以下兩種：一是將濕煤泥直接送進鍋爐燃燒發(fā)電；二是通過將煤泥干燥脫水提質(zhì)，再與電煤摻混作為鍋爐燃料。其中，濕煤泥燃燒發(fā)電技術(shù)主要應(yīng)用在電廠的循環(huán)流化床鍋爐及煤粉爐；而在距離電廠較遠的洗煤廠想要資源化處置煤泥，降低煤泥的水分是關(guān)鍵，而降低煤泥水分最簡單、經(jīng)濟有效的手段就是利用煤泥干燥提質(zhì)技術(shù)對煤泥進行干燥處理。

煤泥干燥提質(zhì)是選煤工藝的延續(xù)和完善，干燥處理使?jié)衩耗嗨纸档?、發(fā)熱量提高，從根本上改善了煤泥的各項性能指標(biāo)，使其成為商品動力煤，拓寬了煤泥的使用范圍和銷售渠道，提高了售價；同時改善了儲、裝、運的性能，極大地改善了廠區(qū)、礦區(qū)的環(huán)境[8]。按照干燥工藝進行劃分，目前已成功實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的煤泥干燥技術(shù)可分為高溫?zé)煔饣剞D(zhuǎn)干燥技術(shù)和蒸汽干燥技術(shù)[9]。目前我國選煤廠廣泛應(yīng)用的煤泥干燥提質(zhì)技術(shù)屬于傳統(tǒng)的高溫干燥技術(shù)，干燥介質(zhì)為高溫?zé)煔饣蚋邷責(zé)釟?，溫度?00℃到750℃，煤泥高溫干燥過程中存在燃燒或爆炸風(fēng)險，熱能資源與水資源浪費較大，易污染環(huán)境等問題。另外在高溫干燥過程，設(shè)備結(jié)構(gòu)受熱易變形，維護成本較高[10]。

煙氣主要來源是由燃煤鍋爐產(chǎn)生，近年來我國多地陸續(xù)出臺對燃煤鍋爐的整治政策。安徽省人民政府2018年9月27日出臺了《安徽省打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃實施方案》，明確要求開展燃煤鍋爐綜合整治，2019年底前基本淘汰非建成區(qū)內(nèi)工業(yè)園區(qū)的35t/h以下燃煤鍋爐，2020年底前35t/h以下的燃煤鍋爐全面清零[11]；山西省人民政府2019年5月31日出臺了《山西省打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)2019年行動計劃》，要求加大燃煤鍋爐淘汰力度，各市分別淘汰35t/h、20t/h及10蒸噸以下的燃煤鍋爐，全年計劃淘汰燃煤鍋爐1410臺，共計3572t/h。

2 煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)

本文介紹的煤泥潔凈低溫間接干燥系統(tǒng)屬于蒸汽間接干燥技術(shù)。蒸汽間接干燥工藝是以蒸汽作為熱源，熱源和被干燥物料間接接觸，以第三種組分(通常為空氣或惰性氣體)作為攜濕介質(zhì)的干燥技術(shù)，屬于低溫干燥的范疇[12]。能夠完全替代煙氣直接干燥技術(shù)，且解決了環(huán)境污染及運行安全等問題。

蒸汽間接干燥技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生和應(yīng)用數(shù)十年，廣泛應(yīng)用于食品、化工建材、礦產(chǎn)等行業(yè)。但是蒸汽干燥技術(shù)在煤泥干燥中的應(yīng)用仍較少，處于剛興起階段[13]。

2.1 工藝流程

選煤廠壓濾煤泥由濕煤泥上料及緩存系統(tǒng)被送入定量給料系統(tǒng)，經(jīng)定量給料、喂料裝置進入干燥機主體，與干燥器的傳熱壁面和熱載體持續(xù)接觸，進而使其連續(xù)受熱并使煤泥中的水被蒸發(fā)，煤泥在蒸汽換熱過程中經(jīng)歷了加熱升溫、穩(wěn)定蒸發(fā)、減速蒸發(fā)等三個階段，由于干燥機主體與水平面存在一定夾角，煤泥進入干燥機筒體后，在隨著筒體不斷運轉(zhuǎn)的同時逐步由高處(入料口) 向低處(出料口) 運動[14]，蒸汽放熱后形成冷凝水；將干燥后的部分煤泥與濕煤泥混合后重新進入干燥系統(tǒng)，通過返料系統(tǒng)降低入料濕煤泥黏度，解決了由于煤泥黏度高造成的緩存?zhèn)}起拱、下料不暢和干燥機內(nèi)粘管、粘壁、堵料等問題；煤泥干燥過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)濕汽經(jīng)除塵、冷凝后，通過與蒸汽冷凝水進行熱交換成為干燥熱載氣通入干燥機內(nèi)加熱煤泥；蒸汽的運動方向與煤泥呈逆向流動，熱載氣的運動方向與煤泥也呈逆向流動，干燥過程全封閉，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、超凈排放。煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)工藝流程如圖1所示。

圖1 煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)工藝流程示意圖

2.2 系統(tǒng)組成

干燥系統(tǒng)主要組成為：濕煤泥上料及緩存系統(tǒng)、定量給料系統(tǒng)、返料系統(tǒng)、煤泥干燥主系統(tǒng)、干燥后煤泥輸送系統(tǒng)、除塵除濕余熱利用系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等組成。

1)濕煤泥上料及緩存系統(tǒng)。由上料輸送機與煤泥接料緩存?zhèn)}等設(shè)備組成，用于煤泥的接料、輸送及緩存。其中煤泥接料緩存?zhèn)}在起拱位置設(shè)計旋轉(zhuǎn)式破拱裝置，并在倉底設(shè)計雙螺旋攪拌裝置。該部分解決了緩存?zhèn)}起拱導(dǎo)致下料不暢的問題。上料煤泥應(yīng)干濕均勻，不能有太大波動，若水分波動太大，會影響干燥效率[15]。

2)定量給料系統(tǒng)。由箱體式給料機與密封式喂料裝置等設(shè)備組成，箱體式給料機位于接料緩存?zhèn)}底部，負責(zé)將濕煤泥定量送入喂料裝置；密封式喂料裝置包括接料溜槽和喂料螺旋，在封閉狀態(tài)下將濕煤泥送入干燥機內(nèi)。刮板為特殊不粘料材質(zhì)，中部箱體寬度可調(diào)；螺旋喂料裝置前段采用密封結(jié)構(gòu)防止大量空氣進入干燥機內(nèi)腔。該部分解決了煤泥間歇性出料導(dǎo)致干燥機進料不均、多臺干燥機配料不均的問題[16]。

3)返料系統(tǒng)。由返料輸送機和混合攪拌裝置組成，干煤泥通過返料輸送機直接進入混合攪拌裝置與上料濕煤泥充分攪拌混合后再進入干燥系統(tǒng)。該部分解決了黏度高的煤泥入料難的問題。

4)煤泥干燥主系統(tǒng)。由干燥機及其熱源系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等組成，干燥機為系統(tǒng)核心設(shè)備，列管回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)；熱源系統(tǒng)主要是利用低品位蒸汽在出料端經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭通入汽室及換熱管中，蒸汽放熱與熱載氣一起以混合干燥的方式達到干燥煤泥的目的；蒸汽凝結(jié)水與工藝氣體(載氣)換熱后經(jīng)疏水系統(tǒng)送回鍋爐循環(huán)使用。

其中，列管回轉(zhuǎn)式干燥機由干燥機主體、傳動裝置、擋托輪裝置、托輪裝置等組成。干燥機主體是干燥機的核心部件，包括筒體、排不凝氣裝置、換熱管、抄料板、蒸汽汽室、出料罩、前后滾圈、大齒輪等；在工作狀態(tài)下，干燥機主體以2～4r/min的速率轉(zhuǎn)動，濕煤泥進入干燥筒體內(nèi)受到換熱管的升舉和攪拌作用，借助于轉(zhuǎn)筒的傾斜度(2.5°左右)及連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動從入料口向出料口移動，同時利用抄料板、翅片等特殊結(jié)構(gòu)使干煤泥呈均勻顆粒狀從出料口排出。該部分解決了煤泥粘管粘壁的問題。

5)干煤泥輸送系統(tǒng)。由干煤泥收集帶式輸送機、轉(zhuǎn)運帶式輸送機、卸料裝置及干煤泥倉等組成，用于產(chǎn)品的收集、轉(zhuǎn)載、緩存及卸料。

6)余熱利用系統(tǒng)。由引風(fēng)機、除塵器、換熱器及冷卻塔等組成，主要用于蒸發(fā)濕汽的除塵冷凝及工藝氣體的加熱，實現(xiàn)干燥系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、超凈排放。該部分解決了蒸發(fā)濕氣對空排放及干燥能耗高的問題。

7) 自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)包括煤泥干燥系統(tǒng)全部電氣設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、儀器儀表等，采用集中與就地控制相結(jié)合的方式進行設(shè)備操作，干燥車間集控室內(nèi)設(shè)有PLC控制系統(tǒng)、工控機顯示控制終端，通過對關(guān)鍵設(shè)備進行調(diào)整實現(xiàn)自動化控制。本自動控制系統(tǒng)采用微處理器技術(shù)，具有自診斷功能，在內(nèi)部故障還沒有干擾生產(chǎn)過程之前，即能在系統(tǒng)本身范圍內(nèi)探測到故障并實行防止故障擴大的措施，同時進行報警和記錄。PLC采用西門子S7-300控制系統(tǒng)，控制供電采用正常市電和UPS后備雙重供電方式，保證控制系統(tǒng)正常運行以及重要數(shù)據(jù)的存儲；PLC控制系統(tǒng)與上位機(如有)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，完成全部信號采集、設(shè)備控制、工藝參數(shù)調(diào)控等功能。

2.3 系統(tǒng)性能參數(shù)

表1 系統(tǒng)性能參數(shù)表

3 工程實例

山東新河礦業(yè)選煤廠每年產(chǎn)生約18萬t煤泥，周邊有電廠可以提供蒸汽熱源的便利條件。2018年建立兩套煤泥潔凈低溫間接干燥系統(tǒng)，兩臺低溫蒸汽列管回轉(zhuǎn)式干燥機總設(shè)計處理量達46t/h，可處理掉全年產(chǎn)生的煤泥量，煤泥的水分由28%降至15%以下。干燥后的煤泥進行配煤銷售，提高了煤泥的價值，給煤礦帶來可觀的經(jīng)濟效益。

恒源煤電宿州創(chuàng)元發(fā)電有限公司是祁東煤礦的自備電廠，祁東煤礦每年產(chǎn)生煤泥22萬t。宿州創(chuàng)元發(fā)電擁有CFB鍋爐能夠提供蒸汽熱源，建設(shè)了一套煤泥潔凈低溫間接干燥系統(tǒng)，設(shè)計處理量達30t/h，可處理掉祁東煤礦全年產(chǎn)生的煤泥量，干燥后煤泥水分由28%降至15%以下。干燥后的煤泥適用于作為鍋爐燃料，可使電廠大比例燃用價格低廉的煤泥作為燃料，降低了電廠燃料成本；同時也適用于配煤銷售，提高了煤泥的價值，給電廠帶來可觀的效益。

結(jié)合工程應(yīng)用情況，煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)的特點總結(jié)如下：①工藝先進，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠；②干燥過程全封閉，避免煤泥的二次污染；③系統(tǒng)采用余熱利用技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、超凈排放；④干燥環(huán)境溫度在100℃左右，煤泥無燒損、焦化現(xiàn)象；⑤干燥過程無粉塵爆炸安全隱患；⑥生產(chǎn)過程物料流動順暢，設(shè)備無需定期清理；⑦干燥效率高，系統(tǒng)熱損失小；⑧產(chǎn)品質(zhì)量易于保證。由于物料與干燥介質(zhì)不直接接觸，避免了干燥介質(zhì)對物料進行二次污染[15]。

4 結(jié) 語

煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)成功運用于煤礦選煤廠和電廠的煤泥處置中，而且能夠很好的適應(yīng)工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)對煤泥處理量的需求。煤泥低溫干燥技術(shù)這些年得到推廣與應(yīng)用，其干燥成本低，系統(tǒng)安全性高，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。利用煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)進行煤泥干燥后的煤泥呈球狀、非散料，可直接鍋爐摻燒或配煤，整個運行過程處于全封閉狀態(tài)，避免了以往在堆場晾干等處置過程中出現(xiàn)的遇水流失和風(fēng)干飛揚等環(huán)境污染問題，有效地改善了廠區(qū)環(huán)境；煤泥水分的降低使運輸條件不再苛刻，解決了運輸過程中污染沿線環(huán)境等問題，整個生產(chǎn)過程潔凈、環(huán)保，實現(xiàn)超凈排放，為企業(yè)帶來環(huán)保和社會效益。煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)在有蒸汽熱源的情況下能夠潔凈、高效地處置煤泥，但是在沒有蒸汽熱源的情況下，煤泥的資源化處置技術(shù)仍然需要研究和發(fā)展。