煤泥性質(zhì)變化對煤泥干燥效率的影響分析

路子龍

（冀中能源股份有限公司 東龐礦，河北 邢臺 054201）

1 概述

東龐礦洗煤廠煤泥干燥系統(tǒng)自2019 年投用使用，最初生產(chǎn)能力達到設計要求甚至超出設計的小時處理能力26 t 的要求，但設備老化磨損，煤泥性質(zhì)變化，處理能力和效率波動較大。針對這些情況，對原因進行分析，并提出相應的改進解決方法。洗煤廠干燥車間采用煤泥低溫蒸汽列管回轉干燥工藝。壓濾車間煤泥由皮帶卸入緩沖料倉，或卸到煤泥堆場后由橋吊抓斗上至緩沖料倉，料倉下經(jīng)皮帶機與返料一并運至雙軸攪拌機，攪拌機下進入上料螺旋，由上料螺旋進入干燥機，干燥后的煤泥出料進入產(chǎn)品上倉皮帶，產(chǎn)品倉下煤泥由給料機進入裝車皮帶，可直接裝車外銷，也可由裝車皮帶卸自原有中煤皮帶，進入電廠。

蒸汽熱源來自礦矸石電廠，采用電廠的高壓蒸汽，經(jīng)減溫減壓后供干燥機使用。

煤泥在干燥過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)濕氣，先經(jīng)濕法除塵器除塵冷凝，水源為洗煤廠循環(huán)水，除塵冷凝后的少量濕氣（主要為不凝氣體）直接排入集水池。蒸汽冷凝水經(jīng)汽水分離器后進入水箱，由回水泵送至洗煤廠壓濾車間。

以煤泥灰分調(diào)整較大的2021—2022 年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)為參照（表1）。

表1 干燥車間2021-2022 年煤泥球銷售量及灰分統(tǒng)計Table 1 Statistics of sales and ash of slime balls in drying workshop from 2021 to 2022

排除個別月份由于礦檢修安排或?qū)嶋H生產(chǎn)天數(shù)差別，同時忽略部分時間由于電廠供暖造成的蒸汽溫度和壓濾波動及給料系統(tǒng)老化磨損帶來的影響，干燥車間產(chǎn)量逐步下降，與之相對應的煤泥累計灰分也逐步提升。

由此可以推斷，煤泥干燥的處理能力和效率與煤泥灰分粒度組成必然有著一定聯(lián)系。

2 原因分析

不同時期煤泥篩分試驗見表2～表5。

表2 2021 年5 月19 號夜班尾礦小篩分試Table 2 Night shift tailings small screening test on May 19,2021

表3 2021 年11 月4 日尾礦小篩分Table 3 Small screening of tailings on November 4,2021

表4 2022 年1 月22 日早班壓濾產(chǎn)品小篩分Table 4 Small screening of early shift filter press products on January 22,2022

表5 2022 年3 月2 日中班壓濾產(chǎn)品小篩分Table 5 Small screening of filter press products in the middle shift on March 2,2022

不同時期煤泥灰分變化主要體現(xiàn)在-0.045 mm粒度級的產(chǎn)率及灰分變化，該粒度級灰分普遍在65～70，隨著煤泥灰分的提高，該粒度級的占比也逐步提高，煤泥中浮選藥劑殘留及絮凝劑殘留量增加，帶來的影響就是煤泥粘度增加，水分增加，相應的煤泥干燥效率降低。

具體原因推斷為煤泥灰分升高，細粒級增加，粘度提高后，煤泥在干燥機內(nèi)部分布運動帶來的充填率變化和煤泥團粒度變化造成的熱交換效率的降低。

2.1 填充率的影響

根據(jù)實驗室相關資料，在試驗機內(nèi)試驗煤泥填充率與煤泥干燥效率有著密切關系。

由表6 可以看出，在煤泥填充率相同的條件下，干燥溫度越高干燥速率越快，所需的干燥時間越短。隨著干燥機中煤泥填充率的升高，煤泥含水率干燥至13.5%左右時所需的干燥時間先減少后增加，即煤泥干燥速率先增加后減小，當填充率為25%時，煤泥含水率干燥至13.5%左右所需的干燥時間最短，即干燥速率最大，這主要是由干燥過程的傳熱方式和煤泥的運動狀態(tài)所決定的。常規(guī)認為，在列管式回轉干燥機內(nèi)，物料干燥所需的熱量主要是在物料與列管壁面發(fā)生接觸時進行傳遞的。當干燥機筒體轉動時，煤泥在筒體內(nèi)作月牙狀運動，煤泥在筒體內(nèi)的運動狀態(tài)如圖1 所示。當煤泥填充率過高時，有一部分煤泥處于靠近轉筒圓心的非列管區(qū)域，無法和列管發(fā)生接觸，不利于煤泥和列管之間的熱傳遞，從而降低了該部分煤泥的干燥速率。而當煤泥填充率過低時，煤泥將難以與筒體內(nèi)圈的列管進行有效接觸，使列管的加熱面積得不到充分利用，也將使干燥速率有所降低。

圖1 正常狀態(tài)下干燥機內(nèi)物料運動狀態(tài)分布Fig.1 Distribution of material motion state in dryer under normal condition

表6 相同煤泥含水率達到13.64%所需的干燥時間Table 6 Drying time required for the same slime water content to reach 13.64%

表7 不同半徑煤泥團比表面積差值Table 7 Difference of specific surface area of coal slime with different radius

而當煤泥灰分過高，粘度過大時，進入干燥機內(nèi)煤泥無法迅速分裂成小塊物料，反而隨著翻滾接觸形成一團整體的濕粘煤泥存在于中心的非列管區(qū)域，與周邊列管接觸面積小，從而大大降低了干燥速率，如圖2 所示。

圖2 物料粘連無法分散時干燥機入料段內(nèi)運動狀態(tài)分布Fig.2 Distribution of motion state in the feeding section of the dryer when the material adhesion cannot be dispersed

圖3 大顆粒煤泥干燥過程機理Fig.3 Drying process mechanism of large particle slime

為了使得粘連的煤泥迅速分散，提高與列管的接觸面積，最直接可行的方法為提高干燥機轉速，但同時又減少了煤泥在干燥機內(nèi)部的存留時間，造成產(chǎn)品水分過高，極端情況下煤泥與干燥機列管粘連，無法在筒體內(nèi)做月牙狀運動，反而隨著干燥機轉動而轉動，無法分散充分進行熱傳遞。

2.2 接觸面積（物料粒度）的影響

由于煤泥粘連形成大煤泥團，與桶內(nèi)熱空氣和列管的接觸面積大大降低，假設煤泥團為球體，那么：

球體表面積為：S=4 π r2

體積為：V=(4/3)π r3

則相同體積下，不同半徑球球團比表面積差距巨大，而實際生產(chǎn)過程中，低灰分煤泥分散和高灰分煤泥粘連后實際半徑平均差距約為4～5 倍，即煤泥進入干燥機內(nèi)初始熱交換接觸面積差距約為16～25 倍，進而使得煤泥分散過程更為緩慢，效率更為低下。

此外常規(guī)理論認為，大球團顆粒煤泥的低溫干燥過程，可分為預熱加速段、恒速段和降速段3 個階段。在預熱加速段，煤泥團由其初始溫度快速被加熱，煤泥表面水分快速蒸發(fā)。在恒速干燥階段，熱量逐漸由煤泥顆粒外部表面?zhèn)飨騼?nèi)部，形成一層溫度恒定、水分恒定、干燥速率恒定的區(qū)域，水分由該區(qū)域逐漸向顆粒表面擴散移動，然后擴散到周圍氣流中，因此恒速段的煤泥干燥受煤泥顆粒內(nèi)水分的傳遞速率所控制。隨著干燥溫度升高或煤泥團粒度減小，煤泥恒速干燥段時間和水分范圍減小。受水分逐漸減小的影響，在恒速干燥段后，干燥速率慢速下降，形成慢速降速段。隨著干燥程度進一步增大，煤泥表面逐漸形成一定厚度的干燥層，導致熱量從外部向顆粒內(nèi)部的傳遞以及水分從內(nèi)部向外部的傳遞阻力同時增大，最后導致煤泥干燥速率明顯緩慢，干燥過程進入快速降速階段。

可見煤泥的干燥速率與煤泥球力粒度有關。當球團尺寸較大時，干燥速率隨煤泥球團變化較小，當煤泥球團尺寸減小，煤泥最大干燥速率隨之增大。因此干燥機內(nèi)物料越快分散到較小尺寸，是影響干燥機效率的至關重要的前提條件，而粘連的高灰物料導致這一過程大大的延后。

綜上述原因可以判斷得出，煤泥中細泥含量越高，粘度越大，水分越高，對在干燥機內(nèi)的運動狀態(tài)、煤泥團粒度和充填率影響越大，從而降低煤泥干燥過程中的熱交換效率，從而間接影響干燥煤泥處理能力。

3 結語

隨著浮選效果的優(yōu)化和改進，尾礦煤泥中的高灰細泥量增加必然導致煤泥干燥效率在一定程度上的降低。歸根結底是因為相應物料的水分和粘度的增加導致無法充分分散?？梢钥紤]改進尾煤壓濾系統(tǒng)以降低產(chǎn)品水分，如使用高壓力壓濾機或超高壓壓濾機。優(yōu)化煤泥粒度組成，通過摻粗等手段降低高灰細泥在煤泥中的占比，提高煤泥松散程度降低煤泥粘性，其次還可以改進干燥機入料方式，通過提速增加葉片密度等手段以防止在入料攪拌過程中發(fā)生物料粘連，同時在給料時利用擠壓分割等手段降低煤泥進入干燥機桶內(nèi)時的煤泥團粒度，增加比表面積，從而達到提高干燥效率的目的。