環(huán)形爐煤調(diào)濕新技術(shù)開發(fā)試驗(yàn)研究

王立志，徐蓬勃，孫海權(quán)，汪志良

（鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114021）

煤調(diào)濕是利用外加熱能將煉焦煤在焦?fàn)t外進(jìn)行干燥、脫水并穩(wěn)定煤中水分，以達(dá)到減少煉焦能耗量、改善焦?fàn)t操作、提高焦炭質(zhì)量或擴(kuò)大粘結(jié)性煤用量的一種節(jié)能減排的煉焦技術(shù)。煉焦使用的煤水分一般為10.5%，采用加熱干燥方法將煉焦前煤粉水分降至（6.5±0.5）%的過程，在冶金行業(yè)稱為“煤調(diào)濕”［1］。1996年日本室蘭焦化廠開發(fā)出第三代煤調(diào)濕技術(shù)——直接換熱型的流化床煤調(diào)濕技術(shù)［2］。目前，煤調(diào)濕一般采用該種干燥方式，利用焦?fàn)t煙氣在流化床內(nèi)與煉焦煤直接進(jìn)行熱交換。流化床調(diào)濕裝置氣阻壓降較大［3］，流態(tài)化加熱對(duì)煤粉顆粒大小的均勻性要求較高；同時(shí)，粉塵量較大，對(duì)后續(xù)煙氣除塵設(shè)備要求較高。

近年來，國內(nèi)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)對(duì)上述流化床調(diào)濕設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)［4-5］，針對(duì)流化床煤調(diào)濕技術(shù)存在的問題，鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司開發(fā)了一套環(huán)形爐煤調(diào)濕試驗(yàn)裝置，并將該裝置在鞍鋼股份有限公司煉焦總廠（以下簡稱“鞍鋼煉焦廠”）進(jìn)行了運(yùn)行測試，結(jié)合理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果分析，得出該煤調(diào)濕技術(shù)可以有效降低煉焦煤粉水分，為后期的工業(yè)化裝置的開發(fā)和實(shí)施積累了技術(shù)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 環(huán)形爐煤調(diào)濕工藝介紹

1.1 環(huán)形爐煤調(diào)濕工藝簡介

環(huán)形爐煤調(diào)濕工藝流程見圖1。把備煤車間送來的粉碎后的煤裝入緩沖煤塔，通過給料裝置和布料器將煤均勻裝入環(huán)形爐內(nèi)，使煤在環(huán)形爐旋轉(zhuǎn)爐底上向出口轉(zhuǎn)動(dòng)，煤在環(huán)形爐內(nèi)經(jīng)過一個(gè)周期的干燥，調(diào)整至預(yù)定濕度后，用螺旋出料機(jī)推出，進(jìn)入焦?fàn)t上料系統(tǒng)。煙道廢氣由焦?fàn)t總煙道引出，直接送到環(huán)形爐，分段進(jìn)入爐內(nèi)，通過特制的翻料器下部噴嘴把熱煙氣送入環(huán)形爐內(nèi)與煤直接接觸進(jìn)行干燥。調(diào)濕后煙道廢氣經(jīng)濕式除塵后排入大氣。

圖1 環(huán)形爐煤調(diào)濕工藝流程Fig.1 Process Flow for Coal Moisture Control in Annular Furnace

在環(huán)形爐內(nèi)沿縱向設(shè)置有若干翻料裝置，前后交錯(cuò)布置，其作用在于：①擴(kuò)大物料對(duì)流換熱面積；② 不斷移動(dòng)爐底上的物料，使物料沿阿基米德螺線軌跡運(yùn)動(dòng)，增加接觸加熱長度；③翻動(dòng)物料，使物料有效混合，提高傳熱效率和傳質(zhì)數(shù)率，達(dá)到對(duì)流和傳導(dǎo)相結(jié)合的傳熱效果。

1.2 環(huán)形爐煤調(diào)濕工藝的技術(shù)創(chuàng)新性

（1）通過翻料器的設(shè)計(jì)將對(duì)流傳熱和固體載熱的傳導(dǎo)傳熱有機(jī)地結(jié)合起來，保證高的傳熱效率和均勻的溫度場，通過薄料層和較低的氣固比避免流態(tài)化加熱中的揚(yáng)塵現(xiàn)象。對(duì)被加熱物料的粒度組成要求更加寬松，物料粒度大小不均產(chǎn)生的問題對(duì)傳熱過程影響很小，用于工業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)勢更加明顯。

（2）主體設(shè)備技術(shù)成熟，生產(chǎn)能力大，性價(jià)比高。環(huán)形爐是冶金加熱爐通用設(shè)備，單機(jī)產(chǎn)能（100～300萬t/a）滿足煤調(diào)濕要求，制造成本和生產(chǎn)、操作、維護(hù)費(fèi)用均較低。

（3）可以通過調(diào)控爐子轉(zhuǎn)速、氣煤比、干燥周期等方式按需要精準(zhǔn)控制煤的調(diào)濕度。

2 理論計(jì)算

以鞍鋼煤調(diào)濕試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立煤調(diào)濕系統(tǒng)熱平衡，估算鞍鋼焦?fàn)t煙道氣資源的調(diào)濕產(chǎn)能。已知焦?fàn)t入爐濕煤處理量為300 t/h，原煤含水率為11.0%，煙氣入口溫度為170℃，煙氣出口溫度為 85℃。則干煤量=300×（1-11.0%）×1 000=267 000 kg/h，處理前濕煤含水量=300×11%×1 000=33 000 kg/h，處理后濕煤含水量=300×（11.0%-x%）×1 000，x為濕煤水分下降份額，以百分比計(jì)。

鞍鋼煉焦廠西部煉焦現(xiàn)有焦?fàn)t煙道氣資源350 000 m3/h，其中50 000 m3/h用于維持原煙道保溫等，300 000 m3/h可用于煤調(diào)濕。計(jì)算中不考慮調(diào)濕過程揚(yáng)塵，進(jìn)、出干燥器煙道氣流量均為300 000 m3/h。

（1） 熱收入

煤調(diào)濕系統(tǒng)的熱收入來源于煙氣提供的熱量。假設(shè)進(jìn)、出調(diào)濕系統(tǒng)煙氣量不變，進(jìn)入調(diào)濕系統(tǒng)170℃的煙氣熱量與出調(diào)濕系統(tǒng)85℃的煙氣熱量之差，即為煤調(diào)濕所獲得的熱量Q煙，具體計(jì)算公式如下：

式中，V煙為進(jìn)、出調(diào)濕系統(tǒng)的煙氣量，m3/h；C煙、C'煙分別為進(jìn)、出調(diào)濕系統(tǒng)煙道氣的比熱，與煙氣成分有關(guān)，通過煙氣中不同成分在該溫度下的比熱計(jì)算得出，分別為 1.406 8、1.378 6 kJ/（m3·℃）；t煙、t'煙分別為進(jìn)、出調(diào)濕系統(tǒng)煙道氣的溫度，℃，

（2） 熱支出

煤調(diào)濕系統(tǒng)的熱支出主要包括干煤吸熱Q煤和濕煤中水分升溫和水分蒸發(fā)吸熱Q水。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場的觀察和檢測，一般煤中水分從20℃開始蒸發(fā)，最終從調(diào)濕系統(tǒng)排出煤的溫度在50℃左右。因此在本方案中，假設(shè)煤中水分從20℃升溫至50℃然后氣化排出。具體計(jì)算公式如下：

式中，G煙為進(jìn)入調(diào)濕系統(tǒng)的干煤量，kg/h；C煤、C'煤分別為調(diào)濕后、前干煤的比熱，與煤的成分有關(guān)，通過計(jì)算得出 0～100 ℃均為 0.932 kJ/（kg·℃）；t煤、t'煤分別為調(diào)濕后、前干煤的溫度，℃；C水t水、C'水t'水分別是水在50、20℃的焓值，為209.85 kJ/kg和84.476 kJ/kg；2 370 kJ/kg為水在50℃時(shí)的氣化潛熱；G'水為調(diào)濕后煤粉中剩余水量，kg/h；G氣化為調(diào)濕后煤粉中氣化的水量，kg/h。

假設(shè)調(diào)濕器的系統(tǒng)熱損失為10%，則Q'熱收入=Q熱收入×0.9=Q煙×0.9。 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 Q'熱收入=Q熱支出，則 Q水+Q煤=Q煙×0.9

計(jì)算得出，調(diào)濕可降低入爐煤水量G氣化=10 328.2 kg/h，調(diào)濕后入爐煤水分為7.83%，下降了3.17%，水分脫除率為28.8%。

3 環(huán)形爐煤調(diào)濕試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

環(huán)形爐試驗(yàn)裝置如圖2所示。環(huán)形爐煤調(diào)濕試驗(yàn)裝置包括煤干燥器、離心風(fēng)機(jī)、翻料器及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；試驗(yàn)儀表包括溫度、流量、壓力計(jì)量。煤干燥器是一個(gè)環(huán)形的筒式試驗(yàn)設(shè)備，直徑為2 500 mm，其通過在圓筒內(nèi)安裝的翻料器和頂部安裝的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，來模擬環(huán)形爐的運(yùn)行。

圖2 環(huán)形爐試驗(yàn)裝置Fig.2 Test Device for Annular Furnace

3.2 試驗(yàn)方案

為了保證煙道廢氣出口溫度在250℃左右，將試驗(yàn)裝備建于鞍鋼煉焦廠煙道旁，同時(shí)，為了減少煙氣的熱損失，對(duì)煙氣進(jìn)入環(huán)形爐前的管道進(jìn)行了保溫處理，使煙氣進(jìn)入裝置的溫度在170℃左右，煙氣耗量950 m3/h左右。

實(shí)驗(yàn)采用同一種煤粉，首先測試從煤場取來的煤粉濕度，根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)煤粉濕度至設(shè)定的數(shù)值11%。濕煤裝入量1 100～1 150 kg，煤料層厚度300 mm，氣料比（煙氣量/粉塵量）700 m3/t；爐體外側(cè)設(shè)置溫度、壓力、流量檢測裝置。試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)取樣點(diǎn)（煤層標(biāo)高100、200 mm各4個(gè)，圍繞環(huán)形爐中心均勻分布），每個(gè)取樣點(diǎn)一次取樣500 g左右，取樣間隔為15 min，試驗(yàn)周期時(shí)間60 min。

3.3 試驗(yàn)步驟

（1）煤調(diào)濕試驗(yàn)裝置安裝好后，通過煤料裝入口向耙式翻煤器中裝入煤料試樣，煤料試樣裝入高度低于煙氣分布器。

（2）啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)，使焦?fàn)t主煙道中200～220℃煙道廢氣依次通過引風(fēng)管道、進(jìn)氣裝置，將煙道廢氣通過多個(gè)煙氣分布器均勻布散在翻料器箱體內(nèi)。

（3）啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪連接的筒體帶動(dòng)煤料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，耙片對(duì)煤料試樣進(jìn)行翻動(dòng)，使煤料試樣與煙道廢氣充分接觸換熱，煤料試樣中的部分水分快速汽化，從而達(dá)到降低煤料試樣含水量的目的。

（4）在設(shè)定時(shí)間內(nèi)分多次通過各取樣口對(duì)煤料試樣進(jìn)行取樣，一次試驗(yàn)過程可獲得多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于分析煤料試樣含水量隨時(shí)間的變化規(guī)律；同時(shí)，通過粉塵檢測儀檢測換熱后煙道廢氣內(nèi)的含塵量。

（5）取樣結(jié)束后，關(guān)閉引風(fēng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置，啟動(dòng)排煙風(fēng)機(jī)，將翻料器箱體內(nèi)換熱后的廢氣通過排風(fēng)管道排入煙囪或除塵裝置。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，依據(jù)試驗(yàn)日期將試驗(yàn)編組為 M1～M8。 其中，M1、M6、M7、M8 試樣為新煤，M2、M3、M4、M5 試樣為舊煤加水人工攪拌，M 為平均值。試驗(yàn)前后煤層標(biāo)高100、200 mm處試樣煤粉水分如圖3所示。由圖3可以看出，煤層標(biāo)高100 mm處試樣煤粉水分普遍高于標(biāo)高200 mm處，即煤料層底部水分偏高，上部水分較低，說明翻料器作用明顯。

圖3 試驗(yàn)前后煤層標(biāo)高100、200 mm處試樣煤粉水分Fig.3 Moisture Content of Pulverized Coal Samples at Coal Seam Elevations of 100 mm and 200 mm before and after Test

調(diào)濕過程試驗(yàn)煤粉水分變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出，隨著調(diào)濕時(shí)間變長，煤層試樣煤粉水分呈下降趨勢，說明環(huán)形爐煤調(diào)濕試驗(yàn)裝置達(dá)到了降低煤粉水分的作用。受試驗(yàn)爐型和翻料器的局限,環(huán)形爐底部存在工作“死區(qū)”，導(dǎo)致試驗(yàn)效果與理論計(jì)算存在一定差距；8個(gè)樣本煤粉含水量整體處于下降趨勢，說明調(diào)濕效果明顯，60 min取樣顯示有3個(gè)樣本含水量出現(xiàn)高于45 min樣本情況，說明環(huán)形爐在45 min以后降低水分效果下降，系統(tǒng)在45 min達(dá)到最佳效果，可以安排煤粉出料。

圖4 調(diào)濕過程試驗(yàn)煤粉水分變化趨勢Fig.4 Variation Tendency of Moisture Content of Test Pulverized Coal during Moisture Control Process

在環(huán)形爐上部經(jīng)過翻料的煤粉其模擬效果最接近實(shí)際工業(yè)應(yīng)用實(shí)際情況部分，試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本較為理想，表明環(huán)形爐及試驗(yàn)所選用的翻料器有很好的傳熱、傳質(zhì)效果。在試驗(yàn)實(shí)測中發(fā)現(xiàn),煤料層底部死料區(qū)的厚度約為50 mm，占整個(gè)試驗(yàn)煤料16%左右，將“死料區(qū)”數(shù)據(jù)納入試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理范疇，作為計(jì)算數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，得出經(jīng)過環(huán)形爐調(diào)濕，煤粉水分下降約2%，調(diào)濕效率達(dá)到22.3%，試驗(yàn)效果理想。

綜合理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析得出，環(huán)形爐煤調(diào)技術(shù)濕的工藝機(jī)理和設(shè)備選擇正確，能夠滿足調(diào)濕工藝的要求。

4 結(jié)論

（1）環(huán)形煤調(diào)濕試驗(yàn)中受原料攪拌均勻度、試驗(yàn)裝置形式、翻料效果、取樣等因素影響，底部濕煤堆積嚴(yán)重，上部及中部水分去除較明顯，綜合考慮試驗(yàn)爐底部煤料“死料區(qū)”的調(diào)濕數(shù)據(jù)，煤粉水分下降約2%，試驗(yàn)爐調(diào)濕效率達(dá)到22.3%，基本達(dá)到預(yù)期效果。

（2）環(huán)形煤調(diào)濕技術(shù)的工藝機(jī)理和設(shè)備選擇正確，能夠滿足調(diào)濕工藝要求。