大型盘式半焦干燥机的设计开发

王 凯 张皓远 朱世峰

（1.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 2.河南科技大学）

干燥设备

大型盘式半焦干燥机的设计开发

王 凯*1张皓远2朱世峰1

（1.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 2.河南科技大学）

主要介绍了大型盘式半焦干燥机的设计开发过程，重点阐述了大型盘式干燥机主要设计参数的选取要领和注意事项。开发出的大型盘式半焦干燥机填补了市场空白，促进了半焦生产企业升级转型，提高了其资源经济效益。

盘式干燥机 半焦 蒸汽 干燥盘 设计 技术参数

0 前言

随着我国经济的飞速发展，市场对焦炭的需求逐年增加。但是我国的焦煤储量较少且地域分布不均，因此造成了焦炭市场的供应紧张，原本不受青睐的半焦也成了市场上的宠儿。特别是近些年来受到市场需求的推动，在我国的陕西、内蒙古和新疆等地先后兴建了一大批半焦厂。

在半焦的生产过程中，高温半焦从干馏炉内排出后要浸入水池内进行熄焦和冷却，最后由捞渣机捞出。从捞渣机内排出的半焦大约含有28%的水分，要想进一步贮存和利用半焦，就必须将其所含的水分去除。

经过调研发现，目前绝大部分半焦厂家都没有使用专门的烘干设备来干燥半焦。有的厂家将半焦露天堆放，有的厂家在输送机上架设烧嘴，通过燃烧煤气对半焦进行干燥。这不仅污染环境、浪费能源，而且还有严重的安全隐患。

截至2015年年底，我国的半焦产量已经达到了4750万t。因此不管是从经济效益出发，还是从社会效益出发，开发大型半焦专用烘干设备都迫在眉睫。

1 干燥机的选型

干燥机的形式有很多种，之所以选择用盘式干燥机来烘干半焦，主要是考虑到半焦的物料特性。半焦一般是用泥煤、褐煤等一些低变质煤种在隔绝空气的条件下加热而得到的固体产物。由于其生产原料属于年轻煤种，所以半焦的主要特点就是孔隙率大、挥发分高、机械强度低。

（1）孔隙率大

因为半焦的孔隙率大，所以在半焦颗粒的内部存在大量的毛细孔。这些毛细孔对水分子的吸附能力很强，想要将这部分水分彻底烘干比较困难，只能采用较高的烘干温度。

（2）挥发分高

半焦属于低温干馏产物，其内部还会残留一部分挥发分。这部分挥发分在烘干过程中受热会释放出一些可燃气体。如果这些气体聚集并遇到高温烟气，则极易发生自燃或爆炸等安全事故。

（3）机械强度低

由于半焦的生产原料黏结性较差，所以其强度也较低。550℃半焦的第二次跌落强度只有不到50%。另外，由于焦粉没有工业用途，只能当作普通燃料，经济价值很低，所以在半焦的干燥过程中应尽可能减少机械运动，避免发生碎裂。

除了上述三个因素外，还有一个最重要的因素就是盘式干燥机的占地面积非常小，基本不受场地限制，非常适合用于改造项目。

2 盘式干燥机的结构和工作原理

蒸汽加热的盘式干燥机最早出现于德国，用于褐煤的干燥成型。但是其产量不高而且大型化比较困难，后来逐渐被管式干燥机所取代。然而在某些情况下，盘式干燥机的干燥过程控制要比其他形式的干燥机容易得多，所以在某些领域盘式干燥机仍在使用。

盘式干燥机实质上是一种采用多层环形固定式加热盘、回转式耙犁搅拌、以热传导为主的立式连续干燥设备。其由电机、减速机、主轴、耙臂、耙叶、干燥盘、壳体、框架及外保温等几部分组成。

盘式干燥机的结构如图1所示。湿物料由位于干燥机顶部中央的进料口接连不断地喂入到最上部的干燥盘上。干燥盘上带有耙叶的耙臂在主轴的带动下不断旋转，耙叶的排列使其在回转过程中一边将物料不断地翻动，一边将物料沿着螺旋线的轨迹轮流刮到干燥盘边缘，并从干燥盘边缘的开孔处掉落到下一层干燥盘上。由于下一层干燥盘上的耙叶安装方向与上一层相反，所以物料在该层干燥盘上，除了会随着耙叶的回转不断地翻动外，还会被刮到干燥盘的内侧，从干燥盘内侧的开孔处掉落到再下一层干燥盘上。湿物料就这样周而复始地沿着“之”字形线路经过干燥机的每一层干燥盘，直到以干燥状态从最底部的干燥盘排出。另外，干燥机中所有的干燥盘内都通入了饱和蒸汽，当物料在干燥盘上停留时就会被不断地加热，从而使物料中的水分不断地蒸发，蒸发的水分由设在干燥机顶部的排湿口排出。

图1 盘式干燥机结构

与其他形式的干燥设备相比，盘式干燥机最主要的特点是热效高、能耗低、投资省、污染少、操作简便、占地小、干燥过程可控。因此，盘式干燥机非常适合干燥类似半焦这种粒度分布宽、没有黏结性、流动性好且具有易燃性的散状颗粒物料。

3 盘式干燥机规格的确定

3.1 加热面积

根据盘式干燥机的传热机理可知，其干燥过程实质上就是干燥盘内的热载体以传导和辐射的形式将热量通过干燥盘表面传递给湿物料的过程。因此，在一定条件下与物料接触的干燥盘面积就决定了盘式干燥机的处理能力。所以盘式干燥机最主要的参数就是加热面积。

式（1）为盘式干燥机的加热面积计算式。由式（1）可见，只要知道单位面积蒸发强度As，就可算出加热面积。

式中A——加热面积，m2；

Gs——绝干物料量，kg/h；

c1——物料进口含水率，kg/kg；c2——物料出口含水率，kg/kg；

As——单位面积蒸发强度，kg/(m2·h)；

τ——停留时间，h。

盘式干燥机的传热过程是一个非常复杂的复合过程。由于物料颗粒不停地受到搅拌，其状态是随机分布的，因此想要通过数学模型精确地计算出干燥盘上单位面积的蒸发强度基本上是不可能的。表1是通过试验测得的在不同蒸汽压力下干燥盘的单位面积蒸发强度。

表1 不同蒸汽压力下干燥盘的单位面积蒸发强度

以∅4500-21型盘式半焦干燥机为例，在蒸汽压力为202.6 kPa时，可从表1中对照选出单位面积蒸发强度As为6.91 kg/(m2·h)。将表2中的物料参数代入式（1），可算出所需的加热面积A为305 m2，进而可确定盘式干燥机的规格。

表2 ∅4500-21型盘式干燥机物料参数

3.2 干燥盘直径及数量

盘式干燥机各部件的尺寸一般与干燥盘外径D有关，而干燥盘的外径应综合考虑制造、运输、安装和成本等因素，原则上可按式（2）先进行初步估算，然后再根据实际情况进行圆整。式（2）中的系数与物料在干燥机内的停留时间相关，如果想延长物料的停留时间可选大值。

式中A——加热面积，m2；

D——干燥盘外径，m。

将加热面积A=305 m2代入式（2）后，计算出干燥盘的合理外径为4.3～3.6 m。考虑到干燥机的系列化问题，取D为4.5 m（R20系列）。另外，为了便于主轴和横臂固定座的拆装，干燥盘的内径d取1.6 m。这样该干燥机每个干燥盘的净面积都有16.4 m2，从而可计算出干燥盘的数量为19个。

通常盘式干燥机的干燥盘数量都会留有10%的富余，以防止物料的湿度过大。相反地，如果物料比较干燥的话，则可以将干燥机底部部分干燥盘的蒸汽关闭，使其不起加热作用。综合考虑上述因素，最终选取∅4500-21型盘式干燥机的干燥盘数量为21个。

3.3 主轴转速

盘式干燥机的主轴转速决定了干燥机的产能和物料的停留时间。在其他条件相同的情况下，干燥机的主轴转速与干燥机的产能成正比，与物料的停留时间成反比。即主轴转速越高，物料的停留时间越短，干燥机的产能就越高。一般情况下，盘式干燥机的主轴转速为1～10 r/min，在实际生产时可根据进料的含水率进行调整。在满足产能和最终含水率的前提下，主轴转速应越低越好。如果主轴转速选取过高，虽然在生产中调整余地较大，但电机的富余功率过大，会造成电耗较高，还会造成刮刀的磨损过大。经过实际测算，当主轴转速为5.5 r/min时，刮刀的寿命通常可达到18个月左右。因此在确定盘式干燥机主轴的最高转速时，应保证刮刀的最大线速度不超过1.75 m/s。

4 盘式干燥机的结构设计

经过上面的分析和计算，盘式干燥机的参数都已基本确定，下一步就可进行盘式干燥机的结构设计了。图2为∅4500-21型盘式干燥机的剖面图，图3为其截面图。下面结合实例对大型盘式干燥机在结构设计中应该注意的几个问题进行分析。

4.1 进料口位置

小型盘式干燥机的进料口位置可以根据需要随意布置，但是大型盘式干燥机只能采取中心喂料，并应在喂料口下方设置布料装置，如图2所示。布料装置可使物料尽可能均匀地分布在干燥盘上，并使刮刀尽快将堆积的物料摊平。如果大型盘式干燥机采用侧面喂料，大量物料进入干燥机后会堆积在第一层干燥盘的表面，而刮刀又来不及将物料刮走，导致物料越积越多，造成下料不畅。另外，由于横臂每次转到下料口处都必须从堆积的物料中穿过，物料堆积会造成主轴上的阻力急剧变化。即当横臂进入料堆时阻力突然增大，当横臂离开料堆时阻力又突然减小。这种不均衡的受力会造成整个主轴产生剧烈的振动，甚至引起刮刀与干燥盘面发生剐蹭而受到损坏。图4就是对上述情况的模拟。

图2 ∅4500-21型盘式干燥机剖面图

图3 ∅4500-21型盘式干燥机截面图

图4 盘式干燥机侧面喂料对横臂运动的影响

4.2 干燥盘结构

干燥盘是盘式干燥机的关键部件，它将饱和蒸汽的热量传递给物料，使物料升温干燥。另外，干燥盘的成本可占到整机成本的75%左右。因此，在设计干燥盘时应予以特别重视。

干燥盘的结构按上、下盘面的固定形式可分为支柱式、折流板式和冲压式三种。这三种结构各有优点，在小型干燥机上都有使用。但在大型盘式干燥机中，干燥盘的结构往往都采用折流板式的焊接结构，如图5所示。

图5 折流板式干燥盘内的蒸汽流向

为了方便检修和更换，每个干燥盘都分成4～8个独立的扇形小盘（见图5）。这些扇形盘由钢板制成并焊成一体，顶部磨损面的钢板厚度为10 mm，底部非磨损面的钢板厚度为6 mm，分别被焊到由折流板组成的框架上。该结构可以承受3个大气压以上的蒸汽压力。为了保证刮刀平稳运转，干燥盘顶部的钢板平面度不得大于4 mm。为了保证干燥盘上的物料厚度，在干燥盘的内、外缘上都应焊上一定高度的挡料板。为了提高干燥盘的有效面积，通常大型盘式干燥机的干燥盘都不采用大、小交替的布置形式，而是所有干燥盘都大小一致，并在每个扇形盘的内侧或外侧开2～3个排料孔。一般情况下，干燥盘之间的间距为25 cm，干燥盘内的气室高度为3.2 cm。

需要注意的是：虽然所有的干燥盘规格都相同，但是随着半焦含水量的减少，每个干燥盘的蒸汽冷凝量是逐渐递减的。这样就会造成干燥盘进口、出口处的压差随着蒸汽冷凝量的增大而增大，即位于干燥机相对下部的干燥盘排气压力要高于上部。因此，主排气管内的蒸汽就会向上流动，影响上部干燥盘的排气，从而造成整个干燥机的效率下降。

为了防止上述现象的发生，可在每个干燥盘上都安装疏水阀。通过表3中的数据可以看出，通过安装疏水阀可以将干燥盘的单位面积蒸发强度提高16%。

表3 安装和不安装疏水阀时干燥盘单位面积蒸发强度

4.3 筛分盘

半焦在捞渣、输送和转运过程中难免会发生碎裂。破碎的半焦由于其粒度较小，所以干燥速度较快，往往不等到达底部的干燥盘就已经完全干燥，如果继续加热的话就可能会发生自燃。为了避免过干燥情况的发生，需要在干燥机中部偏下的位置设置一个筛分盘（如图2所示）。该筛分盘由钢板制成，上面开着正方形的筛孔，从内到外筛孔尺寸逐渐增大。

筛分盘的作用是将物料中的大块与小块分开，不能透过筛孔的大块物料被刮到位于筛分盘外缘的排料孔内，沿着原定线路继续干燥；而能透过筛孔的小块物料则会掉到筛分盘下面的干燥盘上，并被刮刀刮到干燥盘内缘，通过与横杆相连的细料溜槽直接跨过剩余的干燥盘掉到干燥机底部，与已经干燥的大块物料混合在一起从出料管排出。

4.4 刮刀角度

在盘式干燥机中，刮刀通过横臂与主轴固定在一起（见图3）。当主轴旋转时，干燥盘上的物料就会在刮刀的作用下，沿着圆周方向和半径方向不断翻滚。通常每个干燥盘上都会有4～6个均布的横臂，而每个横臂上都装有9～16个刮刀。对于一台具有21个干燥盘的干燥机来说，其刮刀的数量高达1300多个。因此，盘式干燥机的使用性能在很大程度上取决于刮刀角度α的调整（见图3）。如果刮刀角度α调整不当，可能会导致盘式干燥机的产能下降13%左右。

刘鸿燕[4]等通过理论分析和试验研究，认为刮刀角度α在45°～55°时，热效率最高。而在实际设计中刮刀角度的取值也是在该范围内的。需要特别指出的是，对于小型盘式干燥机来说，所有刮刀都可以采用相同的角度，但是对于大型盘式干燥机则不能如此，否则会出现问题。图6是模拟物料在干燥盘上分布的情况。从图中可以看出，当所有刮刀角度相同时，越靠近干燥盘的外缘，露出的表面就越多，这些裸露的表面起不到任何加热作用，从而造成干燥盘热效率大大降低。这是由于主轴转动时位于外侧的刮刀比内侧的刮刀扫过的面积大，所以外侧的刮刀输送物料的能力就比内侧的强。为了避免上述情况发生，使物料能够均匀地分布在整个干燥盘表面，可以通过适当加大外侧刮刀的角度来降低它的输送能力，从而保持内、外侧刮刀输送物料的能力相接近。这样一来，同一横臂上刮刀的角度就会随着其所处的位置不同而不同。因此大型盘式干燥机不能采用相同的刮刀角度。

图6 物料在干燥盘上的分布

表4是∅4500-21型盘式干燥机的性能参数，该干燥机在使用中取得了良好的效果。

表4 ∅4500-21型盘式干燥机性能参数

5 结论

盘式干燥机用于干燥半焦的实例还较少。另外，大型盘式干燥机的设计也与小型干燥机有很大的不同。除了上述问题以外，更多的问题还需要在实际应用中才能体现出来，只有通过不断地改进才能使产品更加完善。

[1]刘广文.干燥设备设计手册 [M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]金国淼.干燥设备[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3]朱振华，徐成海，龚素芝.物料在盘式连续干燥器干燥盘上运动规律的研究 [J].化工装备技术，2003,24（5）：1-3.

[4]刘鸿燕，张及端.盘式连续干燥器中耙叶安装角度的改变对干燥速率影响的研究 [J].化工装备技术，2004，25（3）：1-4.

[5]朱振华，徐成海.盘式连续干燥器中物料在干燥盘上停留时间的研究 [J].长春理工大学学报，2004，27（3）：58-60.

Design and Development of Large-Scale Disc Dryer for Semi-coke

Wang KaiZhang Haoyuan Zhu Shifeng

The design and development process of large-scale dryer for semi-coke are mainly introduced.The selection of main design parameters and matters needing attention in large-scale disc dryer are expounded.The large-scale dryer for semi-coke has filled the gap of the market,promoted the upgrading and transformation of the semi-coke production enterprises,and raised its resource and economic benefits.

Disc dryer;Semi-coke;Steam;Drying disc;Design;Technical parameter

TQ 051.8+92

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.001

2017-02-20)

*王凯，男，1981年生，工程硕士，工程师。洛阳市，471039。