粉煤蒸汽管回转干燥机出料箱的设计*

姚 鹏 李盈海

(南京天华化学工程有限公司)

粉煤蒸汽管回转干燥机出料箱的设计*

姚 鹏 李盈海

(南京天华化学工程有限公司)

探讨了粉煤蒸汽管回转干燥机出料箱的结构设计、密封设计及安全设计等要求，重点论述了支撑弹簧的设计。

蒸汽管回转干燥机 粉煤 出料箱 支撑设计

粉煤通过干燥处理，一方面可以提高热值和能量密度，降低运输成本，另一方面还可以提高下游装置的利用效率，降低设备规模[1]。蒸汽管回转干燥机是一种高效热传导型干燥设备，已成功应用于焦煤、褐煤和烟煤的干燥和提质。出料箱是干燥机的关键部件之一，其内孔与旋转的密封面之间设置有密封结构，物料经干燥后从出料箱的底部排出，干燥后的尾气从出料箱顶部排出。出料箱的结构设计对干燥机的长周期运转有很大影响。

1 出料箱设计

某项目粉煤干燥机的尺寸规格为φ2 440mm×17 000mm，考虑到粉煤的易燃易爆特性以及现场要求无泄漏，采用中心出料方式。

1.1 连接结构

干燥机运转过程中，筒体属于转动部件，出料箱处于相对静止状态。筒体和出料箱的连接采用回转支承轴承定位，如图1所示，轴承内圈和筒体法兰连接，随着筒体转动，轴承外圈通过轴承支架和出料箱连接，相对于筒体静止。回转支承轴承是一种能够同时承受较大的轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩等综合载荷的大型轴承。回转支承轴承本身具有结构紧凑、引导旋转方便、安装简便及维修容易等特点，被广泛用于大型回转装置上[2]。

图1 出料箱连接结构

1.2 整体结构设计

粉煤属于易燃易爆介质，为了安全生产，在出料箱上设计了防爆门。由于此项目为出口项目，防爆门的设计要满足标准NFPA68-2007[3]。根据计算，干燥机的泄爆面积不小于3.8m2，考虑到设备布置，将防爆门放置在出料箱上部，设计6个防爆门来保证泄爆面积。

由于出料箱整体尺寸和质量较大，考虑到安装和维护的方便，将干燥机出料箱分为上下两部分，通过法兰连接，出料箱整体结构设计如图2所示。

图2 出料箱整体结构设计

1.3 密封设计

干燥机运转过程中，筒体相对于出料箱转动，为了防止干燥后的粉煤从转动部位泄漏，采用的密封结构如图3所示。出料箱上安装填料函，填料函中间设有隔板，隔板两侧安装密封氮气入口接管、冷却水入口接管和冷却水出口接管。填料函内安装PTFE盘根作为密封填料，盘根之间安装孔环，密封氮气通过孔环上的入口对填料进行吹扫，防止煤粉进入盘根，影响密封性能。冷却水通过接管进入填料函内部，对密封面进行冷却，延长盘根使用寿命。另外，干燥机运行中，需要定期给填料补充油脂，以降低盘根和密封面之间的摩擦，增强密封效果。

图3 出料箱密封设计

1.4 支撑设计

1.4.1 支撑整体设计

干燥机运转过程中，出料箱箱体处于相对静止(图4)，出料箱支腿和基础连接，箱体上设计有支座，支座通过支撑组件和支腿连接。

图4 出料箱支撑整体设计

1.4.2 支撑组件设计

干燥机工作时随着温度的升高，筒体会产生轴向膨胀，所以出料箱必须考虑筒体的轴向位移。笔者的设计理念是：将支腿和基础固定，支腿和出料箱体之间通过支撑组件连接。

支撑组件结构如图5所示，其下端是一个带沟槽的滑轮，干燥机支腿上焊接一个角钢作为滑轮运动的限位块，干燥机工作时，产生热膨胀，干燥机滑轮以限位角钢为轨道滑动。滑轮支座和干燥机出料箱支座之间安装支撑弹簧，用来支撑出料箱。运行过程中出料箱发生跳动时，支撑弹簧可以吸收跳动量，保证干燥机的正常运行。支撑弹簧中间安装弹簧定位杆，干燥机支座上安装调整弹簧，用来调整支撑弹簧。滑轮止转杆阻止干燥机在启动过程中由于筒体的扭转力导致支撑组件产生很大的翻转。

图5 出料箱支撑组件

1.4.3 支撑弹簧设计计算[4]

先根据设备运行情况，确定出料箱最小工作载荷P0,1=57kN，最大工作载荷P0,n=59.5kN。取弹簧数量z=4，计算出弹簧最小工作载荷P1=P0.1/z=14250N，弹簧最大工作载荷Pn=P0,n/z=14875N。根据设备特点和工程经验，假设弹簧工作行程h为4±1mm，初算弹簧刚度P′=(Pn-P1)/h=156.3N/mm；计算工作极限载荷Pj=Pn/0.8=18593.8N。

1.4.4 滑轮轴的设计

滑轮轴尺寸如图6所示，最大支撑载荷为59 500N，由于滑轮轴的数量为4，所以每个滑轮轴的最大支撑载荷为14 875N， 平均载荷q=14875/0.13=114423N/m。

图6 滑轮轴尺寸简图

危险截面(B、C)疲劳强度校核：

弯矩MB=MC=q·|AB||BC|/2=114.42N·m，截面系数Z=πd3/32=6.28×10-6m3，危险截面安全系数：

查表得到，45#钢的弯曲疲劳极限σ-1=240MPa，弯曲时的有效应力集中系数Kσ=2.05，拉伸平均应力折算系数ψσ=0.34，弯曲的尺寸影响系数εσ=0.88，表面质量系数β=0.95，弯曲应力的平均应力σm= 18.2MPa，弯曲应力的应力幅σa=σm=18.2MPa。

按疲劳强度计算的许用安全系数Sp=1.8，由于Sa≥Sp，危险截面安全系数校核满足条件。

利用赫兹公式校核接触应力：

其中，滑轮轴的最大支撑载荷P=14875N，45#钢的弹性模量E=206GPa，滑轮轴和支座的接触长度l=50mm，滑轮半径R=20mm。

材料45#钢接触面许用接触应力σ=1050MPa，由于σmax≤σ，所以接触应力设计满足条件。

1.5 防爆门的设计

防爆门结构如图7所示，其工作原理是：当压力超过设定压力(正压：+9.8kPa)时，爆破片破裂，释放一定的压力，剩余的压力导致压力释放安全闩锁开启，法兰盖在重力作用下下降，由于铰链的存在，对法兰盖的下降起到限位作用[5]。

1.6 安全及防积料设计

在安全设计上，干燥机出料箱顶部设有工艺水入口，干燥机运行过程中，通过氧分析仪来严格控制含氧量，当含氧量超过设定值时，保护蒸汽管路的阀门迅速打开，向干燥机出料箱内喷入工艺水，降低气体氧含量的同时团聚筒内气体中的粉尘，降低粉尘自燃及爆炸的危险性，确保系统安全。

由于干燥机的出料口相对于出料箱尺寸较

图7 防爆门结构示意图

小，所以出料箱下部需要设计成锥体，锥体的角度需要参考物料的堆积角，不能太小，一般要求大于60～70°。同时，为了更好地防止煤粉粘结在出料箱上，在出料箱上设计振动电机来敲打出料箱。

2 结束语

针对粉煤干燥的特殊要求，笔者对蒸汽管回转干燥机出料箱的支撑设计、密封设计和安全设计结构进行了探讨，为此类干燥机的大型化提供了设计参考。经现场运行检验，此出料箱结构支撑可靠，密封性能良好，保证了干燥机的长周期可靠运行。

[1] 曾在春.褐煤干燥提质技术浅谈[J].化工设计，2011,21(1)：3～5,37.

[2] 郑兰疆，李彦，赵武，等.大型回转轴承的承载性能分析[J].机械设计与研究，2008,24(2)：82～86.

[3] NFPA68-2007,Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting[S].USA: National Fire Protection Association ,2007.

[4] 成大先.机械设计手册(第3卷)[M].北京：化学工业出版社，2011：11～29.

[5] 姚鹏，张娟.一种新型防爆门设计在煤干燥行业中的应用[J].化学工程与装备，2016,(3)：139～140，107.

DischargeBoxDesignforPowderedCoalSteamTubeRotaryDryer

YAO Peng1,LI Ying-hai1

(NanjingTianhuaChemicalEngineeringCo.,Ltd.)

In this paper,the design concerning discharge box’s structure,sealing and safety were discussed and the attention was given to the design of support spring.

steam tube rotary dryer,powdered coal,discharge box,support design

姚鹏(1984-)，工程师，从事化工机械设计工作，yaopengtju@163.com。

TQ053

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0254-6094(2017)04-0407-04

2016-11-23)