低温风透干燥技术在煤样制备中的应用研究

2020-08-05张仲焘龚伟业

煤质技术 2020年4期

张仲焘，龚伟业，谭为

(湖南三德科技股份有限公司，湖南长沙 410205)

0 引言

对于煤样的制备过程，各国均有相应标准规定。煤样的制备准则涵指在不破坏煤样代表性的前提下将煤样粒度、质量逐渐减少至符合化验室对煤样粒度和质量要求[1]。而在目前的煤样制备过程中，多数煤样在制备前的外水含量较高，极易造成后端破碎、输送、缩分、粉碎等制样环节中黏附、堵料等问题，既影响煤样制备的顺利进行，也影响煤样制备的效率和精度。在煤样流转的各环节中，煤样的黏附导致前后样之间交叉污染从而影响化验结果[2]，需在煤样制备前、制备中干燥除湿处理。

刘振喜[3]介绍了SDVD3 mm风透干燥机的组成及工作原理，指出风透干燥机的干燥效率较传统烘箱干燥方式提高约4～7倍，且干燥过程中煤样的损失量小于样重的0.10%。秦晓东等[4]通过对SDVD风透式快速干燥机的水分偏倚、干燥效率及煤样损失率等参数的测定，研究表明SDVD风透式快速干燥机在不影响煤样代表性的前提下可符合国标要求，其干燥效率远超传统的干燥方式，可有效解决煤样干燥过程中劳动强度大、干燥效率低的难题。杨匀龙[5]在分别对比传统干燥方式各自优缺点的基础上提出了1种热气流煤样快速干燥方法，并通过实验测试得出热气流干燥法可有效对煤样进行干燥预处理、干燥效率高且不影响煤样本身化学特性的结论。李兴旺等[6]研究提出不同煤种的干燥时间、冷却时间是影响煤样达到空气干燥状态的主要影响因素，即内水较低的煤样可通过鼓风干燥箱50 ℃下干燥60 min、再冷却约45 min使其达到空气干燥状态；内水较高的煤样在50 ℃下的干燥时间不宜超过60 min，冷却时间至少超过30 min。高正阳等[7]通过4 种煤样在热天平空气气氛下的干燥试验以分析含水量和干燥温度对煤样干燥特性的影响，采用薄层干燥模型对煤样的等温干燥过程进行数学解析，得出不同煤样、不同温度的干燥速率曲线趋势在等温干燥过程中基本一致，并经历升速干燥、恒速干燥和降速干燥阶段。

虽目前已有煤样传统干燥干燥方式各自优缺点与应用的对比分析以及相应风透干燥方法的提出，也有通过风透干燥原理样机的水分偏倚、干燥效率及煤样损失率等参数测定而得出风透干燥效率远超传统干燥方式的结论，但在干燥筛网的选择、筛网的使用寿命、干燥过程中煤样损失、干燥控温研究、条件结束判断等方面却少有研究。在保证样品完整性和代表性符合国标要求的前提下，以下进行风透干燥相关问题的相关探讨，以期为后续煤样干燥技术的改进研究提供理论参考和数据支撑。

1 风透干燥技术原理

通过热风均匀完全穿透煤样颗粒层，大幅增加煤样与热风的接触面积并随着热风穿透流动将煤样中的外在水分裹带排出。风透干燥过程如下:① 热风与煤样之间热传导过程，即煤样被热风加热后外在水分达到汽化的过程；② 煤样外在水分汽化后的湿气扩散进入热风中的传质过程，同时湿气从煤样内部扩散并源源不断地到达煤样表面，即湿气在煤样内部的传质过程。因此，煤样干燥的过程伴随着传热和传质同时发生，且相互影响、相互制约。

风透干燥过程简要概括为均匀穿透、充分接触、水气扩散、强制流动、持续传质等。① 均匀穿透:干燥空气经加热后在风机(高压低风量)作用下进入干燥腔，在干燥腔煤层上部形成相对高压区。摊平后的煤样均匀分布筛网上(筛网透气不透煤)，因此可实现热风均匀穿透煤层的效果。② 充分接触:热风经过干燥腔进风口处均流后进入干燥腔内，此时热风温度更加均匀，风速降低，热气均匀穿透煤层时与煤样充分接触。③ 水气扩散:不同温度下空气水气含量不同，如温度为10 ℃、25 ℃、40 ℃、 55 ℃时，其饱和含水量分别为0.009 4 kg/Nm3、0.023 0 kg/Nm3、0.051 1 kg/Nm3、0.104 3 kg/Nm3。空气加热后含水能力增强，温度越高其含水能力越强。热风在穿透煤层的过程中与煤充分接触，煤样被热风加热后外在水分汽化，湿气扩散进入热风中。④ 强制流动:在高压低风量风机的动力作用下，热风连同被汽化的湿气形成定向流动，直至排出干燥设备外。⑤ 持续传质:煤样外在水分汽化后的湿气扩散进入热风中，同时湿气从煤样内部扩散源源不断地到达煤样表面，湿气在煤样的表面和内部持续传质，直至水气达到相对平衡的状态。

2 风透干燥物理模型

低温风透干燥实验平台如图1所示，其工作原理如下:控制系统15下发煤样干燥指令后，干燥筛盘10旋转至水平状态，在筛盘密封装置7的作用下可靠锁止。待干燥煤样9从入料口3进入干燥腔落至干燥筛盘10上，入料完后入料口阀门5自动关闭，升降旋转机构2从最低位边旋转边上升，上升至最高位(离开煤面)后，煤样被均匀摊平。然后先启动鼓风装置14，后启动加热组件6，空气通过鼓风装置14，经过加热组件6被加热后通入干燥腔内，干燥腔内的温度通过温度传感器8实时监测，并反馈至控制系统15进行实时调控。热风在干燥腔内形成正压，均匀穿透干燥煤样9，与煤样颗粒充分接触并进行热传导，穿透煤层且透过干燥筛盘10后通过排风装置11将其排出到设备外。通过湿度传感器4感应煤样干燥程度，待达到后端制样所需阀值时，停止煤样干燥，筛盘密封装置7打开，干燥筛盘10向下翻转至落料状态。倒料完成后启动筛盘清扫装置12对干燥筛盘10反向喷吹清扫，为下一个煤样的干燥预先准备。压差传感器1用于监测干燥腔内风压，风压异常时报警。电比例控制阀13用于干燥腔内风量的调控。其中，干燥筛盘模型及实物如图2所示。

3 风透干燥技术研究

3.1 筛网选择

将煤样放置于上述风透干燥实验平台上所用的干燥筛盘上，热风穿透煤层并透过干燥筛盘再通过排风装置将湿气排至设备外。因此，干燥筛盘的制作原则是透气不漏煤且有一定的承载能力。干燥样盘的工作机理是利用微滤膜的筛分机理截留直径大于0.1 μm的微粒。大于膜孔的煤微粒被截留，在风压的作用下，煤粒中湿气则夹杂在热空气中排出而达到干燥除湿的目的。微滤膜平均膜孔径0.02 μm～10 μm，膜的物理结构、孔的形状和大小决定膜的分离效果[8-13]。

基于上述原则，初步选择膜孔径分别约0.2 μm～0.4 μm的东丽膜、0.4 μm～0.5 μm的惠纶聚膜、5 μm不锈钢过滤网、10 μm不锈钢过滤网该4种材质的微滤膜用于制作干燥筛盘。

3.1.1干燥性能对比试验

实验煤样为3 mm褐煤，煤样质量约200 g，干燥时间10 min；干燥温度:≤40 ℃；加热方式:PTC加热器，功率2 kW；鼓风方式:从上向下鼓风；鼓风风机:风压11 kPa，风量83 m3/h。

筛网干燥性能对比试验数据见表1，其中煤样为褐煤，煤层厚度均为10 mm，干燥时间均为10 min。实验结论:①使用不同材质的微滤膜对煤样进行干燥，未见明显煤粉损失。②对同种湿度较大的煤样进行干燥后，不锈钢材质滤网中的煤样干湿程度较均匀，滤网上煤样黏附量极少，通过拍打滤网，可对明显可见的煤粉进行清理；而东丽膜与惠纶聚膜2种材质滤网中的煤样未完全干透，筛网底部仍有较大湿气，且有较多煤粉黏附其上，难以清理干净。③连续干燥实验23次后，10 μm和5 μm不锈钢滤网干燥全水为30.02%的褐煤时，其10 min干燥效果明显下降，5 μm不锈钢滤网刚好达到后端制粉要求。原先通过拍打滤网的清理方式很难对已有堵塞的滤网清理干净，而通过高压气枪对两滤网清理后，10 μm不锈钢滤网可恢复至未使用前状态，但5 μm不锈钢滤网恢复效果较差，随着使用次数的增加，其恢复程度更差。因此，初步选择10 μm不锈钢过滤网作为筛盘制作材料。

表1 筛网干燥性能对比试验Table 1 Contrast test of drying performance of screen

3.1.2干燥筛盘使用寿命测试

(1) 10 μm不锈钢滤网使用寿命测试。测试实验平台为上述实验装置，实验条件同上，此处不再赘述。将10 μm不锈钢滤网制作成的干燥筛盘，在上述实验装置中翻转至水平状态，密封且锁止，通过压差传感器1测试干燥腔的初始空载气压为460.6 Pa，然后加载3 mm褐煤(全水约31.50%)进行风透干燥实验，每次干燥落料后对筛盘通过筛盘清扫装置12通入高压气进行反面清理，实验58次后干燥完毕煤样仍可达到后端制样的要求，但干燥效率逐渐下降，干燥筛盘的气阻逐渐增大，表明干燥筛盘逐渐堵塞，干燥筛盘使用寿命首次实验数据见表2，其中干燥时间均为10 min。

表2 筛网寿命首次测试数据Table 2 Screen life of the first test

由表2数据可知:前26次空载气阻从460.6 Pa增至1 323 Pa，平均每次气阻增加约33.2 Pa；26～47次空载气阻从1 323 Pa增至2 093 Pa，平均每次气阻增加约36.7 Pa，47～58次空载气阻由2 093 Pa增至2 524 Pa，平均每次气阻增加约39.2 Pa，若每次试验后筛盘气阻增加按40 Pa推算，气阻增加至5 537 Pa(人为将干燥筛盘堵塞后进行干燥的煤样勉强能达到后端制样效果)为止，依此推断10 μm新不锈钢网筛盘在风压11 kPa、风量83 m3/h的风机下针对全水为31.50%、外水约10%的3 mm褐煤可重复使用140次左右。

(2)20 μm不锈钢滤网使用寿命测试。同等实验条件下进行20 μm不锈钢滤网使用寿命测试。将20 μm不锈钢滤网制作成的干燥筛盘，在同等条件下进行实验测试，其初始空载气压为137.2 Pa，每次干燥落料后对筛盘通过筛盘清扫装置12通入高压气进行反面清理，实验数据见表3，其中干燥时间同样均为10 min。

表3 筛网寿命再次测试数据Table 3 Screen life of the second test

由表3数据可知，在煤样干燥实验过程中，每次干燥完成后对筛盘反面进行高压气清理，20 μm滤网在11 kPa风机下重复实验，其空载状态下气阻增加不明显，实验次数达到75次后其空载风阻由137.2 Pa增至273.5 Pa，平均每次气阻增加约1.82 Pa，而空载气阻若达到5 880 Pa时(人为将干燥筛盘堵塞后进行干燥的煤样勉强能达到后端制样效果)，初步估算其使用次数约为2 870次(平均每次气阻增加按2 Pa计)，远高于10 μm滤网。

(3) 20 μm不锈钢滤网煤粉损失测试。①实验条件:实验煤样为3 mm煤样，煤样质量约100 g，干燥时间10 min；干燥温度:≤40 ℃；实验设备:恒温干燥箱、低温风透干燥机。②实验步骤:在将试样制备成基本无水的理想状态下，称取粒度为3 mm的试样约100 g，放置于107 ℃的恒温干燥箱中干燥至恒重后，取出立刻称取其质量。迅速将恒重后的试样放入低温风透干燥机中进行干燥，干燥筛盘采用20 μm不锈钢滤网制作，干燥温度40 ℃，干燥时间10 min，干燥结束后及时称量，查看其质量变化情况。将风透干燥后的试样继续放置于107 ℃的恒温干燥箱中干燥至恒重，对比前后2次恒重后质量(两者差值即风透过程中样品的损失量)。③按照上述实验步骤用不同煤种反复实验，筛网煤粉损失实验数据见表4。由表4可知，将3 mm不同煤样进行低温风透干燥，在干燥过程中几乎均无损失，由于实验称量用电子天平最小称量精度为0.1 g，故采用20 μm不锈钢滤网制成的干燥筛盘在低温风透过程中样品损失小于0.1g，因此煤粉损失可忽略不计。综上所述，低温风透干燥机中干燥筛盘优先选用20 μm不锈钢过滤网制作，其干燥效率满足使用要求，干燥过程中煤粉损失可忽略不计，且不易堵塞，使用寿命长。

表4 筛网煤粉损失实验数据Table 4 Test data of pulverized coal loss on screen

3.2 干燥控温

在煤样干燥过程中需对通入干燥腔的热风温度实时调控[14]。由于国标要求温度不大于40 ℃或50 ℃，干燥温度过高则易破坏煤样特性，而温度过低则影响干燥效率，因而实时自动调节干燥温度以达到高效干燥的目的。

(1)干燥控温模型。控温模块主要由温度传感器、湿度传感器、控制系统等组成，其中温度传感器用于监测干燥腔内的热风温度，湿度传感器用于监测干燥腔内煤样的实时湿度并反馈给控制系统，及时调节加热组件的加热功率或速率。

(2)加热功率调节。加热功率调节包括加热最高温度控制、干燥过程实时调节两大方面。①加热最高温度控制。在干燥过程中根据干燥腔内温度传感器反馈实时温度，从而实时调控加热组件功率，以使干燥腔内的最高温度控制在国标要求的温度不大于40 ℃或50 ℃范围内。②干燥过程实时调节。结合煤样特性和在干燥过程中湿度传感器实时反馈湿度，实时调控加热组件功率以达到既高效又经济的干燥目的。煤样干燥控温曲线如图3所示。

图3 煤样干燥控温曲线Fig.3 Drying temperature control curve of coal sample

(3)加热速率调节。在煤样干燥过程中，除了加热最高温度调控外，还可通过加热速率调节以达到整体高效、经济的干燥目的。通过设置与湿度传感器相配合的电比例控制阀，实时调节干燥热风输送气压量。①干燥初期。湿度传感器检测到煤样湿度较大时调大电比例控制阀的阀门开度，进而增大干燥热风输送气压量，使得更多的热风更快地输送至干燥腔内，加大前期的干燥效率从而提高干燥效果。②干燥后期。随着干燥的后期进行，湿度传感器实时检测煤样湿度；随着煤样湿度越来越小，电比例控制阀调小阀门开度，进而减少干燥热风输送的气压量，避免导致煤样持续升温而破坏煤样的代表性，有利于后续的煤样分析作业，不会造成由于煤样过干燥而在后端破碎时产生扬尘的样品流失。

3.3 干燥结束判断

不同煤样的水分含量不同，干燥除湿的过程也不同。煤样未干透易导致后端制样时的黏附和堵塞；煤样过干燥则导致后端制样时产生扬尘，从而破坏样品的代表性，因此需设置煤样干燥的结束条件。

(1)入料前外水含量检测。在煤样进入制样系统之前，对煤样的外水含量进行检测,当样品的外水含量大于预设值时再对煤样进行干燥。

(2)煤样风透干燥。当样品的外水含量大于预设值，煤样可进入低温风透干燥设备中进行干燥。

(3)干燥结束判断。在煤样干燥过程中实时采集低温风透干燥设备出风口处的水分含量，再通过以下方法判断:① 曲率判断。将出风口处实时水分含量随时间变化的曲线进行求导，查看结果变化趋势；若在一定时间内变化结果趋于一致，则可判定为干燥去水已趋于稳定，结束干燥。②与预设阀值比较。将出风口处实时检测的水分含量值与设定阀值相比较，当实测的水分含量值不大于设定阀值时，结束干燥。③积分作差比较。将出风口处实时检测的水分含量随时间变化曲线上相邻的相等时间段内求积分运算，然后求差；若求差结果接近于零，则表示风透干燥去水已趋于稳定，结束干燥[15]。