一种生焦干燥及尾气处理工艺的技术研究

唐浩(宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900)

0 引言

煤系针状焦是生产超高功率石墨电极的主要原料，是由煤沥青经过原料预处理、延迟焦化和煅烧三个工序生产的。延迟焦化生产的针状焦含有较高的水分和挥发性组分，称为生焦，需进行高温煅烧处理才能作为高功率、超高功率石墨电极的原料。煅烧的目的是脱除生焦中的水分和挥发分，提高焦炭的含碳量、密度、强度、导电性和化学稳定性[1-2]。

煅烧的过程实质上是生焦在回转窑中经预热、水分蒸发、挥发分逸出及最终烧成的过程，对于煤系针状焦其煅烧温度为1400～1500 ℃，煅烧的热源主要由外供燃料、挥发分燃烧以及焦炭的自身燃烧来提供。正是由于回转窑煅烧针状焦时所需求的温度较高，而针状焦生焦的挥发分一般较低约为6%左右，因此为了达到煅烧所需热量，除需要大量外供燃料外，还增大了针状焦的炭质烧损，造成了大量的浪费，导致煅烧收率较低，一般仅达到70%～72%[2]。在此情况下，如果能够降低生焦含水量，则势必会对降低生焦烧损起到一定的积极作用。同时，生焦作为电池负极材料的重要原料，对来料水分的要求也较为严格，一般不得高于5%。

本文根据某企业的实际生产情况，设计选用了滚筒式干燥机用于生焦干燥过程并针对性设置了干燥尾气处理装置。

1 基础条件

某企业新建一套煤系针状焦生产装置，延迟焦化产出的生焦含水率较高，特增设一套生焦干燥装置，要求每小时烘干后生焦成品产量为12 t，干燥机采用间接加热，干燥介质为0.8 MPa饱和蒸汽，另要求干燥过程严格控制生焦粉末率。干燥过程产生的尾气所含焦粉粒子、焦油类异味(H2S、氨、焦油雾等)及水分等物质也应当得到有效控制，不得直排大气。具体设计条件如下：

该装置设计每小时干燥能力为12 t/h(干基)；

湿物料初含水率P1=12%(干燥机进口)，初始温度：T1=30 ℃；

干基物料含水率P2=3%(干燥机出口)，终了温度：T2=100 ℃；

干燥间接加热介质： 0.8 MPa饱和水蒸汽，工作温度169 ℃；

干燥车间温度30 ℃，干燥机排潮温度90 ℃，潮气按70 ℃出现冷凝水计算。

2 干燥设备的选择

2.1 设备选择

自延迟焦化而来的生焦普遍具有块径大、易粉碎、待除水分主要为外在水的特点，在干燥设备的选择时既要考虑换热性能，又要充分考虑其耐蚀性、耐磨性和防冲击性。经综合考虑选用了回转列管干燥机，其主要由筒体、内加热管束、外加热伴管、滚圈、托轮、电机、减速机等传动机构、底座支撑装置和旋转接头、高温球阀等附属装置组成，以低压饱和蒸汽作为传热介质，主体略带倾斜并能作回转运动。

2.2 设备工作原理

将蒸汽通过旋转接头加入干燥机，蒸汽进入干燥机后通过筒体外壁及内加热排管间接与物料充分接触。湿物料从较高端进入干燥机筒体与加热排管的空间，物料在带有倾斜度的筒体回转作用下向尾部移动，物料在移动过程中，受到筒体内特殊结构及布置的抄料板和加热排管的连续翻动，在干燥机内均匀分布与分散并不断地撒落在管束上，极大加快了湿物料在干燥机内的传热、传质过程，最后完成干燥过程的合格物料由干燥机尾部的排料口均匀地排出，进入下一道筛分工序。

该滚筒式干燥机传热面积大，热效率高。单位容积的干燥能力是常规间接加热干燥机的3倍以上，热效率高达95%；对物料特性的适应性比较强，物料干燥范围大，物料干燥的均匀性好；干燥机内部关键结构采用不锈钢材料；尤其是筒体外覆伴管的独特结构，既强化了对已分散物料的清扫和热传导作用，又消除了筒体内壁的沾粘现象，对物料水分、粘性变化的适应性更强，同时极大地延长了设备使用寿命。

3 干燥物料及热量衡算

3.1 干燥物料衡算(按每小时为单位)

干燥前后绝干物料质量不变：M=12×103×(1-3%)=11 640 kg；

初始含水量：M1=M÷(1-12%)×12%=1 588 kg；

终了含水量：M2=M÷(1-3%)×3%=360 kg；

水分蒸发量：M3=M1-M2=1 588-360=1 230 kg。

3.2 干燥热量衡算(按每小时为单位)

(1)生焦升温所需热量Q1

生焦碳的比热容1.8 kJ/kg·℃

(2)水分吸收热量Q2

水的比热容：Cs=4.18 kJ/kg·℃；

90 ℃水的蒸发热：△H=2.283×103kJ/kg；

产品生焦所含水分吸收的热量：

蒸发出的水分吸收的热量：

因此水分吸收总热量：

(3)空气带走热量Qq

干燥车间平均温度30 ℃，相对湿度30%，气压101 kPa；干燥车间空气密度ρq约：1.154 488 kg/m3；净含干空气约：1.145 144 kg/m3；净含水汽约：0.009 344 kg/m3。

干燥机排潮系统中，布袋除尘器露点温度一般取70 ℃，相当于潮气温度90 ℃，相对湿度20%，其参数如下：空气密度约：0.918 341 kg/m3；净含干空气约：0.719 816 kg/m3；净含水汽约：0.198 525 kg/m3。

干燥机温度90 ℃，相对湿度20%潮气中1 kg净干空气净含水汽约0.275 8 kg。

干燥车间温度30 ℃，相对湿度30%空气中1 kg净干空气净含水汽约0.008 16 kg。

干燥机1 h需要温度30 ℃，相对湿度30%的空气量Vk：

干燥机1 h排出温度90 ℃，相对湿度20%的潮气量Vc：

空气比热容Cs=1.011 256 kJ/kg·℃；

空气带走的热量：

3.3 干燥机干燥效率

回转列管干燥机换热效率据经验取95%计，故实现以上干燥能力所需热量为：

3.4 蒸汽耗量计算

滚筒式干燥机排水温度为140 ℃左右；

水的比热容：Cs=4.18 kJ/kg·℃；

4 干燥尾气的处理

在生焦干燥过程中，水分经过间接加热而蒸发，同时伴随干燥机的回转运动，焦块承受反复跌落冲击产生一定量的焦粉扬尘，以及随温度升高部分挥发分的逃逸，形成成分基本为焦粉粒子、焦油类异味(H2S、氨、焦油雾等)及水蒸汽等的尾气混合物。性质特点为含尘、粒度细、形状不规则含湿量大、温度高、腐蚀性，会对后续除尘系统要求比较高，若采用传统布袋除尘器，则极易造成粘结、糊袋，从而让布袋除尘器阻力加大，直至失去作用，严重影响干燥机的生产效率。这都使得烟气净化除尘具有了相当大的难度。针对该情况，如何选用高品质的除尘及清灰技术就成了关键所在。

目前，在工业尾气排放时使用的除尘形式主要有：湿式除尘和干法除尘两大类。根据国内外的大量工程实践经验表明：湿式除尘器投资较大，腐蚀严重，而且会造成二次污染。旋风除尘因对≤5 µm颗粒分离效率很低，很难达标排放。静电除尘器在除尘效率及二次污染方面都优于湿式除尘器，但在使用过程中，影响除尘器性能的因素太多，比如：烟气粉尘的比电阻、粉尘的粒度、粉尘的浓度、甚至粉尘的湿度、温度都会对除尘效率有较大的影响，而这些因素又是在生产中难于控制合适的因素，任何生产工况都很难保持特别稳定，且一次性投资大。因此静电除尘器有一定的局限性。脉冲袋式、滤筒除尘器在湿度大的工况下使用效果较差。

与以上除尘器相比，塑烧板除尘器就比较好的克服了这些弊端，该除尘器处理烟尘量大，可以做到微米级孔径，除尘效率高能够达到99.5%以上，疏水性好，耐湿、耐油能力强，而且维护费用低，塑烧板滤芯为刚性结构，强度好，反吹清灰效果好，又无骨架磨损，使用寿命相对较长。但其耐温性能较差，处理温度较高的含尘含湿气体时，需配套前置降温器。利用光氧净化装置进一步对除尘后的尾气进行处理，其主要通过高臭氧UV紫外线的照射，裂解分子链结构，使生焦干燥逃逸的挥发性有机物分子链降解转变成低分子化合物，如：CO2、H2O等。

干燥尾气处理的工艺流程简图如图1所示。

图1 干燥尾气处理的工艺流程简图

5 结语

通过对延迟焦化而来的含湿生焦采用滚筒干燥机干燥后，其水分可以控制在3%左右，满足后续负极材料加工的要求，也一定程度上降低了生焦煅烧过程中的烧损率，同时也降低了生焦输送过程中对输送设备的腐蚀情况。其配套尾气处理装置，能够有效净化干燥尾气，使其达标排放。综合以上，本文所述滚筒式干燥机及其尾气处理装置具有一定的推广使用价值。