大容量搅拌式气透干燥机的研发及性能试验验证

肖鹏飞，周 磊，周树光，付杰勤，游 维

(长沙开元仪器有限公司，湖南 长沙 410100)

0 引 言

煤样制备是煤质分析中最为关键的环节之一[1]。煤样制备一般包括破碎、缩分、混合、筛分、干燥等工序[2]。由于破碎、缩分等设备对煤样湿度有较高的要求，湿度较大的煤样容易给破碎、缩分等后续环节带来黏堵与残留，从而造成煤样之间的交叉污染，样品代表性变差等问题，因此煤样干燥是煤样制备中最重要的环节之一[3]。而在整个煤样制备过程中，煤样干燥效率是制约整个制样效率的关键因素[4]。因此，如何设计一种在不影响煤样代表性前提下，具备高效率、低损失特点的干燥设备，是整个煤炭制样行业一直探索的重点课题之一。

李敬亚等[5]设计了一种煤样分层式干燥设备及方法，用于干燥2 kg以下的3 mm煤样，干燥效率明显高于国标规定的恒温干燥箱法，同时煤样损失率低至0.14%。张仲焘等[6]在干燥温控、干燥结束条件判断以及干燥筛网等方面进行了研究，建立了干燥结束判断模型，避免了煤样干燥不彻底以及过干燥等问题。刘振喜[7]、秦晓东[8]等介绍了一种风透干燥设备的原理与方法，其利用低温热风穿透铺置在筛网上的煤样，配合刮扫装置使热风与煤样充分接触，从而达到使煤样快速干燥的目的，其干燥效率为恒温干燥箱法的4倍～7倍，煤样损失率为0.1%。杜军芳[9]对煤样不同干燥方式对化验指标的影响进行了探讨，结果表明，煤样各种不同的干燥方式对于煤样的化验指标有一定影响。杨匀龙[10]提出了一种热气流煤样快速干燥方法，该方法可快速去除煤样外在水分，有效进行实验室煤样快速干燥，满足制样要求，且不会影响煤样本身特性。

目前，虽已有多种效率较高且煤样损失较少的干燥方法及干燥设备相继提出，但均适合少量煤样的干燥，对于煤量较大时干燥设备的干燥效率以及煤样损失情况少有研究。笔者开发了一种大容量搅拌式气透干燥机，采用螺旋式叶片、蜂窝状气孔、粉料回收系统等设计，使得干燥腔内的大量煤样在螺旋式叶片的带动下，与蜂窝孔中喷出的干燥热空气进行充分热交换，从而实现煤样的快速干燥。为煤炭制备过程大煤样量的快速干燥提供一种有效的解决方法。

1 结构与工作原理

笔者开发的大容量搅拌式气透干燥设备总体结构如图1所示。其主要由干燥筒、搅拌组件、驱动机构、粉料回收系统、热风发生器、称重模块等组成[11]。

图1 大容量搅拌式气透干燥机总体结构Fig.1 Overall structure of large-capacity agitating air-permeable dryer

该干燥设备能单次对小于20 kg的煤样进行干燥，且大部分煤样能在15 min制样节拍内完成干燥，对提高制样效率与煤样代表性有较大作用。该干燥设备的主要参数见表1。

表1 设备主要参数Table 1 Main parameters of equipment

工作原理：控制系统16发出干燥机空闲指令后，待干燥煤样从进料口6进入到干燥筒7内。进料完成后，进气控制阀3被打开，同时热风发生装置以及除湿器开启。热风发生器在温控调节下，将输出空气的温度控制在50 ℃以下某个设定值，并经过除湿器后，将干燥的热空气通过外部进气管道2以及中空搅拌轴14送入到干燥筒内。与此同时，在驱动机构13的作用下，搅拌轴带动螺旋式叶片15在干燥筒内做圆周搅拌。通过中空搅拌轴的干热气流，从螺旋式叶片的蜂窝状空中喷出，与被螺旋叶片抛洒起来的煤样进行充分接触，从而使煤样快速干燥。搅拌轴上设置有3层，每层2组的螺旋叶片，可以使干燥筒内不同层的煤样进行充分混合，从而确保煤样的均匀干燥，同时叶片与煤样的快速机械碰撞使得煤样在干燥过程中形成的结块被分解，保证了出料煤样粒度[12-13]。

与煤样进行充分接触后的残气，将携带煤样中水分以及煤粉从排气管路4进入到真空上料系统5中，残气与水分将从上料系统中钛棒滤芯中排出系统，而煤粉将沉降在上料机下部的锥斗内。待干燥完成后，通过控制卸料阀门8将此处的煤粉放入到出料斗9内，与干燥筒内经出口闸板阀10放出的干燥后的煤样进行混合，从而保证了整个干燥过程中煤样的完整性。干燥筒内完成放料后，系统会启动叶片高速旋转，在叶片端部聚氨酯刮板作用下，筒壁与筒底的残煤将被全部清除进入到出料斗内，从而避免了由于残留的煤样带来的交叉污染。

干燥结束判断：整个设备在安装支座12与干燥主体之间安装有称重模块11，并且干燥主体与进气管路与排气管路以及出料斗之间采用软连接，即可屏蔽此部分对称重的影响。在进料完成后，且干燥设备处于静止状态时，称重传感器将读取进料煤样的质量，然后启动设备工作。在工作10 min后，每1 min停机10 s，对煤样进行称重，系统通过分析称重变化趋势以及前后两次称重差值来判断干燥状态，当差值小于预设的阈值时，结束干燥。

笔者设计开发的大容量搅拌式干燥机实物如图2所示。

图2 大容量搅拌式气透干燥机Fig.2 large-capacity agitating air-permeable dryer

2 性能试验

为了验证所开发干燥机的性能指标，将对该干燥机进行如下试验：

(1)测试大容量搅拌式气透干燥机的煤样损失率；

(2)以国标规定的恒温干燥箱法进行参比，测试最佳试验条件下，大容量搅拌式气透干燥机的干燥效率；

(3)以恒温干燥箱法作为参比方法，搅拌气透干燥方式作为替代方法，针对灰分指标，进行可替代性检验。

2.1 试验程序

2.1.1煤样损失试验

煤样损失试验主要检测干燥系统在各个环节的残留量以及煤粉被残风带出系统的质量。

为了排除煤样中水分对结果产生的影响，损失试验选用国标方法干燥后的6 mm煤样(干基灰分约为28%)进行试验，每组煤样约为5 kg，共进行10组干燥试验。试验开始后，逐一将质量为m0的测试煤样加入到上述干燥设备中，在只给干燥筒内通干燥常温空气情况下，干燥机运行10 min，完成后称量出料质量m1。

按照上述试验步骤，得到煤样损失率为：

(1)

式中，L为煤样损失率，%；m0为干燥前煤样质量，kg；m1为干燥后煤样质量，kg。

2.1.2干燥效率试验

干燥效率是单位时间内，干燥设备所去除煤样水分的能力。

搅拌式风透干燥机的按最佳试验参数进行效率试验，具体试验参数见表2。

表2 干燥效率试验参数Table 2 Drying efficiency test parameters

在干燥效率试验中为了排除取样误差带来的影响，对试验用6 mm煤样(干基灰分约为28%)进行充分混匀，然后用二分器分别取出参比样标号为C1-C10与试验样标号为F1-F10煤样进行干燥效率对比试验。

以恒温干燥箱法进行参比，该方法在操作过程中几乎无损失，因此计算效率时无需考虑损失因素。

此方法的干燥效率为：

(2)

式中，P0为恒温干燥箱法干燥效率，g/h；M0为干燥前试验煤样质量，kg；M1为干燥后试验煤样质量，kg。

搅拌式风透干燥方式，在工作过程中存在一定的损失，损失率为L，因此在计算干燥效率时需要排除煤样损失因素，其效率计算为：

(3)

式中，P1为搅拌式风透干燥法干燥效率，g/h；M0为干燥前试验煤样质量，kg；M1为干燥后试验煤样质量，kg；L为搅拌式风透干燥法干燥过程煤样损失率。

2.1.3可替代性试验

用于可替代性试验的试验参数见表3。

表3 可替代性试验参数Table 3 Replaceability test parameters

按照GB 474煤样制备方法进行煤样制备[14-15]，流程如图3所示。

图3 煤样制备流程Fig.3 Coal sample preparation process

按照上述流程，完成煤样A的干燥试验，并制备出0.2 mm分析样，送化验室进行灰分指标化验。

2.2 试验数据分析

2.2.1煤样损失结果及分析

按照煤样损失试验流程，完成试验后获得10组煤样干燥前后质量数据，由此数据得到煤样损失折线图，如图4所示。

图4 煤样损失Fig.4 Loss of coal sample

由图4试验结果可知，在上述试验条件下，干燥前后最大煤样损失为15 g，最小损失为9 g，平均值为12.1 g，平均损失率为0.24%，远低于国标规定的1%要求。

2.2.2干燥效率结果及分析

按照干燥效率试验流程与试验参数，完成试验后得到试验数据见表4。

由表4数据分析设备方法F与国标方法C的干燥效率对比如图5所示。

表4 干燥效率试验数据Table 4 Drying efficiency test data

由图5可知，在文中试验参数与试验条件下，搅拌式风透干燥机干燥效率平均值为80.44 g/min，恒温箱法干燥效率平均值为24.73 g/min，即前者远大于后者。

图5 干燥效率对比Fig.5 Comparison of drying efficiency

2.2.3灰分可替代性分析

按照GB/T 18510中灰分可替代性试验流程，完成煤样A的灰分可替代性试验，分别得到20组设备方法下的干基灰分Ad和国标方法的干基灰分Ad，其具体数据见表5，其中，d表示设备法干基灰分与国标方法干基灰分的差值。

表5 灰分可替代性试验数据Table 5 Ash replaceability test data

2.2.3.1准确度分析

根据表5试验结果，按照GB/T 18510进行可替代性分析[16]。

① 计算平均差：

(4)

② 标准差：

(5)

式中，Sd为设备方法与国标方法灰分的标准差；di为设备方法与国标方法灰分的差值；n为试验组数，即n=20。

将表5数值代入式(5)中，得Sd=0.156 3。

③t检验：

计算统计量：

(6)

将式(4)与式(5)计算得到的结果代入上式(6)中得到tc=0.4。

根据GB/T 18510中t检验相应表查得，自由度为19时，临界值tt=2.093。

对比上式(6)计算得到结果，可知：tc

④ 计算95%概率下Ad差值d的置信区间：

(7)

95%概率下，Ad差值d的置信限为(-0.341，0.313)。由于试验用煤灰分平均值为43.37%，查GB/T 212表2，当灰分质量分数>30%时，灰分测定的再现性临界差为0.7%。Ad差值d的置信区间[-0.341,0.313]在[-0.7,0.7]的区间内，符合再现性要求。

因此，搅拌式气透干燥机与国标方法的制样准确度无显著差异。

2.2.3.2灰分精密度分析

表6 精密度试验数据Table 6 Precision test data

根据上表6数据，计算设备的可替代性方法的重复性测定方差：

(8)

(9)

3 结 论

为解决煤炭制样干燥过程中煤样黏结、干燥效率低以及损失大等问题，开发了一种大容量搅拌式风透干燥机，并通过试验验证了其可行性，得到如下结论：

(1)该干燥机工作过程平均煤样损失率为0.24%，远低于国标规定的1%要求。

(2)以国标规定的恒温箱干燥法作为参比方法，大容量搅拌式风透干燥机的干燥效率平均值为80.44 g/min，远高于恒温箱法的24.73 g/min。

(3)以国标规定的恒温箱干燥法作为参比方法，进行可替代性试验，结果表明：对于灰分指标，设备方法能完全替代国标方法。

(4)大容量搅拌式风透干燥机采用螺旋式叶片、蜂窝状气孔、粉料回收系统等设计，解决了干燥过程中煤样黏结问题，实现了大容量煤样的快速干燥，可用于煤样的制备过程。