朱 峰，王婷婷，王 凱，吳 淼

(1.光大清潔技術(shù)股份有限公司，北京 100080；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

2019年我國煤炭開采和洗選業(yè)產(chǎn)能利用率為70.6%[1]，煤泥產(chǎn)量過億噸。隨著采煤機(jī)械化程度的提高和入洗原煤比例的增加，煤泥產(chǎn)量將大幅上升[2]。煤泥具有粒度細(xì)(通常在0.5mm以下，小于0.2mm占80%以上[3])，高水分(含水量約25%～40%)，高粘性、高持水性、高灰分等特點(diǎn)，不易運(yùn)輸和利用[4]。煤泥無法外銷則會(huì)造成大量積存，尤其是煤泥露天堆放時(shí)極易發(fā)生煤泥流失分化進(jìn)入空氣和河流，造成環(huán)境污染，同時(shí)煤泥中含有的煤粉成分隨之流失[5]。

煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)是一種蒸汽間接干燥技術(shù)，采用的是蒸汽加熱翅片管式回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)，能夠?qū)⑦x煤廠產(chǎn)出的濕煤泥水分降低至13%以下，解決了煤泥在裝儲(chǔ)運(yùn)輸中的難題，同時(shí)提高了煤泥熱值，使煤泥的價(jià)值得到提升。蒸汽間接干燥技術(shù)相較于其他干燥技術(shù)具有安全可靠、清潔環(huán)保及成本低廉的特點(diǎn)，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，包括干燥能耗高、蒸發(fā)濕氣對(duì)空排放、黏度高的煤泥入料難、多臺(tái)干燥機(jī)配料不均、干燥機(jī)內(nèi)煤泥粘管粘壁、緩存?zhèn)}起拱導(dǎo)致下料不暢以及煤泥間歇性出料導(dǎo)致干燥機(jī)進(jìn)料不均等。這些問題制約了蒸汽間接干燥技術(shù)在煤泥干燥提質(zhì)領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，解決實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題并完善整體工藝是目前該技術(shù)的主要研究方向。

筆者團(tuán)隊(duì)在深度掌握煤泥的性質(zhì)及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，攻克解決了蒸汽間接干燥技術(shù)實(shí)際運(yùn)行過程中的難題，研發(fā)了一套完整的煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)及工藝并研制了蒸汽加熱翅片管式回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)[6]等相關(guān)設(shè)備。

1 我國煤泥處置現(xiàn)狀

本文所討論的待處理煤泥均是在經(jīng)過壓濾機(jī)回收后的煤泥，水分在23%～32%。現(xiàn)在煤炭洗選過程產(chǎn)生的煤泥主要通過3種方式進(jìn)行處理：直接摻混外賣、濕煤泥低價(jià)直接銷售、烘干提質(zhì)后摻混外賣[7]，而現(xiàn)有的煤泥處置方式包括有晾曬、填埋、就地堆存、干燥提質(zhì)和濕煤泥鍋爐摻燒等。其中露天堆放遇水流失、遇風(fēng)飛揚(yáng)，不僅帶來環(huán)境污染，也造成資源浪費(fèi)[2]，因而露天晾曬、填埋和就地堆存已經(jīng)被政府明令禁止。因此應(yīng)用較為廣泛的煤泥資源化利用途徑主要有以下兩種：一是將濕煤泥直接送進(jìn)鍋爐燃燒發(fā)電；二是通過將煤泥干燥脫水提質(zhì)，再與電煤摻混作為鍋爐燃料。其中，濕煤泥燃燒發(fā)電技術(shù)主要應(yīng)用在電廠的循環(huán)流化床鍋爐及煤粉爐；而在距離電廠較遠(yuǎn)的洗煤廠想要資源化處置煤泥，降低煤泥的水分是關(guān)鍵，而降低煤泥水分最簡單、經(jīng)濟(jì)有效的手段就是利用煤泥干燥提質(zhì)技術(shù)對(duì)煤泥進(jìn)行干燥處理。

煤泥干燥提質(zhì)是選煤工藝的延續(xù)和完善，干燥處理使?jié)衩耗嗨纸档?、發(fā)熱量提高，從根本上改善了煤泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)，使其成為商品動(dòng)力煤，拓寬了煤泥的使用范圍和銷售渠道，提高了售價(jià)；同時(shí)改善了儲(chǔ)、裝、運(yùn)的性能，極大地改善了廠區(qū)、礦區(qū)的環(huán)境[8]。按照干燥工藝進(jìn)行劃分，目前已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的煤泥干燥技術(shù)可分為高溫?zé)煔饣剞D(zhuǎn)干燥技術(shù)和蒸汽干燥技術(shù)[9]。目前我國選煤廠廣泛應(yīng)用的煤泥干燥提質(zhì)技術(shù)屬于傳統(tǒng)的高溫干燥技術(shù)，干燥介質(zhì)為高溫?zé)煔饣蚋邷責(zé)釟?，溫度?00℃到750℃，煤泥高溫干燥過程中存在燃燒或爆炸風(fēng)險(xiǎn)，熱能資源與水資源浪費(fèi)較大，易污染環(huán)境等問題。另外在高溫干燥過程，設(shè)備結(jié)構(gòu)受熱易變形，維護(hù)成本較高[10]。

煙氣主要來源是由燃煤鍋爐產(chǎn)生，近年來我國多地陸續(xù)出臺(tái)對(duì)燃煤鍋爐的整治政策。安徽省人民政府2018年9月27日出臺(tái)了《安徽省打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案》，明確要求開展燃煤鍋爐綜合整治，2019年底前基本淘汰非建成區(qū)內(nèi)工業(yè)園區(qū)的35t/h以下燃煤鍋爐，2020年底前35t/h以下的燃煤鍋爐全面清零[11]；山西省人民政府2019年5月31日出臺(tái)了《山西省打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)2019年行動(dòng)計(jì)劃》，要求加大燃煤鍋爐淘汰力度，各市分別淘汰35t/h、20t/h及10蒸噸以下的燃煤鍋爐，全年計(jì)劃淘汰燃煤鍋爐1410臺(tái)，共計(jì)3572t/h。

2 煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)

本文介紹的煤泥潔凈低溫間接干燥系統(tǒng)屬于蒸汽間接干燥技術(shù)。蒸汽間接干燥工藝是以蒸汽作為熱源，熱源和被干燥物料間接接觸，以第三種組分(通常為空氣或惰性氣體)作為攜濕介質(zhì)的干燥技術(shù)，屬于低溫干燥的范疇[12]。能夠完全替代煙氣直接干燥技術(shù)，且解決了環(huán)境污染及運(yùn)行安全等問題。

蒸汽間接干燥技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生和應(yīng)用數(shù)十年，廣泛應(yīng)用于食品、化工建材、礦產(chǎn)等行業(yè)。但是蒸汽干燥技術(shù)在煤泥干燥中的應(yīng)用仍較少，處于剛興起階段[13]。

2.1 工藝流程

選煤廠壓濾煤泥由濕煤泥上料及緩存系統(tǒng)被送入定量給料系統(tǒng)，經(jīng)定量給料、喂料裝置進(jìn)入干燥機(jī)主體，與干燥器的傳熱壁面和熱載體持續(xù)接觸，進(jìn)而使其連續(xù)受熱并使煤泥中的水被蒸發(fā)，煤泥在蒸汽換熱過程中經(jīng)歷了加熱升溫、穩(wěn)定蒸發(fā)、減速蒸發(fā)等三個(gè)階段，由于干燥機(jī)主體與水平面存在一定夾角，煤泥進(jìn)入干燥機(jī)筒體后，在隨著筒體不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)逐步由高處(入料口) 向低處(出料口) 運(yùn)動(dòng)[14]，蒸汽放熱后形成冷凝水；將干燥后的部分煤泥與濕煤泥混合后重新進(jìn)入干燥系統(tǒng)，通過返料系統(tǒng)降低入料濕煤泥黏度，解決了由于煤泥黏度高造成的緩存?zhèn)}起拱、下料不暢和干燥機(jī)內(nèi)粘管、粘壁、堵料等問題；煤泥干燥過程中產(chǎn)生的蒸發(fā)濕汽經(jīng)除塵、冷凝后，通過與蒸汽冷凝水進(jìn)行熱交換成為干燥熱載氣通入干燥機(jī)內(nèi)加熱煤泥；蒸汽的運(yùn)動(dòng)方向與煤泥呈逆向流動(dòng)，熱載氣的運(yùn)動(dòng)方向與煤泥也呈逆向流動(dòng)，干燥過程全封閉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、超凈排放。煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)工藝流程如圖1所示。

圖1 煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)工藝流程示意圖

2.2 系統(tǒng)組成

干燥系統(tǒng)主要組成為：濕煤泥上料及緩存系統(tǒng)、定量給料系統(tǒng)、返料系統(tǒng)、煤泥干燥主系統(tǒng)、干燥后煤泥輸送系統(tǒng)、除塵除濕余熱利用系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。

1)濕煤泥上料及緩存系統(tǒng)。由上料輸送機(jī)與煤泥接料緩存?zhèn)}等設(shè)備組成，用于煤泥的接料、輸送及緩存。其中煤泥接料緩存?zhèn)}在起拱位置設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)式破拱裝置，并在倉底設(shè)計(jì)雙螺旋攪拌裝置。該部分解決了緩存?zhèn)}起拱導(dǎo)致下料不暢的問題。上料煤泥應(yīng)干濕均勻，不能有太大波動(dòng)，若水分波動(dòng)太大，會(huì)影響干燥效率[15]。

2)定量給料系統(tǒng)。由箱體式給料機(jī)與密封式喂料裝置等設(shè)備組成，箱體式給料機(jī)位于接料緩存?zhèn)}底部，負(fù)責(zé)將濕煤泥定量送入喂料裝置；密封式喂料裝置包括接料溜槽和喂料螺旋，在封閉狀態(tài)下將濕煤泥送入干燥機(jī)內(nèi)。刮板為特殊不粘料材質(zhì)，中部箱體寬度可調(diào)；螺旋喂料裝置前段采用密封結(jié)構(gòu)防止大量空氣進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)腔。該部分解決了煤泥間歇性出料導(dǎo)致干燥機(jī)進(jìn)料不均、多臺(tái)干燥機(jī)配料不均的問題[16]。

3)返料系統(tǒng)。由返料輸送機(jī)和混合攪拌裝置組成，干煤泥通過返料輸送機(jī)直接進(jìn)入混合攪拌裝置與上料濕煤泥充分?jǐn)嚢杌旌虾笤龠M(jìn)入干燥系統(tǒng)。該部分解決了黏度高的煤泥入料難的問題。

4)煤泥干燥主系統(tǒng)。由干燥機(jī)及其熱源系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等組成，干燥機(jī)為系統(tǒng)核心設(shè)備，列管回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)；熱源系統(tǒng)主要是利用低品位蒸汽在出料端經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭通入汽室及換熱管中，蒸汽放熱與熱載氣一起以混合干燥的方式達(dá)到干燥煤泥的目的；蒸汽凝結(jié)水與工藝氣體(載氣)換熱后經(jīng)疏水系統(tǒng)送回鍋爐循環(huán)使用。

其中，列管回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)由干燥機(jī)主體、傳動(dòng)裝置、擋托輪裝置、托輪裝置等組成。干燥機(jī)主體是干燥機(jī)的核心部件，包括筒體、排不凝氣裝置、換熱管、抄料板、蒸汽汽室、出料罩、前后滾圈、大齒輪等；在工作狀態(tài)下，干燥機(jī)主體以2～4r/min的速率轉(zhuǎn)動(dòng)，濕煤泥進(jìn)入干燥筒體內(nèi)受到換熱管的升舉和攪拌作用，借助于轉(zhuǎn)筒的傾斜度(2.5°左右)及連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)從入料口向出料口移動(dòng)，同時(shí)利用抄料板、翅片等特殊結(jié)構(gòu)使干煤泥呈均勻顆粒狀從出料口排出。該部分解決了煤泥粘管粘壁的問題。

5)干煤泥輸送系統(tǒng)。由干煤泥收集帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)帶式輸送機(jī)、卸料裝置及干煤泥倉等組成，用于產(chǎn)品的收集、轉(zhuǎn)載、緩存及卸料。

6)余熱利用系統(tǒng)。由引風(fēng)機(jī)、除塵器、換熱器及冷卻塔等組成，主要用于蒸發(fā)濕汽的除塵冷凝及工藝氣體的加熱，實(shí)現(xiàn)干燥系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、超凈排放。該部分解決了蒸發(fā)濕氣對(duì)空排放及干燥能耗高的問題。

7) 自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)包括煤泥干燥系統(tǒng)全部電氣設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、儀器儀表等，采用集中與就地控制相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)備操作，干燥車間集控室內(nèi)設(shè)有PLC控制系統(tǒng)、工控機(jī)顯示控制終端，通過對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。本自動(dòng)控制系統(tǒng)采用微處理器技術(shù)，具有自診斷功能，在內(nèi)部故障還沒有干擾生產(chǎn)過程之前，即能在系統(tǒng)本身范圍內(nèi)探測(cè)到故障并實(shí)行防止故障擴(kuò)大的措施，同時(shí)進(jìn)行報(bào)警和記錄。PLC采用西門子S7-300控制系統(tǒng)，控制供電采用正常市電和UPS后備雙重供電方式，保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行以及重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；PLC控制系統(tǒng)與上位機(jī)(如有)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，完成全部信號(hào)采集、設(shè)備控制、工藝參數(shù)調(diào)控等功能。

2.3 系統(tǒng)性能參數(shù)

表1 系統(tǒng)性能參數(shù)表

3 工程實(shí)例

山東新河礦業(yè)選煤廠每年產(chǎn)生約18萬t煤泥，周邊有電廠可以提供蒸汽熱源的便利條件。2018年建立兩套煤泥潔凈低溫間接干燥系統(tǒng)，兩臺(tái)低溫蒸汽列管回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)總設(shè)計(jì)處理量達(dá)46t/h，可處理掉全年產(chǎn)生的煤泥量，煤泥的水分由28%降至15%以下。干燥后的煤泥進(jìn)行配煤銷售，提高了煤泥的價(jià)值，給煤礦帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

恒源煤電宿州創(chuàng)元發(fā)電有限公司是祁東煤礦的自備電廠，祁東煤礦每年產(chǎn)生煤泥22萬t。宿州創(chuàng)元發(fā)電擁有CFB鍋爐能夠提供蒸汽熱源，建設(shè)了一套煤泥潔凈低溫間接干燥系統(tǒng)，設(shè)計(jì)處理量達(dá)30t/h，可處理掉祁東煤礦全年產(chǎn)生的煤泥量，干燥后煤泥水分由28%降至15%以下。干燥后的煤泥適用于作為鍋爐燃料，可使電廠大比例燃用價(jià)格低廉的煤泥作為燃料，降低了電廠燃料成本；同時(shí)也適用于配煤銷售，提高了煤泥的價(jià)值，給電廠帶來可觀的效益。

結(jié)合工程應(yīng)用情況，煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)的特點(diǎn)總結(jié)如下：①工藝先進(jìn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠；②干燥過程全封閉，避免煤泥的二次污染；③系統(tǒng)采用余熱利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、超凈排放；④干燥環(huán)境溫度在100℃左右，煤泥無燒損、焦化現(xiàn)象；⑤干燥過程無粉塵爆炸安全隱患；⑥生產(chǎn)過程物料流動(dòng)順暢，設(shè)備無需定期清理；⑦干燥效率高，系統(tǒng)熱損失小；⑧產(chǎn)品質(zhì)量易于保證。由于物料與干燥介質(zhì)不直接接觸，避免了干燥介質(zhì)對(duì)物料進(jìn)行二次污染[15]。

4 結(jié) 語

煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)成功運(yùn)用于煤礦選煤廠和電廠的煤泥處置中，而且能夠很好的適應(yīng)工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)煤泥處理量的需求。煤泥低溫干燥技術(shù)這些年得到推廣與應(yīng)用，其干燥成本低，系統(tǒng)安全性高，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。利用煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)進(jìn)行煤泥干燥后的煤泥呈球狀、非散料，可直接鍋爐摻燒或配煤，整個(gè)運(yùn)行過程處于全封閉狀態(tài)，避免了以往在堆場(chǎng)晾干等處置過程中出現(xiàn)的遇水流失和風(fēng)干飛揚(yáng)等環(huán)境污染問題，有效地改善了廠區(qū)環(huán)境；煤泥水分的降低使運(yùn)輸條件不再苛刻，解決了運(yùn)輸過程中污染沿線環(huán)境等問題，整個(gè)生產(chǎn)過程潔凈、環(huán)保，實(shí)現(xiàn)超凈排放，為企業(yè)帶來環(huán)保和社會(huì)效益。煤泥潔凈低溫間接干燥技術(shù)在有蒸汽熱源的情況下能夠潔凈、高效地處置煤泥，但是在沒有蒸汽熱源的情況下，煤泥的資源化處置技術(shù)仍然需要研究和發(fā)展。