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燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统研究
宋新南 陆建忠2
（1.江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013；
2.杭州协和炉窑工程有限公司，浙江杭州 310022）
摘 要：针对我国的燃料资源特点以及改善干燥工艺经济性的需求，作者提出并开发了一种以原煤为燃料的直接式干燥介质发生系统，目前已在全国上百家企业得到实际应用，涉及工业产品30余种。该系统通过机械化给煤、区域控温、多次进风等技术手段实现原煤的脱硫和稳定、高效、高温燃烧，通过多级旋涡凝聚式高温烟气除尘装置实现烟气的净化，通过控温、混风、配风最终得到温度和风量大幅度精确可调的、高洁净度的干燥介质。与其他干燥介质发生系统相比，该系统可以使生产成本下降20~50%，可以有效地控制干燥介质中的烟尘和硫化物含量，可以用于对纯净度没有过高要求的各种干燥工艺过程。文章系统地介绍了这种干燥介质发生系统的工艺原理、应用效果、适用领域和发展前景。
关键词：原煤燃烧；干燥介质；高纯净度；直接发生系统
Research on the Coal-Based Direct Producing System For High Cleanness Drying Medium
SONG Xinnan1 LU Jianzhong2
(1. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China；
2. Xiehe Furnaces Ltd, Hangzhou, Zhejiang 310022, China)
Abstract: In consideration of the structure of fuel resources in China and the need to optimize economic benefit in material’s drying process in industries, a kind of coal-based direct producing system for high cleanness drying medium (CBDHC) is suggested and developed by the author. Up to now, about 100 CBDHC systems have been used in all China onto about 30s kinds of product. In CBDHC system, row-coal is burnt in high steadiness, efficiency and temperature, and even some desulphurizing effect is expected also, through mechanically coal feeding, multi-section temperature regulating and separately air feeding. The burnt gas could be effectively cleaned through multi-stage vortex-coacervating dedustor at high temperature. The temperature and rate of drying medium could be adjusted in wide range and high accuracy by air-mixing control system. The CBDHC system, compared with other drying medium producing systems, about 20%~50% production cost could saved, the dust density and SO2 concentration could be control effectively, and could be used in any drying process that does not require very high cleanness. In this paper, the principles, effects, applied materials and developing prospects about CBDHC system are presented and discussed.
Keywords: Raw-coal’s Combustion, Drying Medium, High Cleanness, Direct Producing system 1 引言
干燥通常是指将机械水分从物料中脱除的工业过程，干燥过程几乎存在于所有的工业领域，是应用最为广泛的单元操作之一，同时也是耗能量较大的工业过程之一。从某种意义上讲，干燥耗能量的大小可以反映一个国家的工业化程度，工业发达国家的干燥耗能量通常占社会耗能总量的13~20%，而我国这方面的数值约为10%[2]。因此，干燥过程的节能问题历来受到广泛的关注[1,2]。
如图1所示，完成干燥工艺过程的工艺系统主要由干燥介质发生系统和干燥操作系统两部分组成。其中，干燥介质发生系统直接消耗煤炭、石油、燃气、电力等能源，产出热空气、过热蒸汽等干燥介质；干燥操作系统则利用干燥介质发生系统产出的干燥介质，对含水物料进行干燥工艺操作，使产品得以干燥，并排出干燥废气。
从工艺关系上看，干燥介质发生系统是干燥工艺过程得以节能、高效运行和保证干燥产品质量的基础和前提条件。从重视程度上看，由于干燥工艺过程直接在干燥操作系统里完成，因而人们对于干燥操作系统往往给于更多的重视，许多增产、节能技术得到应用，例如原料预处理、干燥介质提温、废气余热利用、设备保温等[1,2,3]；而通常仅将干燥介质发生系统作为实现干燥工艺的一个附属系统，给予的重视程度远不如干燥操作系统，因而干燥介质发生系统的技术进步相对滞后。从干燥技术的发展方向上看，随着工业产品和生产技术的日益复杂化，干燥技术与烧脱、焙烧、煅烧等相关技术呈现重合的趋势，对于干燥介质的要求也趋向于高温化和复杂化。从能源供求形势上看，我国能源供应的紧张程度近期不会减弱，能源价格还会总体上扬，但各种能源形式的比价关系会不断变化，这将迫使企业寻找廉价的能源用于干燥生产过程。因此，必须对于干燥介质发生系统的技术研究和设备开发给予充分地重视。
干燥介质发生系统所用的能源，除少数地热、太阳能等新能源外，主要为电力和燃料两种类型，采用电力的发生系统产生的干燥介质洁净度和温度控制精度都很高，但运行费用也很高，主要用于一些特殊的干燥领域。对于大多数干燥过程，通常都以燃料为能源，以获得较高的经济性。在以燃料为能源的干燥介质发生系统中，又可以分为直接的和间接的两种型式。其中，间接式系统需要设置换热装置，将热源中的热能交换到干燥介质之中，这种工艺可以获得洁净度较高的干燥介质，但热效率较低、换热装置的投资和维护费用很高、干燥介质的温度受限；而直接式系统不需要换热装置，直接利用燃料燃烧的高温燃烧产物，通过混入适量的空气获得温度适当的干燥介质，其投资和运行维护费用低廉。
笔者在致力于干燥介质发生系统的研究与开发的过程中，针对干燥工艺技术的现状与发展方向，针对我国的能源资源条件和大多数干燥产品的技术要求，提出了燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统，并且经过多年的摸索，通过独特的设备和流程实现了以价格低廉的原煤为燃料、直接产出洁净度足够的干燥介质的工艺目的。
目前，这种燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统已在全国上百家企业获得成功应用，为这些企业带来了丰厚的经济回报。
2 系统与设备
2.1系统组成
本系统是在杭州协和炉窑工程有限公司1997年推出的XHR系列原煤燃烧器的基础上，结合机械化炉排、炉内物理脱硫、半煤气化、二次燃烧、高温净化等技术才开发成功的，并且经历了如表1所示的逐步推广应用历程。
在图2中给出了一种典型的燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统与喷雾干燥塔相结合的的物料干燥工艺流程及设备组成情况。
2.2燃烧装置
在本系统采用的XHR系列原煤燃烧器中，通过控制内部的温度分布，使原煤的干熘过程与燃烧过程相对分离。当原煤在链条炉排的带动下有序地通过不同的温度区时，原煤中的大多数挥发硫以硫蒸汽的形式被物理脱硫装置脱去，从而减少进入燃烧产物中的硫量，实现部分脱硫的目的。然后，在高温区将原煤转化为高温的半煤气。
在本系统中选择该燃烧装置原因在于，这种燃烧装置已经在多种工业炉窑上得到成功应用，在不配备烟气除尘脱硫设备的条件下就可使烟气的排放指标达到二、三类地区的国家环保标准：林格曼黑度<1级，烟尘含量≤200mg/Nm3，SO2排放浓度≤850mg/Nm3（原煤S≤3%），并且不会有烟气处理装置形成的二次污染。
2.3烟气净化装置
本系统中的烟气净化装置采用笔者开发的高温净化室，利用飞灰的冲击跌落、惯性沉降和高温黏附效应，将烟气中的飞灰含量降低到干燥工艺要求的数值以下。通常，高温净化室分为3~4级，第一级的主要任务是将原煤燃烧器产生的高温半煤气二次燃烧，以消除黑烟；在第二级和第三级，采用适当的结构使气流通道形成多个突然扩张和缩小，从而产生气流旋涡，促使气流内的细小飞灰颗粒聚结、沉降；第四级则采用比较典型的重力沉降室，对烟气进行末级净化处理。
理论和实践都证明，对于本系统所采用的高温净化室，第一级净化室的温度越高，气流中飞灰的团聚沉降效应越明显，流出净化室的气流的纯净度也越高。因此，在一定的原煤发热值条件下，应尽量提高第一级净化室的运行温度，以获得较高的气流纯净度，从而为干燥产品质量的提高创造条件。在表2中给出了部分干燥产品在实际生产过程中第一级净化室的控制温度范围经验数据。
此外，选择发热值较高的原煤将有助于提高第一级净化室的温度，例如使用低位发热值≥6000kcal/kg的烟煤，二次燃烧区的最高温度可高达1650℃，则不仅可以获得较大的工艺选择自由度，而且可以获得很高的气流纯净度。
2.4混风控制装置
经高温净化室除尘后的燃烧产物，其纯净度已经和直接燃油、燃气的效果很接近，此时再掺入适量的冷风，使之降至干燥工艺所需要的温度。
混风控制装置由热电偶、温度显示仪表、温度控制器和蝶式冷风阀组成，形成典型的以气流温度为控制目标、以冷风混入量为控制手段的负反馈控制系统，如图3所示。
2.5清灰设施
为了及时清除高温沉降室中的积灰以保证净化效果，在高温沉降室的一侧（大型的是两侧）和出口均设有若干个清灰门，由人工定期清除。
2.6烘炉烟囱
该设施主要用于高温沉降室初次投运和检修后投运时的烘炉操作，以避免含尘、含湿量较高的烘炉废气进入干燥工艺操作系统产生有害影响。在该烟囱的根部则装有切断阀，用于正常生产时将燃烧产物气流切换到通往干燥塔（器）的热风管道之中。
3 系统特点
3.1燃料消耗
很容易理解，热风发生系统的燃耗或者热效率，不仅取决于系统的技术水平，而且取决于运行的温度、负载率和方式，因此很难给出热风发生系统的燃耗指标。实际运行的经验数据是，本系统与其他直接燃煤的热风发生系统相比，燃料消耗约降低10%~20%。究其原因，可能在于本系统中的燃烧装置具有独特的布煤、通风和燃烧方式，保证了燃料的充分燃尽。
与换热式干燥介质发生系统相比，本系统的热效率可提高~40%，单位干燥产品的能源消耗可以下降同样的幅度。
3.2介质洁净度
实际上，在物料干燥介质发生过程中，通过提高燃尽程度使燃料消耗得到降低，还不是最重要的收获，更大的收获还在于保证了干燥介质的洁净度，使得许多纯净度要求较高的物料能够选择这种直接式的干燥介质发生系统进行干燥生产。例如工业碳酸钾、工业氟化钾、钛白粉、洗衣粉等。
此外，通过选择低硫煤种，还可在一定程度上控制干燥介质中SO2的含量，使之可以适应某些对SO2比较敏感的物料，例如工业碳酸钾、工业碳酸钠的生产，也可以保证产品质量达到国家标准。
3.3传热特点
本干燥介质发生系统直接采用燃烧产物作为干燥介质，由于不受换热间壁材料耐热能力的限制，干燥介质的温度可以很高，并且其中含有大量的三原子气体，因此可以实现强烈的辐射传热，强化干燥过程，提高干燥过程的生产效率和热效率，并且可以借此对干燥产品的空隙率、颗粒度、颗粒形状、松装比、堆密度、湿润性、表面活性等物理化学特性进行有效地控制。这一特性对于活性炭、陶瓷粉、高岭土、铁磁粉等产品的生产可能是至关重要的。
3.4适用对象
由于这种干燥介质发生系统的温度可以很高，但发生成本低廉，在适用干燥对象方面将呈现如下特点：
⑴对于没有热分解倾向的无机物和矿物，本干燥介质发生系统可以提供温度很高的干燥介质，从而大幅度地提高干燥过程的生产效率、热效率和干燥效果。
⑵在干燥物料机械水分的同时，可以同时实现物料的烧脱、焙烧、煅烧等工艺目的，从而大幅度地扩大应用范围、提高产品的质量，而且适用于含有机溶剂物料的干燥。
⑶本干燥介质发生系统产出干燥介质的温度可以在100~1200℃之间任意调整，使得其适用对象的范围非常宽。
⑷由于干燥介质发生成本低廉，特别适用于瓷土、硅藻土、萤石、高岭土、煤炭等大宗矿物质的干燥，从而显著降低设备投资和运行费用。
正是因为上述特点，本干燥介质发生系统已经在化工、陶瓷、冶金、造纸、化肥、煤炭、矿业、建材等多个行业得到应用，涉及干燥产品包括如碳酸钾、氟化钾、高岭土、聚苯乙烯粉、饲料、钛白粉、活性炭、萤石粉、洗衣粉、粘土、陶瓷粉、铁矿粉、肥料、纸制品、型煤、耐火砖、保温板等30余种。
3.5经济效益
由于本干燥介质发生系统的热效率高、燃料成本低，不需要采用昂贵的耐高温材料，因而设备投资、运行费用和维护费用均可大幅度降低。根据不同企业的经验数据，采用本干燥介质发生系统时，其燃料成本大约是燃烧重油时的一半，是燃烧柴油时的不到四分之一，是燃煤换热式热风炉的~60%。与这三种干燥介质发生系统相比，设备的投资回收期均不到半年。
3.6局限性
尽管可以在很大程度上限制煤炭燃烧的有害产物，例如烟尘、SO2等，但是燃烧产物中必然存在大量的CO2，必然存在一定量的粉尘、SO2及其他与燃煤有关的有害物质，因此对于高纯类产品、食品类产品、药物类产品、强碱性产品等，还是应该避免使用本干燥介质发生系统，以免造成质量问题，这一点与其他直接式干燥介质发生系统并没有区别。
4 典型应用实例
作为典型应用实例，这里给出江苏某中美合资化工有限公司的工业碳酸钾生产线应用本干燥介质发生系统的基本情况。
该工业碳酸钾生产线原采用某种间接换热式干燥介质发生系统，以产出的450~500℃热空气作为干燥介质，在沸腾床干燥器中对碳酸钾原料进行干燥。运行中发现该工艺系统在设备作业率、生产效率、生产成本等方面均存在一定的问题，因而改用杭州协和炉窑工程有限公司生产的燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统，配合回转窑式干燥器。改造后的工业碳酸钾干燥生产线如图4所示，相关工艺参数如下：
4.1原煤燃烧器
采用应用基低位热值为23000～25000kJ/kg的原烟煤为燃料，其颗粒度＜30mm，其中＜2mm粉未含量约为15%~20%，含硫量约为1.5%~2%。
燃烧器的额定为煤量150kg/h，完全燃烧时产出炉气量~1800Nm3/h，燃烧器出口温度~1250℃，炉气含尘量~150mg/Nm3，SO2含量~600mg/Nm3，NOx含量~130mg/Nm3，CO2浓度9%~11%。
4.2高温净化室
净化室内尺寸为7.2×3.6×4m，出口炉气温度~1200℃，含尘量~50Nm3，SO2含量~600 mg/Nm3，NOx含量~130mg/Nm3，CO2浓度9%~11%。
4.3混风阀
常温冷风经滤网过滤后，经混风阀混入，根据进入回转窑式干燥器的干燥介质设定温度调整风量，其额定值混风量约为~1800Nm3/h。
4.4回转窑式干燥器
进口干燥介质流量~3600Nm3/h，温度~600℃，含尘量~25mg/Nm3， SO2含量~300mg/Nm3，NOx含量~65mg/Nm3，CO2浓度4~6%。
被干燥（煅烧）原料的主要成分为碳酸氢钾，机械水含量~10%，原料供入量~1000kg/h。
干燥后产品的产量约为~670 kg/h，质量指标达到：碳酸钾≥98.5%，水不溶物≤0.05%，硫化物≤0.10%，铁≤0.003%。
4.5排气烟囱
高度15m，排气林格曼黑度为0级。
5 结语
5.1 燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统通过综合应用原煤干馏脱硫、机械炉排、二次燃烧、烟尘高温凝聚沉降、自动控温混风等技术，成功地实现了以原煤为燃料直接产出高洁净度干燥介质的工艺目的；
5.2 燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统直接以资源丰富、价格低廉的原煤作为燃料，具有明显的资源优势和经济优势；
5.3 燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统的燃料燃烧完全、高温沉降室效果明显，可以为干燥工艺提供具有较高洁净度的干燥介质，可以适应大多数干燥产品的要求；
5.4 燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统可以产出高温干燥介质的特性，使之具有广泛的原料和工艺适应性；
5.5 燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统已经成功地在多个工业领域的上百家企业和30余种产品的生产过程中得到应用，能够产生巨大的节能、环保和经济效益；
5.6 燃煤高洁净度干燥介质直接发生系统在扩大应用方面应该还有较大的发展空间，应该能够为我国节能、环保和经济建设发挥更大的作用。
参考文献
[1] 潘永康，王喜忠. 现代干燥技术. 北京：化学工业出版社，1998
[2] 曹正芳. 干燥过程的节能技术. 节能技术，2000，18(1)：21~22
[3] 陈逢胜，陈东. 热环应用于喷雾干燥装置的技术经济分析. 节能技术，2002，20(2)：35~36
[4] 编写组. 钢铁厂工业炉设计参考资料（上）. 北京：冶金工业出版社，1979
[5] 王喜忠，于才渊，周才君. 喷雾干燥. 北京：化学工业出版社，2003
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