低溫風透干燥技術在煤樣制備中的應用研究

張仲燾，龔偉業(yè)，譚 為

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

對于煤樣的制備過程，各國均有相應標準規(guī)定。煤樣的制備準則涵指在不破壞煤樣代表性的前提下將煤樣粒度、質(zhì)量逐漸減少至符合化驗室對煤樣粒度和質(zhì)量要求[1]。而在目前的煤樣制備過程中，多數(shù)煤樣在制備前的外水含量較高，極易造成后端破碎、輸送、縮分、粉碎等制樣環(huán)節(jié)中黏附、堵料等問題，既影響煤樣制備的順利進行，也影響煤樣制備的效率和精度。在煤樣流轉(zhuǎn)的各環(huán)節(jié)中 ，煤樣的黏附導致前后樣之間交叉污染從而影響化驗結(jié)果[2]，需在煤樣制備前、制備中干燥除濕處理。

劉振喜[3]介紹了SDVD3 mm風透干燥機的組成及工作原理，指出風透干燥機的干燥效率較傳統(tǒng)烘箱干燥方式提高約4～7倍，且干燥過程中煤樣的損失量小于樣重的0.10%。秦曉東等[4]通過對SDVD風透式快速干燥機的水分偏倚、干燥效率及煤樣損失率等參數(shù)的測定，研究表明SDVD風透式快速干燥機在不影響煤樣代表性的前提下可符合國標要求，其干燥效率遠超傳統(tǒng)的干燥方式，可有效解決煤樣干燥過程中勞動強度大、干燥效率低的難題。楊勻龍[5]在分別對比傳統(tǒng)干燥方式各自優(yōu)缺點的基礎上提出了1種熱氣流煤樣快速干燥方法，并通過實驗測試得出熱氣流干燥法可有效對煤樣進行干燥預處理、干燥效率高且不影響煤樣本身化學特性的結(jié)論。李興旺等[6]研究提出不同煤種的干燥時間、冷卻時間是影響煤樣達到空氣干燥狀態(tài)的主要影響因素，即內(nèi)水較低的煤樣可通過鼓風干燥箱50 ℃下干燥60 min、再冷卻約45 min使其達到空氣干燥狀態(tài)；內(nèi)水較高的煤樣在50 ℃下的干燥時間不宜超過60 min，冷卻時間至少超過30 min。高正陽等[7]通過4 種煤樣在熱天平空氣氣氛下的干燥試驗以分析含水量和干燥溫度對煤樣干燥特性的影響，采用薄層干燥模型對煤樣的等溫干燥過程進行數(shù)學解析，得出不同煤樣、不同溫度的干燥速率曲線趨勢在等溫干燥過程中基本一致，并經(jīng)歷升速干燥、恒速干燥和降速干燥階段。

雖目前已有煤樣傳統(tǒng)干燥干燥方式各自優(yōu)缺點與應用的對比分析以及相應風透干燥方法的提出，也有通過風透干燥原理樣機的水分偏倚、干燥效率及煤樣損失率等參數(shù)測定而得出風透干燥效率遠超傳統(tǒng)干燥方式的結(jié)論，但在干燥篩網(wǎng)的選擇、篩網(wǎng)的使用壽命、干燥過程中煤樣損失、干燥控溫研究、條件結(jié)束判斷等方面卻少有研究。在保證樣品完整性和代表性符合國標要求的前提下，以下進行風透干燥相關問題的相關探討，以期為后續(xù)煤樣干燥技術的改進研究提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 風透干燥技術原理

通過熱風均勻完全穿透煤樣顆粒層，大幅增加煤樣與熱風的接觸面積并隨著熱風穿透流動將煤樣中的外在水分裹帶排出。風透干燥過程如下:① 熱風與煤樣之間熱傳導過程，即煤樣被熱風加熱后外在水分達到汽化的過程；② 煤樣外在水分汽化后的濕氣擴散進入熱風中的傳質(zhì)過程，同時濕氣從煤樣內(nèi)部擴散并源源不斷地到達煤樣表面，即濕氣在煤樣內(nèi)部的傳質(zhì)過程。因此，煤樣干燥的過程伴隨著傳熱和傳質(zhì)同時發(fā)生，且相互影響、相互制約。

風透干燥過程簡要概括為均勻穿透、充分接觸、水氣擴散、強制流動、持續(xù)傳質(zhì)等。① 均勻穿透:干燥空氣經(jīng)加熱后在風機(高壓低風量)作用下進入干燥腔，在干燥腔煤層上部形成相對高壓區(qū)。攤平后的煤樣均勻分布篩網(wǎng)上(篩網(wǎng)透氣不透煤)，因此可實現(xiàn)熱風均勻穿透煤層的效果。② 充分接觸:熱風經(jīng)過干燥腔進風口處均流后進入干燥腔內(nèi)，此時熱風溫度更加均勻，風速降低，熱氣均勻穿透煤層時與煤樣充分接觸。③ 水氣擴散:不同溫度下空氣水氣含量不同，如溫度為10 ℃、25 ℃、40 ℃、 55 ℃時，其飽和含水量分別為0.009 4 kg/Nm3、0.023 0 kg/Nm3、0.051 1 kg/Nm3、0.104 3 kg/Nm3。空氣加熱后含水能力增強，溫度越高其含水能力越強。熱風在穿透煤層的過程中與煤充分接觸，煤樣被熱風加熱后外在水分汽化，濕氣擴散進入熱風中。④ 強制流動:在高壓低風量風機的動力作用下，熱風連同被汽化的濕氣形成定向流動，直至排出干燥設備外。⑤ 持續(xù)傳質(zhì):煤樣外在水分汽化后的濕氣擴散進入熱風中，同時濕氣從煤樣內(nèi)部擴散源源不斷地到達煤樣表面，濕氣在煤樣的表面和內(nèi)部持續(xù)傳質(zhì)，直至水氣達到相對平衡的狀態(tài)。

2 風透干燥物理模型

低溫風透干燥實驗平臺如圖1所示，其工作原理如下:控制系統(tǒng)15下發(fā)煤樣干燥指令后，干燥篩盤10旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，在篩盤密封裝置7的作用下可靠鎖止。待干燥煤樣9從入料口3進入干燥腔落至干燥篩盤10上，入料完后入料口閥門5自動關閉，升降旋轉(zhuǎn)機構2從最低位邊旋轉(zhuǎn)邊上升，上升至最高位(離開煤面)后，煤樣被均勻攤平。然后先啟動鼓風裝置14，后啟動加熱組件6，空氣通過鼓風裝置14，經(jīng)過加熱組件6被加熱后通入干燥腔內(nèi)，干燥腔內(nèi)的溫度通過溫度傳感器8實時監(jiān)測，并反饋至控制系統(tǒng)15進行實時調(diào)控。熱風在干燥腔內(nèi)形成正壓，均勻穿透干燥煤樣9，與煤樣顆粒充分接觸并進行熱傳導，穿透煤層且透過干燥篩盤10后通過排風裝置11將其排出到設備外。通過濕度傳感器4感應煤樣干燥程度，待達到后端制樣所需閥值時，停止煤樣干燥，篩盤密封裝置7打開，干燥篩盤10向下翻轉(zhuǎn)至落料狀態(tài)。倒料完成后啟動篩盤清掃裝置12對干燥篩盤10反向噴吹清掃，為下一個煤樣的干燥預先準備。壓差傳感器1用于監(jiān)測干燥腔內(nèi)風壓，風壓異常時報警。電比例控制閥13用于干燥腔內(nèi)風量的調(diào)控。其中，干燥篩盤模型及實物如圖2所示。

3 風透干燥技術研究

3.1 篩網(wǎng)選擇

將煤樣放置于上述風透干燥實驗平臺上所用的干燥篩盤上，熱風穿透煤層并透過干燥篩盤再通過排風裝置將濕氣排至設備外。因此，干燥篩盤的制作原則是透氣不漏煤且有一定的承載能力。干燥樣盤的工作機理是利用微濾膜的篩分機理截留直徑大于0.1 μm的微粒。大于膜孔的煤微粒被截留，在風壓的作用下，煤粒中濕氣則夾雜在熱空氣中排出而達到干燥除濕的目的。微濾膜平均膜孔徑0.02 μm～10 μm，膜的物理結(jié)構、孔的形狀和大小決定膜的分離效果[8-13]。

基于上述原則，初步選擇膜孔徑分別約0.2 μm～0.4 μm的東麗膜、0.4 μm～0.5 μm的惠綸聚膜、5 μm不銹鋼過濾網(wǎng)、10 μm不銹鋼過濾網(wǎng)該4種材質(zhì)的微濾膜用于制作干燥篩盤。

3.1.1干燥性能對比試驗

實驗煤樣為3 mm褐煤，煤樣質(zhì)量約200 g，干燥時間10 min；干燥溫度:≤40 ℃；加熱方式:PTC加熱器，功率2 kW；鼓風方式:從上向下鼓風；鼓風風機:風壓11 kPa，風量83 m3/h。

篩網(wǎng)干燥性能對比試驗數(shù)據(jù)見表1，其中煤樣為褐煤，煤層厚度均為10 mm，干燥時間均為10 min。 實驗結(jié)論:①使用不同材質(zhì)的微濾膜對煤樣進行干燥，未見明顯煤粉損失。②對同種濕度較大的煤樣進行干燥后，不銹鋼材質(zhì)濾網(wǎng)中的煤樣干濕程度較均勻，濾網(wǎng)上煤樣黏附量極少，通過拍打濾網(wǎng)，可對明顯可見的煤粉進行清理；而東麗膜與惠綸聚膜2種材質(zhì)濾網(wǎng)中的煤樣未完全干透，篩網(wǎng)底部仍有較大濕氣，且有較多煤粉黏附其上，難以清理干凈。③連續(xù)干燥實驗23次后，10 μm和5 μm不銹鋼濾網(wǎng)干燥全水為30.02%的褐煤時，其10 min干燥效果明顯下降，5 μm不銹鋼濾網(wǎng)剛好達到后端制粉要求。原先通過拍打濾網(wǎng)的清理方式很難對已有堵塞的濾網(wǎng)清理干凈，而通過高壓氣槍對兩濾網(wǎng)清理后，10 μm不銹鋼濾網(wǎng)可恢復至未使用前狀態(tài)，但5 μm不銹鋼濾網(wǎng)恢復效果較差，隨著使用次數(shù)的增加，其恢復程度更差。因此，初步選擇10 μm不銹鋼過濾網(wǎng)作為篩盤制作材料。

表1 篩網(wǎng)干燥性能對比試驗Table 1 Contrast test of drying performance of screen

3.1.2干燥篩盤使用壽命測試

(1) 10 μm不銹鋼濾網(wǎng)使用壽命測試。測試實驗平臺為上述實驗裝置，實驗條件同上，此處不再贅述。將10 μm不銹鋼濾網(wǎng)制作成的干燥篩盤，在上述實驗裝置中翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，密封且鎖止，通過壓差傳感器1測試干燥腔的初始空載氣壓為460.6 Pa，然后加載3 mm褐煤(全水約31.50%)進行風透干燥實驗，每次干燥落料后對篩盤通過篩盤清掃裝置12通入高壓氣進行反面清理，實驗58次后干燥完畢煤樣仍可達到后端制樣的要求，但干燥效率逐漸下降，干燥篩盤的氣阻逐漸增大，表明干燥篩盤逐漸堵塞，干燥篩盤使用壽命首次實驗數(shù)據(jù)見表2，其中干燥時間均為10 min。

表2 篩網(wǎng)壽命首次測試數(shù)據(jù)Table 2 Screen life of the first test

由表2數(shù)據(jù)可知:前26次空載氣阻從460.6 Pa增至1 323 Pa，平均每次氣阻增加約33.2 Pa；26～47次空載氣阻從1 323 Pa增至2 093 Pa，平均每次氣阻增加約36.7 Pa，47～58次空載氣阻由2 093 Pa增至2 524 Pa，平均每次氣阻增加約39.2 Pa，若每次試驗后篩盤氣阻增加按40 Pa推算，氣阻增加至5 537 Pa(人為將干燥篩盤堵塞后進行干燥的煤樣勉強能達到后端制樣效果)為止，依此推斷10 μm新不銹鋼網(wǎng)篩盤在風壓11 kPa、風量83 m3/h的風機下針對全水為31.50%、外水約10%的3 mm褐煤可重復使用140次左右。

(2)20 μm不銹鋼濾網(wǎng)使用壽命測試。同等實驗條件下進行20 μm不銹鋼濾網(wǎng)使用壽命測試。將20 μm不銹鋼濾網(wǎng)制作成的干燥篩盤，在同等條件下進行實驗測試，其初始空載氣壓為137.2 Pa，每次干燥落料后對篩盤通過篩盤清掃裝置12通入高壓氣進行反面清理，實驗數(shù)據(jù)見表3，其中干燥時間同樣均為10 min。

表3 篩網(wǎng)壽命再次測試數(shù)據(jù)Table 3 Screen life of the second test

由表3數(shù)據(jù)可知，在煤樣干燥實驗過程中，每次干燥完成后對篩盤反面進行高壓氣清理，20 μm濾網(wǎng)在11 kPa風機下重復實驗，其空載狀態(tài)下氣阻增加不明顯，實驗次數(shù)達到75次后其空載風阻由137.2 Pa增至273.5 Pa，平均每次氣阻增加約1.82 Pa，而空載氣阻若達到5 880 Pa時(人為將干燥篩盤堵塞后進行干燥的煤樣勉強能達到后端制樣效果)，初步估算其使用次數(shù)約為2 870次(平均每次氣阻增加按2 Pa計)，遠高于10 μm濾網(wǎng)。

(3) 20 μm不銹鋼濾網(wǎng)煤粉損失測試。①實驗條件:實驗煤樣為3 mm煤樣，煤樣質(zhì)量約100 g，干燥時間10 min；干燥溫度:≤40 ℃；實驗設備:恒溫干燥箱、低溫風透干燥機。②實驗步驟:在將試樣制備成基本無水的理想狀態(tài)下，稱取粒度為3 mm的試樣約100 g，放置于107 ℃的恒溫干燥箱中干燥至恒重后，取出立刻稱取其質(zhì)量。迅速將恒重后的試樣放入低溫風透干燥機中進行干燥，干燥篩盤采用20 μm不銹鋼濾網(wǎng)制作，干燥溫度40 ℃，干燥時間10 min，干燥結(jié)束后及時稱量，查看其質(zhì)量變化情況。將風透干燥后的試樣繼續(xù)放置于107 ℃的恒溫干燥箱中干燥至恒重，對比前后2次恒重后質(zhì)量(兩者差值即風透過程中樣品的損失量)。③按照上述實驗步驟用不同煤種反復實驗，篩網(wǎng)煤粉損失實驗數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，將3 mm不同煤樣進行低溫風透干燥，在干燥過程中幾乎均無損失，由于實驗稱量用電子天平最小稱量精度為0.1 g，故采用20 μm不銹鋼濾網(wǎng)制成的干燥篩盤在低溫風透過程中樣品損失小于0.1g，因此煤粉損失可忽略不計。綜上所述，低溫風透干燥機中干燥篩盤優(yōu)先選用20 μm不銹鋼過濾網(wǎng)制作，其干燥效率滿足使用要求，干燥過程中煤粉損失可忽略不計，且不易堵塞，使用壽命長。

表4 篩網(wǎng)煤粉損失實驗數(shù)據(jù)Table 4 Test data of pulverized coal loss on screen

3.2 干燥控溫

在煤樣干燥過程中需對通入干燥腔的熱風溫度實時調(diào)控[14]。由于國標要求溫度不大于40 ℃或50 ℃，干燥溫度過高則易破壞煤樣特性，而溫度過低則影響干燥效率，因而實時自動調(diào)節(jié)干燥溫度以達到高效干燥的目的。

(1)干燥控溫模型?？販啬K主要由溫度傳感器、濕度傳感器、控制系統(tǒng)等組成，其中溫度傳感器用于監(jiān)測干燥腔內(nèi)的熱風溫度，濕度傳感器用于監(jiān)測干燥腔內(nèi)煤樣的實時濕度并反饋給控制系統(tǒng)，及時調(diào)節(jié)加熱組件的加熱功率或速率。

(2)加熱功率調(diào)節(jié)。加熱功率調(diào)節(jié)包括加熱最高溫度控制、干燥過程實時調(diào)節(jié)兩大方面。①加熱最高溫度控制。在干燥過程中根據(jù)干燥腔內(nèi)溫度傳感器反饋實時溫度，從而實時調(diào)控加熱組件功率，以使干燥腔內(nèi)的最高溫度控制在國標要求的溫度不大于40 ℃或50 ℃范圍內(nèi)。②干燥過程實時調(diào)節(jié)。結(jié)合煤樣特性和在干燥過程中濕度傳感器實時反饋濕度，實時調(diào)控加熱組件功率以達到既高效又經(jīng)濟的干燥目的。煤樣干燥控溫曲線如圖3所示。

圖3 煤樣干燥控溫曲線Fig.3 Drying temperature control curve of coal sample

(3)加熱速率調(diào)節(jié)。在煤樣干燥過程中，除了加熱最高溫度調(diào)控外，還可通過加熱速率調(diào)節(jié)以達到整體高效、經(jīng)濟的干燥目的。通過設置與濕度傳感器相配合的電比例控制閥，實時調(diào)節(jié)干燥熱風輸送氣壓量。①干燥初期。濕度傳感器檢測到煤樣濕度較大時調(diào)大電比例控制閥的閥門開度，進而增大干燥熱風輸送氣壓量，使得更多的熱風更快地輸送至干燥腔內(nèi)，加大前期的干燥效率從而提高干燥效果。②干燥后期。隨著干燥的后期進行，濕度傳感器實時檢測煤樣濕度；隨著煤樣濕度越來越小，電比例控制閥調(diào)小閥門開度，進而減少干燥熱風輸送的氣壓量，避免導致煤樣持續(xù)升溫而破壞煤樣的代表性，有利于后續(xù)的煤樣分析作業(yè)，不會造成由于煤樣過干燥而在后端破碎時產(chǎn)生揚塵的樣品流失。

3.3 干燥結(jié)束判斷

不同煤樣的水分含量不同，干燥除濕的過程也不同。煤樣未干透易導致后端制樣時的黏附和堵塞；煤樣過干燥則導致后端制樣時產(chǎn)生揚塵，從而破壞樣品的代表性，因此需設置煤樣干燥的結(jié)束條件。

(1)入料前外水含量檢測。在煤樣進入制樣系統(tǒng)之前，對煤樣的外水含量進行檢測,當樣品的外水含量大于預設值時再對煤樣進行干燥。

(2)煤樣風透干燥。當樣品的外水含量大于預設值，煤樣可進入低溫風透干燥設備中進行干燥。

(3)干燥結(jié)束判斷。在煤樣干燥過程中實時采集低溫風透干燥設備出風口處的水分含量，再通過以下方法判斷:① 曲率判斷。將出風口處實時水分含量隨時間變化的曲線進行求導，查看結(jié)果變化趨勢；若在一定時間內(nèi)變化結(jié)果趨于一致，則可判定為干燥去水已趨于穩(wěn)定，結(jié)束干燥。②與預設閥值比較。將出風口處實時檢測的水分含量值與設定閥值相比較，當實測的水分含量值不大于設定閥值時，結(jié)束干燥。③積分作差比較。將出風口處實時檢測的水分含量隨時間變化曲線上相鄰的相等時間段內(nèi)求積分運算，然后求差；若求差結(jié)果接近于零，則表示風透干燥去水已趨于穩(wěn)定，結(jié)束干燥[15]。

4 結(jié) 語

(1)基于低溫風透干燥機中干燥篩盤綜合加工成本、使用壽命等方面因素，優(yōu)先選用20 μm不銹鋼過濾網(wǎng)制作，其干燥效率高，干燥過程中煤粉損失可忽略不計，且不易堵塞，使用壽命長。

(2)在煤樣干燥過程中，通過最高溫度控制、干燥過程實時調(diào)節(jié)方式調(diào)控干燥溫度，大幅縮短干燥時間并提高干燥效率；同時通過加熱速率調(diào)節(jié)，達到整體高效、經(jīng)濟的干燥目的。

(3)對于同種煤樣，通過低溫風透干燥技術除濕，干燥效率是傳統(tǒng)干燥方式的3～7倍，且煤樣干燥相對均勻一致。

(4)通過對不同煤種的干燥結(jié)束判斷，可適時結(jié)束干燥，避免煤樣干燥不徹底和過干燥等問題。