一種生焦干燥及尾氣處理工藝的技術(shù)研究

唐浩(寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 201900)

0 引言

煤系針狀焦是生產(chǎn)超高功率石墨電極的主要原料，是由煤瀝青經(jīng)過原料預處理、延遲焦化和煅燒三個工序生產(chǎn)的。延遲焦化生產(chǎn)的針狀焦含有較高的水分和揮發(fā)性組分，稱為生焦，需進行高溫煅燒處理才能作為高功率、超高功率石墨電極的原料。煅燒的目的是脫除生焦中的水分和揮發(fā)分，提高焦炭的含碳量、密度、強度、導電性和化學穩(wěn)定性[1-2]。

煅燒的過程實質(zhì)上是生焦在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)預熱、水分蒸發(fā)、揮發(fā)分逸出及最終燒成的過程，對于煤系針狀焦其煅燒溫度為1400～1500 ℃，煅燒的熱源主要由外供燃料、揮發(fā)分燃燒以及焦炭的自身燃燒來提供。正是由于回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦時所需求的溫度較高，而針狀焦生焦的揮發(fā)分一般較低約為6%左右，因此為了達到煅燒所需熱量，除需要大量外供燃料外，還增大了針狀焦的炭質(zhì)燒損，造成了大量的浪費，導致煅燒收率較低，一般僅達到70%～72%[2]。在此情況下，如果能夠降低生焦含水量，則勢必會對降低生焦燒損起到一定的積極作用。同時，生焦作為電池負極材料的重要原料，對來料水分的要求也較為嚴格，一般不得高于5%。

本文根據(jù)某企業(yè)的實際生產(chǎn)情況，設計選用了滾筒式干燥機用于生焦干燥過程并針對性設置了干燥尾氣處理裝置。

1 基礎條件

某企業(yè)新建一套煤系針狀焦生產(chǎn)裝置，延遲焦化產(chǎn)出的生焦含水率較高，特增設一套生焦干燥裝置，要求每小時烘干后生焦成品產(chǎn)量為12 t，干燥機采用間接加熱，干燥介質(zhì)為0.8 MPa飽和蒸汽，另要求干燥過程嚴格控制生焦粉末率。干燥過程產(chǎn)生的尾氣所含焦粉粒子、焦油類異味(H2S、氨、焦油霧等)及水分等物質(zhì)也應當?shù)玫接行Э刂疲坏弥迸糯髿?。具體設計條件如下：

該裝置設計每小時干燥能力為12 t/h(干基)；

濕物料初含水率P1=12%(干燥機進口)，初始溫度：T1=30 ℃；

干基物料含水率P2=3%(干燥機出口)，終了溫度：T2=100 ℃；

干燥間接加熱介質(zhì)： 0.8 MPa飽和水蒸汽，工作溫度169 ℃；

干燥車間溫度30 ℃，干燥機排潮溫度90 ℃，潮氣按70 ℃出現(xiàn)冷凝水計算。

2 干燥設備的選擇

2.1 設備選擇

自延遲焦化而來的生焦普遍具有塊徑大、易粉碎、待除水分主要為外在水的特點，在干燥設備的選擇時既要考慮換熱性能，又要充分考慮其耐蝕性、耐磨性和防沖擊性。經(jīng)綜合考慮選用了回轉(zhuǎn)列管干燥機，其主要由筒體、內(nèi)加熱管束、外加熱伴管、滾圈、托輪、電機、減速機等傳動機構(gòu)、底座支撐裝置和旋轉(zhuǎn)接頭、高溫球閥等附屬裝置組成，以低壓飽和蒸汽作為傳熱介質(zhì)，主體略帶傾斜并能作回轉(zhuǎn)運動。

2.2 設備工作原理

將蒸汽通過旋轉(zhuǎn)接頭加入干燥機，蒸汽進入干燥機后通過筒體外壁及內(nèi)加熱排管間接與物料充分接觸。濕物料從較高端進入干燥機筒體與加熱排管的空間，物料在帶有傾斜度的筒體回轉(zhuǎn)作用下向尾部移動，物料在移動過程中，受到筒體內(nèi)特殊結(jié)構(gòu)及布置的抄料板和加熱排管的連續(xù)翻動，在干燥機內(nèi)均勻分布與分散并不斷地撒落在管束上，極大加快了濕物料在干燥機內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)過程，最后完成干燥過程的合格物料由干燥機尾部的排料口均勻地排出，進入下一道篩分工序。

該滾筒式干燥機傳熱面積大，熱效率高。單位容積的干燥能力是常規(guī)間接加熱干燥機的3倍以上，熱效率高達95%；對物料特性的適應性比較強，物料干燥范圍大，物料干燥的均勻性好；干燥機內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料；尤其是筒體外覆伴管的獨特結(jié)構(gòu)，既強化了對已分散物料的清掃和熱傳導作用，又消除了筒體內(nèi)壁的沾粘現(xiàn)象，對物料水分、粘性變化的適應性更強，同時極大地延長了設備使用壽命。

3 干燥物料及熱量衡算

3.1 干燥物料衡算(按每小時為單位)

干燥前后絕干物料質(zhì)量不變：M=12×103×(1-3%)=11 640 kg；

初始含水量：M1=M÷(1-12%)×12%=1 588 kg；

終了含水量：M2=M÷(1-3%)×3%=360 kg；

水分蒸發(fā)量：M3=M1-M2=1 588-360=1 230 kg。

3.2 干燥熱量衡算(按每小時為單位)

(1)生焦升溫所需熱量Q1

生焦碳的比熱容1.8 kJ/kg·℃

(2)水分吸收熱量Q2

水的比熱容：Cs=4.18 kJ/kg·℃；

90 ℃水的蒸發(fā)熱：△H=2.283×103kJ/kg；

產(chǎn)品生焦所含水分吸收的熱量：

蒸發(fā)出的水分吸收的熱量：

因此水分吸收總熱量：

(3)空氣帶走熱量Qq

干燥車間平均溫度30 ℃，相對濕度30%，氣壓101 kPa；干燥車間空氣密度ρq約：1.154 488 kg/m3；凈含干空氣約：1.145 144 kg/m3；凈含水汽約：0.009 344 kg/m3。

干燥機排潮系統(tǒng)中，布袋除塵器露點溫度一般取70 ℃，相當于潮氣溫度90 ℃，相對濕度20%，其參數(shù)如下：空氣密度約：0.918 341 kg/m3；凈含干空氣約：0.719 816 kg/m3；凈含水汽約：0.198 525 kg/m3。

干燥機溫度90 ℃，相對濕度20%潮氣中1 kg凈干空氣凈含水汽約0.275 8 kg。

干燥車間溫度30 ℃，相對濕度30%空氣中1 kg凈干空氣凈含水汽約0.008 16 kg。

干燥機1 h需要溫度30 ℃，相對濕度30%的空氣量Vk：

干燥機1 h排出溫度90 ℃，相對濕度20%的潮氣量Vc：

空氣比熱容Cs=1.011 256 kJ/kg·℃；

空氣帶走的熱量：

3.3 干燥機干燥效率

回轉(zhuǎn)列管干燥機換熱效率據(jù)經(jīng)驗取95%計，故實現(xiàn)以上干燥能力所需熱量為：

3.4 蒸汽耗量計算

滾筒式干燥機排水溫度為140 ℃左右；

水的比熱容：Cs=4.18 kJ/kg·℃；

4 干燥尾氣的處理

在生焦干燥過程中，水分經(jīng)過間接加熱而蒸發(fā)，同時伴隨干燥機的回轉(zhuǎn)運動，焦塊承受反復跌落沖擊產(chǎn)生一定量的焦粉揚塵，以及隨溫度升高部分揮發(fā)分的逃逸，形成成分基本為焦粉粒子、焦油類異味(H2S、氨、焦油霧等)及水蒸汽等的尾氣混合物。性質(zhì)特點為含塵、粒度細、形狀不規(guī)則含濕量大、溫度高、腐蝕性，會對后續(xù)除塵系統(tǒng)要求比較高，若采用傳統(tǒng)布袋除塵器，則極易造成粘結(jié)、糊袋，從而讓布袋除塵器阻力加大，直至失去作用，嚴重影響干燥機的生產(chǎn)效率。這都使得煙氣凈化除塵具有了相當大的難度。針對該情況，如何選用高品質(zhì)的除塵及清灰技術(shù)就成了關(guān)鍵所在。

目前，在工業(yè)尾氣排放時使用的除塵形式主要有：濕式除塵和干法除塵兩大類。根據(jù)國內(nèi)外的大量工程實踐經(jīng)驗表明：濕式除塵器投資較大，腐蝕嚴重，而且會造成二次污染。旋風除塵因?qū)Α? μm顆粒分離效率很低，很難達標排放。靜電除塵器在除塵效率及二次污染方面都優(yōu)于濕式除塵器，但在使用過程中，影響除塵器性能的因素太多，比如：煙氣粉塵的比電阻、粉塵的粒度、粉塵的濃度、甚至粉塵的濕度、溫度都會對除塵效率有較大的影響，而這些因素又是在生產(chǎn)中難于控制合適的因素，任何生產(chǎn)工況都很難保持特別穩(wěn)定，且一次性投資大。因此靜電除塵器有一定的局限性。脈沖袋式、濾筒除塵器在濕度大的工況下使用效果較差。

與以上除塵器相比，塑燒板除塵器就比較好的克服了這些弊端，該除塵器處理煙塵量大，可以做到微米級孔徑，除塵效率高能夠達到99.5%以上，疏水性好，耐濕、耐油能力強，而且維護費用低，塑燒板濾芯為剛性結(jié)構(gòu)，強度好，反吹清灰效果好，又無骨架磨損，使用壽命相對較長。但其耐溫性能較差，處理溫度較高的含塵含濕氣體時，需配套前置降溫器。利用光氧凈化裝置進一步對除塵后的尾氣進行處理，其主要通過高臭氧UV紫外線的照射，裂解分子鏈結(jié)構(gòu)，使生焦干燥逃逸的揮發(fā)性有機物分子鏈降解轉(zhuǎn)變成低分子化合物，如：CO2、H2O等。

干燥尾氣處理的工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 干燥尾氣處理的工藝流程簡圖

5 結(jié)語

通過對延遲焦化而來的含濕生焦采用滾筒干燥機干燥后，其水分可以控制在3%左右，滿足后續(xù)負極材料加工的要求，也一定程度上降低了生焦煅燒過程中的燒損率，同時也降低了生焦輸送過程中對輸送設備的腐蝕情況。其配套尾氣處理裝置，能夠有效凈化干燥尾氣，使其達標排放。綜合以上，本文所述滾筒式干燥機及其尾氣處理裝置具有一定的推廣使用價值。