大容量攪拌式氣透干燥機(jī)的研發(fā)及性能試驗驗證

肖鵬飛，周 磊，周樹光，付杰勤，游 維

(長沙開元儀器有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

煤樣制備是煤質(zhì)分析中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一[1]。煤樣制備一般包括破碎、縮分、混合、篩分、干燥等工序[2]。由于破碎、縮分等設(shè)備對煤樣濕度有較高的要求，濕度較大的煤樣容易給破碎、縮分等后續(xù)環(huán)節(jié)帶來黏堵與殘留，從而造成煤樣之間的交叉污染，樣品代表性變差等問題，因此煤樣干燥是煤樣制備中最重要的環(huán)節(jié)之一[3]。而在整個煤樣制備過程中，煤樣干燥效率是制約整個制樣效率的關(guān)鍵因素[4]。因此，如何設(shè)計一種在不影響煤樣代表性前提下，具備高效率、低損失特點的干燥設(shè)備，是整個煤炭制樣行業(yè)一直探索的重點課題之一。

李敬亞等[5]設(shè)計了一種煤樣分層式干燥設(shè)備及方法，用于干燥2 kg以下的3 mm煤樣，干燥效率明顯高于國標(biāo)規(guī)定的恒溫干燥箱法，同時煤樣損失率低至0.14%。張仲燾等[6]在干燥溫控、干燥結(jié)束條件判斷以及干燥篩網(wǎng)等方面進(jìn)行了研究，建立了干燥結(jié)束判斷模型，避免了煤樣干燥不徹底以及過干燥等問題。劉振喜[7]、秦曉東[8]等介紹了一種風(fēng)透干燥設(shè)備的原理與方法，其利用低溫?zé)犸L(fēng)穿透鋪置在篩網(wǎng)上的煤樣，配合刮掃裝置使熱風(fēng)與煤樣充分接觸，從而達(dá)到使煤樣快速干燥的目的，其干燥效率為恒溫干燥箱法的4倍～7倍，煤樣損失率為0.1%。杜軍芳[9]對煤樣不同干燥方式對化驗指標(biāo)的影響進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，煤樣各種不同的干燥方式對于煤樣的化驗指標(biāo)有一定影響。楊勻龍[10]提出了一種熱氣流煤樣快速干燥方法，該方法可快速去除煤樣外在水分，有效進(jìn)行實驗室煤樣快速干燥，滿足制樣要求，且不會影響煤樣本身特性。

目前，雖已有多種效率較高且煤樣損失較少的干燥方法及干燥設(shè)備相繼提出，但均適合少量煤樣的干燥，對于煤量較大時干燥設(shè)備的干燥效率以及煤樣損失情況少有研究。筆者開發(fā)了一種大容量攪拌式氣透干燥機(jī)，采用螺旋式葉片、蜂窩狀氣孔、粉料回收系統(tǒng)等設(shè)計，使得干燥腔內(nèi)的大量煤樣在螺旋式葉片的帶動下，與蜂窩孔中噴出的干燥熱空氣進(jìn)行充分熱交換，從而實現(xiàn)煤樣的快速干燥。為煤炭制備過程大煤樣量的快速干燥提供一種有效的解決方法。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

筆者開發(fā)的大容量攪拌式氣透干燥設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由干燥筒、攪拌組件、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、粉料回收系統(tǒng)、熱風(fēng)發(fā)生器、稱重模塊等組成[11]。

圖1 大容量攪拌式氣透干燥機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of large-capacity agitating air-permeable dryer

該干燥設(shè)備能單次對小于20 kg的煤樣進(jìn)行干燥，且大部分煤樣能在15 min制樣節(jié)拍內(nèi)完成干燥，對提高制樣效率與煤樣代表性有較大作用。該干燥設(shè)備的主要參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備主要參數(shù)Table 1 Main parameters of equipment

工作原理：控制系統(tǒng)16發(fā)出干燥機(jī)空閑指令后，待干燥煤樣從進(jìn)料口6進(jìn)入到干燥筒7內(nèi)。進(jìn)料完成后，進(jìn)氣控制閥3被打開，同時熱風(fēng)發(fā)生裝置以及除濕器開啟。熱風(fēng)發(fā)生器在溫控調(diào)節(jié)下，將輸出空氣的溫度控制在50 ℃以下某個設(shè)定值，并經(jīng)過除濕器后，將干燥的熱空氣通過外部進(jìn)氣管道2以及中空攪拌軸14送入到干燥筒內(nèi)。與此同時，在驅(qū)動機(jī)構(gòu)13的作用下，攪拌軸帶動螺旋式葉片15在干燥筒內(nèi)做圓周攪拌。通過中空攪拌軸的干熱氣流，從螺旋式葉片的蜂窩狀空中噴出，與被螺旋葉片拋灑起來的煤樣進(jìn)行充分接觸，從而使煤樣快速干燥。攪拌軸上設(shè)置有3層，每層2組的螺旋葉片，可以使干燥筒內(nèi)不同層的煤樣進(jìn)行充分混合，從而確保煤樣的均勻干燥，同時葉片與煤樣的快速機(jī)械碰撞使得煤樣在干燥過程中形成的結(jié)塊被分解，保證了出料煤樣粒度[12-13]。

與煤樣進(jìn)行充分接觸后的殘氣，將攜帶煤樣中水分以及煤粉從排氣管路4進(jìn)入到真空上料系統(tǒng)5中，殘氣與水分將從上料系統(tǒng)中鈦棒濾芯中排出系統(tǒng)，而煤粉將沉降在上料機(jī)下部的錐斗內(nèi)。待干燥完成后，通過控制卸料閥門8將此處的煤粉放入到出料斗9內(nèi)，與干燥筒內(nèi)經(jīng)出口閘板閥10放出的干燥后的煤樣進(jìn)行混合，從而保證了整個干燥過程中煤樣的完整性。干燥筒內(nèi)完成放料后，系統(tǒng)會啟動葉片高速旋轉(zhuǎn)，在葉片端部聚氨酯刮板作用下，筒壁與筒底的殘煤將被全部清除進(jìn)入到出料斗內(nèi)，從而避免了由于殘留的煤樣帶來的交叉污染。

干燥結(jié)束判斷：整個設(shè)備在安裝支座12與干燥主體之間安裝有稱重模塊11，并且干燥主體與進(jìn)氣管路與排氣管路以及出料斗之間采用軟連接，即可屏蔽此部分對稱重的影響。在進(jìn)料完成后，且干燥設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時，稱重傳感器將讀取進(jìn)料煤樣的質(zhì)量，然后啟動設(shè)備工作。在工作10 min后，每1 min停機(jī)10 s，對煤樣進(jìn)行稱重，系統(tǒng)通過分析稱重變化趨勢以及前后兩次稱重差值來判斷干燥狀態(tài)，當(dāng)差值小于預(yù)設(shè)的閾值時，結(jié)束干燥。

筆者設(shè)計開發(fā)的大容量攪拌式干燥機(jī)實物如圖2所示。

圖2 大容量攪拌式氣透干燥機(jī)Fig.2 large-capacity agitating air-permeable dryer

2 性能試驗

為了驗證所開發(fā)干燥機(jī)的性能指標(biāo)，將對該干燥機(jī)進(jìn)行如下試驗：

(1)測試大容量攪拌式氣透干燥機(jī)的煤樣損失率；

(2)以國標(biāo)規(guī)定的恒溫干燥箱法進(jìn)行參比，測試最佳試驗條件下，大容量攪拌式氣透干燥機(jī)的干燥效率；

(3)以恒溫干燥箱法作為參比方法，攪拌氣透干燥方式作為替代方法，針對灰分指標(biāo)，進(jìn)行可替代性檢驗。

2.1 試驗程序

2.1.1煤樣損失試驗

煤樣損失試驗主要檢測干燥系統(tǒng)在各個環(huán)節(jié)的殘留量以及煤粉被殘風(fēng)帶出系統(tǒng)的質(zhì)量。

為了排除煤樣中水分對結(jié)果產(chǎn)生的影響，損失試驗選用國標(biāo)方法干燥后的6 mm煤樣(干基灰分約為28%)進(jìn)行試驗，每組煤樣約為5 kg，共進(jìn)行10組干燥試驗。試驗開始后，逐一將質(zhì)量為m0的測試煤樣加入到上述干燥設(shè)備中，在只給干燥筒內(nèi)通干燥常溫空氣情況下，干燥機(jī)運行10 min，完成后稱量出料質(zhì)量m1。

按照上述試驗步驟，得到煤樣損失率為：

(1)

式中，L為煤樣損失率，%；m0為干燥前煤樣質(zhì)量，kg；m1為干燥后煤樣質(zhì)量，kg。

2.1.2干燥效率試驗

干燥效率是單位時間內(nèi)，干燥設(shè)備所去除煤樣水分的能力。

攪拌式風(fēng)透干燥機(jī)的按最佳試驗參數(shù)進(jìn)行效率試驗，具體試驗參數(shù)見表2。

表2 干燥效率試驗參數(shù)Table 2 Drying efficiency test parameters

在干燥效率試驗中為了排除取樣誤差帶來的影響，對試驗用6 mm煤樣(干基灰分約為28%)進(jìn)行充分混勻，然后用二分器分別取出參比樣標(biāo)號為C1-C10與試驗樣標(biāo)號為F1-F10煤樣進(jìn)行干燥效率對比試驗。

以恒溫干燥箱法進(jìn)行參比，該方法在操作過程中幾乎無損失，因此計算效率時無需考慮損失因素。

此方法的干燥效率為：

(2)

式中，P0為恒溫干燥箱法干燥效率，g/h；M0為干燥前試驗煤樣質(zhì)量，kg；M1為干燥后試驗煤樣質(zhì)量，kg。

攪拌式風(fēng)透干燥方式，在工作過程中存在一定的損失，損失率為L，因此在計算干燥效率時需要排除煤樣損失因素，其效率計算為：

(3)

式中，P1為攪拌式風(fēng)透干燥法干燥效率，g/h；M0為干燥前試驗煤樣質(zhì)量，kg；M1為干燥后試驗煤樣質(zhì)量，kg；L為攪拌式風(fēng)透干燥法干燥過程煤樣損失率。

2.1.3可替代性試驗

用于可替代性試驗的試驗參數(shù)見表3。

表3 可替代性試驗參數(shù)Table 3 Replaceability test parameters

按照GB 474煤樣制備方法進(jìn)行煤樣制備[14-15]，流程如圖3所示。

圖3 煤樣制備流程Fig.3 Coal sample preparation process

按照上述流程，完成煤樣A的干燥試驗，并制備出0.2 mm分析樣，送化驗室進(jìn)行灰分指標(biāo)化驗。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1煤樣損失結(jié)果及分析

按照煤樣損失試驗流程，完成試驗后獲得10組煤樣干燥前后質(zhì)量數(shù)據(jù)，由此數(shù)據(jù)得到煤樣損失折線圖，如圖4所示。

圖4 煤樣損失Fig.4 Loss of coal sample

由圖4試驗結(jié)果可知，在上述試驗條件下，干燥前后最大煤樣損失為15 g，最小損失為9 g，平均值為12.1 g，平均損失率為0.24%，遠(yuǎn)低于國標(biāo)規(guī)定的1%要求。

2.2.2干燥效率結(jié)果及分析

按照干燥效率試驗流程與試驗參數(shù)，完成試驗后得到試驗數(shù)據(jù)見表4。

由表4數(shù)據(jù)分析設(shè)備方法F與國標(biāo)方法C的干燥效率對比如圖5所示。

表4 干燥效率試驗數(shù)據(jù)Table 4 Drying efficiency test data

由圖5可知，在文中試驗參數(shù)與試驗條件下，攪拌式風(fēng)透干燥機(jī)干燥效率平均值為80.44 g/min，恒溫箱法干燥效率平均值為24.73 g/min，即前者遠(yuǎn)大于后者。

圖5 干燥效率對比Fig.5 Comparison of drying efficiency

2.2.3灰分可替代性分析

按照GB/T 18510中灰分可替代性試驗流程，完成煤樣A的灰分可替代性試驗，分別得到20組設(shè)備方法下的干基灰分Ad和國標(biāo)方法的干基灰分Ad，其具體數(shù)據(jù)見表5，其中，d表示設(shè)備法干基灰分與國標(biāo)方法干基灰分的差值。

表5 灰分可替代性試驗數(shù)據(jù)Table 5 Ash replaceability test data

2.2.3.1準(zhǔn)確度分析

根據(jù)表5試驗結(jié)果，按照GB/T 18510進(jìn)行可替代性分析[16]。

① 計算平均差：

(4)

② 標(biāo)準(zhǔn)差：

(5)

式中，Sd為設(shè)備方法與國標(biāo)方法灰分的標(biāo)準(zhǔn)差；di為設(shè)備方法與國標(biāo)方法灰分的差值；n為試驗組數(shù)，即n=20。

將表5數(shù)值代入式(5)中，得Sd=0.156 3。

③t檢驗：

計算統(tǒng)計量：

(6)

將式(4)與式(5)計算得到的結(jié)果代入上式(6)中得到tc=0.4。

根據(jù)GB/T 18510中t檢驗相應(yīng)表查得，自由度為19時，臨界值tt=2.093。

對比上式(6)計算得到結(jié)果，可知：tc

④ 計算95%概率下Ad差值d的置信區(qū)間：

(7)

95%概率下，Ad差值d的置信限為(-0.341，0.313)。由于試驗用煤灰分平均值為43.37%，查GB/T 212表2，當(dāng)灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)>30%時，灰分測定的再現(xiàn)性臨界差為0.7%。Ad差值d的置信區(qū)間[-0.341,0.313]在[-0.7,0.7]的區(qū)間內(nèi)，符合再現(xiàn)性要求。

因此，攪拌式氣透干燥機(jī)與國標(biāo)方法的制樣準(zhǔn)確度無顯著差異。

2.2.3.2灰分精密度分析

表6 精密度試驗數(shù)據(jù)Table 6 Precision test data

根據(jù)上表6數(shù)據(jù)，計算設(shè)備的可替代性方法的重復(fù)性測定方差：

(8)

(9)

3 結(jié) 論

為解決煤炭制樣干燥過程中煤樣黏結(jié)、干燥效率低以及損失大等問題，開發(fā)了一種大容量攪拌式風(fēng)透干燥機(jī)，并通過試驗驗證了其可行性，得到如下結(jié)論：

(1)該干燥機(jī)工作過程平均煤樣損失率為0.24%，遠(yuǎn)低于國標(biāo)規(guī)定的1%要求。

(2)以國標(biāo)規(guī)定的恒溫箱干燥法作為參比方法，大容量攪拌式風(fēng)透干燥機(jī)的干燥效率平均值為80.44 g/min，遠(yuǎn)高于恒溫箱法的24.73 g/min。

(3)以國標(biāo)規(guī)定的恒溫箱干燥法作為參比方法，進(jìn)行可替代性試驗，結(jié)果表明：對于灰分指標(biāo)，設(shè)備方法能完全替代國標(biāo)方法。

(4)大容量攪拌式風(fēng)透干燥機(jī)采用螺旋式葉片、蜂窩狀氣孔、粉料回收系統(tǒng)等設(shè)計，解決了干燥過程中煤樣黏結(jié)問題，實現(xiàn)了大容量煤樣的快速干燥，可用于煤樣的制備過程。