熱風和熱風蒸汽煤調濕工藝的能耗分析

0兩種煤調濕工藝的適用性中國是著名的焦化工生產國。自2003年以來，焦酸焦產量和出口一直保持不變。煤調濕(coalmoisturecontrol,CMC)技術作為煉焦工序中的一種入爐煤預處理技術,將煉焦煤水分由12%降至6.5%左右,可降低煉焦總能耗,減少焦化水量,改善焦炭質量,已廣泛應用于目前的焦化行業當中針對熱風和煙道氣煤調濕工藝的安全問題,本實驗提出了一種以過熱蒸汽為干燥介質的煉焦煤煤調濕技術.利用自制穿流干燥裝置分別進行熱風和過熱蒸汽煤調濕實驗,研究不同干燥介質下煉焦煤干燥特性以及干燥介質溫度、氣流速度和料層厚度對煉焦煤干燥特性的影響,優化熱風和過熱蒸汽煤調濕工藝參數.將兩種煤調濕工藝的調濕能耗和調濕時間進行對比,論證過熱蒸汽應用于煤調濕技術的可行性.1實驗部分1.1原料配比分析原料為江西豐城焦化廠提供的配煤后煤樣,水分質量分數為(11.90±0.35)%,主要配比煤種包括金盛主焦煤、鄒城氣煤、平頂山主焦煤和鄒城氣煤等,原料的工業分析見表1.1.2實驗設備1.2.1載物臺懸吊保溫層.自制薄層穿流干燥裝置主要結構見圖1.干燥室為圓柱形結構,內口直徑為150mm,材料為普通碳鋼,外部為5mm聚四氟乙烯(PTFE)保溫層.干燥室內有圓柱形載物臺,其上部凸緣使得載物臺懸吊在干燥室內;載物臺底部為多孔金屬網,使得干燥介質可穿流通過焦煤物料層.實驗過程中,載物臺可從干燥室內快速拿出稱重并放回.干燥介質經進氣閥門,由下而上進入干燥室,對焦煤物料進行穿流干燥,而后從干燥室上部排出.1.2.2實驗原料和設備漩渦風機(上海獅歌高壓風機科技有限公司)、加熱器(上海淶恒電熱電器有限公司)、自制過熱蒸汽發生器(0.7MPa)、溫度傳感器(400℃,OME-GA)、電熱恒溫干燥箱(天津市中環實驗電爐有限公司)、馬弗爐(天津實馬介電爐廠)、刻度尺(精度:1mm)、電子天平(精度:0.02g).1.3實驗方法1.3.1熱風干燥和過熱蒸汽干燥調濕熱風干燥調濕實驗:打開風機和加熱器,根據實驗需要調節風量和風溫,并對實驗裝置進行預熱.取出載物臺,快速裝載一定厚度的焦煤物料,并放回干燥室內,此時為干燥實驗開始時刻.干燥過程中每經過固定時間間隔,快速取出載物臺并稱重,記錄重量,以便后續計算樣品水分.在實驗過程中,熱風溫度分別為:60℃,75℃,90℃,105℃和120℃;煉焦煤厚度分別為30mm,60mm,90mm和120mm;熱風風速分別為0.28m/s,0.38m/s和0.48m/s.過熱蒸汽干燥調濕實驗:打開自制過熱蒸汽發生器,調整過熱蒸汽的流量和溫度,并對干燥裝置進行預熱.其他實驗步驟與熱風干燥實驗相同.在實驗過程中,過熱蒸汽溫度分別為120℃,160℃和200℃;煉焦煤厚度分別為40mm,80mm和160mm;過熱蒸汽流量分別設置為7kg/h和9kg/h;過熱蒸汽流速為0.070m/s~0.090m/s.1.3.2濕基水分的測定在進行煉焦煤干燥去濕之前,要對煤樣進行水分測定.本實驗中所有水分均表示物料的濕基水分,測定方法為105℃下,烘箱中加熱時間12h,水分按式(1)計算:式中:w1.3.3設備處理裝置處理量定義為單位時間內利用穿流干燥裝置進行煉焦煤調濕的物料處理量.裝置處理量按式(2)計算:式中:m1.3.4煤調濕能耗計算煤調濕能耗定義為煉焦煤樣品由初始含水量干燥到水分為6%的過程中,平均每處理1kg物料所消耗的能量,煤調濕能耗按式(3)計算:式中:Q為煤調濕能耗,kJ/kg;v為干燥介質流速,m/s;ρ2結果與討論2.1加熱干燥調整濕2.1.1熱風溫度對干燥調濕的影響在料層厚度為30mm、熱風風速為0.28m/s,熱風溫度分別為60℃,75℃,90℃,105℃和120℃條件下煉焦煤的干燥曲線見圖2.由圖2可以看出,熱風溫度是煉焦煤干燥調濕的一個重要參數.在熱風溫度分別為60℃,75℃,90℃,105℃和120℃條件下,煉焦煤由初始水分干燥到水分為6%的時間分別為10min,7min,5min,5min和4min.熱風溫度越高,煉焦煤干燥調濕的時間越短.因此,在煉焦煤干燥調濕過程中,適當提高干燥介質溫度,有利于縮短煉焦煤的干燥調濕時間和提高設備處理能力2.1.2料層厚度對干燥煤調濕的影響圖3所示為煉焦煤在熱風風溫為75℃,風速為0.38m/s,料層厚度分別為30mm,60mm,90mm,120mm條件下的干燥曲線.由圖3可以看出,當料層厚度為30mm時,煤樣從初始水分干燥到水分為6%僅用了7min.當料層厚度為60mm時,這一時間為22min,是之前的3倍多,而當料層厚度超過90mm時,其干燥時間達到1h以上.這說明料層厚度是影響煉焦煤干燥速率的決定性因素之一.在熱風風溫為75℃,風速為0.38m/s時,不同料層厚度對應的物料處理量計算結果見表2.由表2可以看出,料層厚度為30mm時的單位時間物料處理量是料層厚度為60mm時的物料處理量的1.5倍,是料層厚度為120mm時物料處理量的3.0倍.這是因為當料層厚度較小時,熱風可穿透煤層,并快速帶走煤層蒸發的水分.因此,合理地控制煉焦煤料層厚度可大大增加煤調濕設備的處理量,提高生產效率2.1.3熱風風速影響圖4所示為煉焦煤在風溫為75℃,料層厚度為30mm,風速分別為0.28m/s,0.38m/s,0.48m/s的條件下的干燥曲線.當風速大于0.48m/s時,實驗觀察到煉焦煤干燥調濕后期出現揚塵現象.由圖4可以看出,當熱風風速分別為0.28m/s,0.38m/s,0.48m/s時,煉焦煤從初始水分干燥到水分為6%的時間分別為7min,5min和3min,即風速每增加0.10m/s,所需干燥時間會減少2min.因此,增大風速有利于縮短煉焦煤干燥調濕時間.這是因為較大的風速能夠使物料浮動,增大物料顆粒間的距離,增加物料顆粒與干燥介質的接觸面積.同時,較大的風速可使物料表面與周圍環境的壓差增大,增加了水分擴散動力.另外,較大的風速也能將煉焦煤干燥出來的水分及時帶走,有利于干燥過程的進行2.2過熱蒸汽干燥調濕圖5所示為料層厚度為40mm,過熱蒸汽流量為7kg/h,過熱蒸汽溫度分別為120℃,160℃,200℃條件下煉焦煤的干燥曲線.圖6所示為過熱蒸汽流量為7kg/h,過熱蒸汽溫度為160℃,料層厚度分別為40mm,80mm,160mm條件下的干燥曲線.圖7所示為過熱蒸汽溫度為160℃,料層厚度為40mm,蒸汽流量分別為7kg/h和9kg/h條件下的干燥曲線.由圖5~圖7可以看出,當干燥介質為過熱蒸汽時,與煉焦煤熱風干燥調濕的基本規律大致相同,即提高干燥介質溫度、合理控制料層厚度以及合理增大干燥介質流量均能縮短煉焦煤從初始水分干燥到水分為6%所需時間,并且適當降低料層厚度可提高干燥裝置物料處理量3熱風煤調濕的能耗特性假設整個調濕過程無熱量損失,每將1kg煉焦煤從初始水分干燥至水分為6%所消耗的外部能量Q按式(3)計算.熱風風速為0.28m/s~0.48m/s,干燥介質溫度為60℃~120℃,料層厚度為30mm條件下能耗等值見圖8.由圖8可以看出,熱風煤調濕過程中,每處理1kg濕物料,在高溫條件下比低溫條件下所消耗的能量小.原因為:在熱風干燥調濕過程中,熱風供給熱量分成三部分,由大到小依次為:廢氣帶走熱量、煉焦煤升溫吸熱、水分蒸發熱量.熱風溫度高,帶濕和熱量供給能力急劇增加,因而熱風用量小,廢氣量少,能耗減少.過熱蒸汽流速為0.070m/s~0.090m/s,過熱蒸汽溫度為120℃~200℃,料層厚度為40mm條件下能耗等值見圖9.由圖9可以看出,當過熱蒸汽溫度大于160℃時,其能耗將會隨溫度的升高而增加.因此,與熱風干燥調濕工藝相反,在過熱蒸汽煤調濕工藝中,必須控制過熱蒸汽溫度以降低能耗.在過熱蒸汽調濕過程中,由于過熱蒸汽溫度高,物料升溫大.熱量消耗由大到小依次為:煉焦煤升溫吸熱、出口蒸汽帶走熱量、水分蒸發熱量.當過熱蒸汽溫度升高時,煉焦煤升溫吸熱量增加,因此調濕能耗相應增加.在本實驗條件下,對熱風和過熱蒸汽干燥調濕工藝過程進行優化.優化后的熱風調濕工藝參數為:熱風風速為0.48m/s,熱風溫度為120℃,料層厚度為40mm,相應能耗為1326kJ/kg物料.優化后的過熱蒸汽煤調濕工藝參數為:過熱蒸汽流速為0.09m/s(9kg/h)、溫度為160℃及料層厚度為40mm,能耗為856kJ/kg物料.利用過熱蒸汽對煉焦煤進行去濕時,干燥裝置出口的過熱蒸汽溫度為105℃,蒸汽仍處于過熱狀態,若考慮將這部分顯熱回收利用,其能耗范圍與熱風煤調濕能耗范圍對比見表3.由表3可以看出,過熱蒸汽煤調濕過程更為節能.在各自的最佳工藝參數條件下,熱風煤調濕的時間為5min,而過熱蒸汽煤調濕的時間僅為3min.因此,無論是從能耗范圍還是從干燥速率的角度來看,過熱蒸汽煤調濕都優于熱風煤調濕;再加上過熱蒸汽調濕無爆炸危險,因而過熱蒸汽煤調濕工藝具有較大的應用潛力4兩種煤調濕工藝