張 賾

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針對(duì)褐煤煤粉進(jìn)行提質(zhì)干燥是重要的工業(yè)處理手段之一，褐煤煤粉提質(zhì)干燥效果受其流動(dòng)特性影響很大。本文從褐煤煤粉的提質(zhì)干燥特性與機(jī)理入手，通過模擬實(shí)驗(yàn)分析氣固比、氣流流速、煙氣溫度三種主要流動(dòng)特性對(duì)提質(zhì)干燥過程和結(jié)果的影響，在理論上為褐煤煤粉的工業(yè)處理提供一定的優(yōu)化參考依據(jù)，提升褐煤的應(yīng)用能效。

褐煤是我國(guó)常用的礦物質(zhì)燃料，長(zhǎng)期以來用量一直居高不下，但由于褐煤熱值低、濕度大，使用時(shí)產(chǎn)生的熱量有相當(dāng)一部分被水蒸氣帶走，所以熱效率非常低。為提高褐煤的工業(yè)利用能效，需要對(duì)褐煤進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，降低其濕度以保證熱效率，提質(zhì)干燥正是目前比較常用的一種處理方法，其中以立管干燥技術(shù)最為先進(jìn)，應(yīng)用能效也最好，本文即以這種干燥技術(shù)為研究對(duì)象，探析該技術(shù)中流動(dòng)特性因素所產(chǎn)生的影響。

褐煤煤粉的提質(zhì)干燥概述

褐煤煤粉的特征

褐煤即柴煤，是礦產(chǎn)煤的一種，其煤化程度低，具有較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性，暴露在空氣中會(huì)迅速風(fēng)化，所以儲(chǔ)存、運(yùn)輸都比較困難。這種煤優(yōu)點(diǎn)有二：其一是揮發(fā)性強(qiáng)，易于燃燒，使用要求比較低；其二是價(jià)格低廉，產(chǎn)量大，開采后可直接使用。但褐煤的熱值非常低，為了盡可能提高其使用效率，往往將其磨制成擁有較大表面積的煤粉使用。然而，磨成煤粉雖然可以一定程度上提高其燃燒率，但無法去除其中的水分，所以褐煤煤粉還需要進(jìn)一步進(jìn)行提質(zhì)干燥處理。

褐煤煤粉的提質(zhì)干燥機(jī)理

褐煤煤粉有多種干燥技術(shù)，按干燥機(jī)理可以分為兩種，一種是脫水干燥，又稱蒸發(fā)干燥，另一種是熱解干燥。干燥立管式的提質(zhì)干燥法則屬于蒸發(fā)干燥中的氣流干燥，具有瞬時(shí)化、高速化特征，基本機(jī)理是流態(tài)化的稀相輸送，干燥介質(zhì)是立式直管。

干燥立管式提質(zhì)干燥技術(shù)的第一步是褐煤煤粉與高溫?zé)煔獾幕旌?。首先，鍋爐產(chǎn)生高溫?zé)煔?，然后以鼓風(fēng)機(jī)和管道引導(dǎo)這些煙氣，將之直接送入干燥立管，褐煤的煤粉則以進(jìn)料斗同樣送入干燥立管，煤粉和高溫?zé)煔庠诹⒐苤邢嗷ソ佑|并混合在一起，以氣固混合相的形式存在。之后，高溫?zé)煔庠跍囟茸饔孟卵亓⒐懿粩嗌仙?，褐煤煤粉便在混合狀態(tài)下隨之上升，在這一過程中，混合物不斷發(fā)生熱值傳遞，煤粉中的水分迅速流失，干燥作用由此實(shí)現(xiàn)。最后，混合物的提質(zhì)干燥完成并進(jìn)入分離器，經(jīng)過分離器的分離與進(jìn)一步的除塵以后，褐煤煤粉和煙氣分離開來，褐煤煤粉收集使用，煙氣則送入污染處理裝置，經(jīng)過一定的凈化后排入大氣或另作他用。由于該機(jī)理利用了氣固混合相的流動(dòng)特性，所以提質(zhì)干燥的能效理所當(dāng)然會(huì)受到流動(dòng)特性的影響，但由于氣固混合相流動(dòng)特性要素都有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，所以在分析上比較困難，需要借助專門的分析實(shí)驗(yàn)。

干燥立管中的褐煤煤粉提質(zhì)干燥分析實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述機(jī)理，擬定該過程的模擬分析實(shí)驗(yàn)。選擇2m 長(zhǎng)、0.038m 管徑的實(shí)驗(yàn)用干燥立管，顆粒直徑在80 目到100 目之間的褐煤原煤顆粒進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，通過控制氣固比、入口煙氣流速、初始煙氣溫度三項(xiàng)不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)來反映不同的流動(dòng)特性，以最終所回收煤粉的濕度反映提質(zhì)干燥的最終效果。需要注意的是，為了保證與實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)特性相一致，不同組別溫度的測(cè)量時(shí)間應(yīng)不少于20 分鐘，且時(shí)間間隔要保持一致。

干燥立管氣固比與褐煤煤粉提質(zhì)干燥的關(guān)系

氣固比即體積比，是重要的流動(dòng)特性參數(shù)之一，該參數(shù)可以通過控制褐煤煤粉與高溫?zé)煔獾幕旌媳壤齺砑右哉{(diào)整。

在本實(shí)驗(yàn)中，獲得的氣固比與煤粉濕度關(guān)系如圖1（C）所示。由該圖可知，無論何種氣固比，立管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，煤粉干燥后濕度越低。但減緩幅度與最終濕度均有所區(qū)別，氣固比越小，濕度降低得越快，在干燥立管長(zhǎng)度固定的情況下，最終濕度也就越小。換言之，氣固比與褐煤煤粉的提質(zhì)干燥效果呈反向相關(guān)，氣固比的值越小，提質(zhì)干燥的效果也就越好。這是因?yàn)闅夤瘫刃≌f明混合物中氣相成分所占比例較少，此時(shí)混合物能夠獲得更高的流動(dòng)速度，濕量的去除速度也會(huì)加快。但需要注意的是，混合物速度的加快有可能導(dǎo)致混合物在立管中的停留時(shí)間過短，在這種情況下煙氣的熱量來不及利用，被大量浪費(fèi)，反而對(duì)實(shí)際的提質(zhì)干燥不利。因此，在實(shí)際的提質(zhì)干燥處理中，氣固比的削減應(yīng)控制在一定的界限內(nèi)，在保證熱量充分利用的前提下選擇盡可能小的氣固比。

干燥立管氣流流速與褐煤煤粉提質(zhì)干燥的關(guān)系

此處的氣流流速指的是高溫?zé)煔馔ㄈ敫稍锪⒐軙r(shí)在立管入口處的速度，在實(shí)際生產(chǎn)中往往通過控制鼓風(fēng)機(jī)輸出功率來調(diào)整。

在本實(shí)驗(yàn)中，獲得的入口氣流速度與煤粉濕度關(guān)系如圖1（B）所示。由該圖可知，在氣流剛剛通入立管時(shí)，濕度變化與干燥立管的長(zhǎng)度呈一定的線性關(guān)系，且在該關(guān)系中斜率為負(fù)，所以在干燥立管中最初的提質(zhì)干燥基本可以當(dāng)作一種恒速干燥來分析。但是褐煤煤粉與煙氣形成混合物并進(jìn)一步上升后，煤粉的溫度、速度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，相反，煙氣的溫度、速度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這種差距令二者的熱傳導(dǎo)受到負(fù)面影響，濕度與立管長(zhǎng)度的線性關(guān)系消失，干燥過程轉(zhuǎn)變?yōu)榻邓俑稍?。由此可知，提高入口處的煙氣流速的確可以通過加強(qiáng)煤粉與煙氣的傳熱傳質(zhì)來適當(dāng)提升干燥效果，但這種提升效果相當(dāng)有限，對(duì)最終的褐煤煤粉濕度影響不大。而由于提升煙氣流速使混合物在立管中的反應(yīng)時(shí)間變短，提升效果或被反向抵消，甚至反而降低最終的提質(zhì)干燥能效。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，將入口處的氣體流速控制在一個(gè)相對(duì)較小的數(shù)值能收獲較好的提質(zhì)干燥效果。

干燥立管煙氣溫度與褐煤煤粉提質(zhì)干燥的關(guān)系

干燥立管式的提質(zhì)干燥法是一種高溫反應(yīng)，因此煙氣溫度也是關(guān)鍵的流動(dòng)特性參數(shù)之一。由于干燥立管的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在整個(gè)提質(zhì)干燥過程中，煙氣溫度會(huì)產(chǎn)生一定的變化，所以本文所述的煙氣溫度特指在干燥立管入口處的煙氣溫度，在煙氣通入干燥立管前對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜峄蚪禍靥幚砑纯煽刂圃搮?shù)。

本實(shí)驗(yàn)得到的煙氣溫度與煤粉濕度關(guān)系如圖1（A）所示。由圖可知，在氣固比和入口氣流流速相同的情況下，入口處送入的煙氣溫度越高，最終獲得的煤粉濕度也就越低，且影響程度非常顯著。這與煤粉和煙氣之間的傳熱效應(yīng)有關(guān)，如前文所述，隨著混合物在干燥立管中逐漸升高，煤粉和煙氣的溫度、速度都呈現(xiàn)出反向分離的趨勢(shì)，這會(huì)降低傳熱傳質(zhì)，進(jìn)而對(duì)煤粉干燥產(chǎn)生不利影響。而煙氣的初始溫度越高，這種分離作用就越不明顯，對(duì)傳熱傳質(zhì)的削弱作用也就越小，由此確保提質(zhì)干燥的能效。由此得出結(jié)論，煙氣溫度越高，褐煤煤粉的提質(zhì)干燥效果越好，兼之煙氣溫度在實(shí)際的褐煤提質(zhì)干燥中比較容易控制，所以具有較高的實(shí)際應(yīng)用性。

圖1 不同指標(biāo)對(duì)褐煤顆粒含濕量的影響（A：溫度；B：氣體流速；C：氣固比）

結(jié)語

綜上可知，以干燥立管技術(shù)對(duì)褐煤煤粉進(jìn)行提質(zhì)干燥時(shí)，氣固比和入口煙氣溫度這兩大流動(dòng)特性對(duì)最終的提質(zhì)干燥效果有很大的影響，而相較之下煙氣流速的影響較小。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，優(yōu)化提質(zhì)干燥能效的措施主要可集中在對(duì)氣固比和入口煙氣溫度的控制上，一方面盡可能降低氣固比，另一方面在入口位置對(duì)煙氣進(jìn)行加熱升溫，這樣可有效提高提質(zhì)干燥效果。