王興坤，石長江，呂 鵬，吳 鵬，劉大海，劉 盼

(1.北京國電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070；2.南瑞集團(tuán)有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 210003)

0 引 言

油頁巖是非常規(guī)油氣資源，主要分布于我國中東部和西部的青藏地區(qū)，現(xiàn)探明儲量約9 780億t，僅次于煤炭[1]。對其熱解可得到類似原油的頁巖油和可替代天然氣的煤氣，作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，這對改變我國能源結(jié)構(gòu)具有重要的戰(zhàn)略意義[2-3]。2016年全球共生產(chǎn)頁巖油約150×104t，比2015年略有減少，其中我國頁巖油年產(chǎn)量約80×104t[4-5]。由于油頁巖中一般含有不同程度的水分，若直接對其進(jìn)行干餾，會造成能耗增大、油質(zhì)下降等，同時(shí)降低入料水分可大幅提高油頁巖資源的利用率[6]，因此在原料油頁巖進(jìn)入干餾爐前，需將油頁巖中的水分減少到一定水平[7]。

眾多學(xué)者從不同方面對油頁巖干燥進(jìn)行了研究。冉媛媛等[8]在恒溫介質(zhì)干燥器內(nèi)研究了油頁巖干燥動力學(xué)特性，考察了干燥介質(zhì)溫度和顆粒直徑對油頁巖干燥性能的影響，對油頁巖干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，確定了油頁巖干燥方程和干燥速率方程。柏靜儒等[6]利用方差分析研究了顆粒粒徑、空氣溫度和干燥時(shí)間對噴動床內(nèi)油頁巖干燥效果的顯著性，得到顆粒粒徑>空氣溫度=干燥時(shí)間。Ning等[9]提出一種帶有異步旋轉(zhuǎn)布風(fēng)板的流化床干燥器，該干燥機(jī)可提升油頁巖的干燥效果，同時(shí)降低中心盤轉(zhuǎn)速，升高環(huán)繞盤的轉(zhuǎn)速，改善顆粒分布，節(jié)省干燥時(shí)間。姚藝彬等[10]研究了油頁巖顆粒在熱空氣條件下的熱崩碎現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)溫度越高、顆粒粒徑越大、顆粒初始干基含水量越大，則油頁巖的崩碎率越大。秦宏等[11]提出一種新型氣體熱載體干餾爐，通過改變油頁巖顆粒的粒徑，研究不同粒徑的樣品對干餾特性和干餾產(chǎn)物的影響。鄒偉龍[7]、Xia等[12]和靳小萌[13]利用基于ANSYS Fluent平臺的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，并結(jié)合具體試驗(yàn)條件下的自定義函數(shù)(UDF)，對流化床干燥器內(nèi)的油頁巖傳熱、傳質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

目前對于油頁巖干燥的研究多集中在物料性質(zhì)、操作條件、各因素的顯著性大小以及新型的設(shè)備結(jié)構(gòu)等，本文提出一種基于振動混流技術(shù)的油頁巖干燥技術(shù)，將振動能量引入末頁巖的干燥過程，一方面促使聚集的原料末頁巖及時(shí)分散，使之與熱煙氣充分混合，提高干燥效率；另一方面振動篩的存在增加了油頁巖在干燥設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間，使干燥過程更加充分。試驗(yàn)通過控制給入的物料量，以及調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)煤氣與空氣的流量配比，研究不同處理量和煙氣溫度下干燥器對油頁巖的去水效果。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

油頁巖干燥系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 油頁巖干燥系統(tǒng)Fig.1 Diagrammatic of oil shale drying system

干燥系統(tǒng)的主體為一個(gè)內(nèi)部裝有3臺振動篩的干燥器，在煙氣入口和出口處均安裝熱電偶和氣體流量計(jì),0～15 mm的原料末頁巖經(jīng)1號輸送帶進(jìn)入爐頂煤倉，然后通過星型給料器均勻給料。物料在爐內(nèi)多層振動篩上分散形成“之”字形物料長龍，一部分粒度小于篩孔的細(xì)物料穿過篩面垂直下落，大部分粗顆粒物料形成疏松料層，在重力作用下沿篩面移動，移至篩面末端落到下一層振動篩上。與此同時(shí)，由外界給入的空氣和煤氣在燃燒室混合并充分燃燒，產(chǎn)生的熱煙氣在干燥器內(nèi)由下至上與各層篩面上的濕物料進(jìn)行充分的熱交換，將物料干燥。在氣流上升的過程中，由于多層篩面的存在，會產(chǎn)生橫向氣流，在干燥器內(nèi)既有物料與熱氣流水平方向的逆流，又有二者間垂直方向的逆流，從而形成特有的混流干燥。粗細(xì)物料與熱風(fēng)在混流過程中經(jīng)過多次混合—分離—再混合—再分離的過程被均勻干燥，大部分粗物料從干燥器的底部經(jīng)2號輸送帶輸出，小部分細(xì)物料隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)除塵器，除塵器分離出的廢料回收。

1.2 試驗(yàn)方法

通過控制給入的物料量，以及調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)煤氣與空氣的流量配比，研究不同處理量和煙氣溫度下干燥器對油頁巖的去水效果，其中處理量分別為36、56 t/h，爐內(nèi)溫度設(shè)為180、200、220和240 ℃。試驗(yàn)前，根據(jù)處理量、平均含水量(5%～6%)和干燥后含水量(1%左右)等計(jì)算得到理論氣量，以作為初始?xì)饬吭O(shè)置的參考。由于試驗(yàn)中難以得到與理論計(jì)算完全一致的入料和產(chǎn)品，后續(xù)研究按實(shí)際測得的工況參數(shù)進(jìn)行分析。

試驗(yàn)時(shí)，首先啟動1號輸送帶，給干燥器煤倉上料，并記錄此時(shí)的上煤量，后調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率，調(diào)節(jié)煤氣閥門開度，使氣量和氧含量符合試驗(yàn)要求，當(dāng)干燥器混合室溫度升至工況值時(shí)，啟動2號輸送機(jī)并記錄底數(shù)。隨后，依次啟動底部卸料器(頻率50 Hz)、振動篩、頂部卸料器(頻率5 Hz)進(jìn)行投料，逐步將進(jìn)料負(fù)荷提高至試驗(yàn)值。待系統(tǒng)達(dá)到試驗(yàn)工況負(fù)荷后，在不同的工況條件下，分別從1、2號輸送帶取樣，測試物料干燥器前、后的表水含量，計(jì)算干燥器的去水能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煙氣溫度對干燥效果的影響

試驗(yàn)過程影響因素較多，原料和產(chǎn)品的水分檢測誤差、儀表正常波動均可導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差?？紤]到所用樣品的含水率較低，為降低試驗(yàn)過程中誤差的影響，試驗(yàn)時(shí)對同一工況進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均數(shù)作為該工況下的試驗(yàn)結(jié)果，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，得到不同處理量時(shí)的煙氣入口溫度與去水率的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 煙氣溫度與去水率關(guān)系Fig.2 Relationship between gas temperature and dewatering ratio

由圖2可知，提高煙氣入口溫度，出口溫度隨之升高，循環(huán)煙氣量降低，導(dǎo)致熱利用效率、去水量、去水率等呈先升高后降低的趨勢。對于36 t/h處理量，由于氣體穿過物料層的阻力較小，氣固接觸更充分，最佳干燥溫度為200～210 ℃；當(dāng)處理量為56 t/h時(shí)，氣體阻力增加，干燥效果依賴于干燥溫度的升高，對煙氣流量的敏感度降低，其最佳干燥溫度為210～220 ℃。在所有工況中，處理量為36 t/h和56 t/h時(shí)的煙氣入口溫度平均值均為200 ℃，但前者煙氣出口溫度經(jīng)熱交換后為143 ℃，后者為118 ℃，即入料量對煙氣出口溫度的影響明顯。

2.2 熱利用效率

干燥試驗(yàn)的熱量平衡關(guān)系如下:

1)熱量收入

原料帶入顯熱Q1為

Q1=M1C1T1(1)

式中，M1為末頁巖質(zhì)量，kg；C1為常溫時(shí)末頁巖比熱，kJ/(kg·K)；T1為末頁巖平均溫度，K。

煙氣帶入顯熱Q2為

Q2=LC2T2(2)

式中，L為煙氣流量，Nm3/h；C2為入口煙氣比熱，kJ/(Nm3·K)；T2為煙氣入口溫度，K。

2)熱量支出

原料帶出顯熱Q11為

Q11=M2C3T3(3)

式中，M2為干燥末頁巖質(zhì)量，kg；C3為末頁巖比熱，kJ/(kg·K)；T3為末頁巖溫度，K。

煙氣帶出顯熱Q22為

Q22=LC4T4(4)

式中，C4為出口煙氣比熱，kJ/(Nm3·K)；T4為煙氣出口溫度，K。

水分蒸汽熱量Q33為

Q33=M3H+M3C5T4(5)

式中，M3為干燥水量，kg/h；H為蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；C5為出口蒸汽比熱，kJ/(Nm3·K)。

熱利用效率η的計(jì)算公式為

(6)

煙氣量主要影響氣體流速，流速增加可促進(jìn)物料水分的快速蒸發(fā)，使蒸發(fā)動態(tài)平衡過程向右移動；同時(shí)，在溫度一定的條件下，增加氣體流量(或流速)，物料下落阻力變大，物料的停留時(shí)間增加，利于帶走更多水分。當(dāng)總熱量一定時(shí)，氣體流量增加意味著溫度下降，氣固溫差變小，換熱效度降低，圖3為總氣量與熱利用效率的關(guān)系。

圖3 總氣量對熱利用效率的影響Fig.3 Relationship between total gas flow and thermal efficiency

由圖3可知，雖增加煙氣量可以使入口熱量增加，但會導(dǎo)致熱利用效率降低，煙氣帶入熱量與蒸發(fā)水量的量值關(guān)系為

m=Qη/H(7)

式中，m為蒸發(fā)水量，kg；Q為總熱量，kJ。

利用最小二乘法對總氣量與熱利用效率作線性擬合，兩者的關(guān)系為

η=84.64-3.9Q(8)

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.995 6，當(dāng)煙氣帶入熱量達(dá)到12萬Nm3/h時(shí)，熱效率為37.84%，代入式(7)計(jì)算得到蒸發(fā)水量為2 286 kg。

2.3 原料水分與補(bǔ)充煤氣的關(guān)系

圖4為不同工況下，干燥過程中氣體放熱量與物料去水量的關(guān)系?？芍?，干燥系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，管路內(nèi)的空氣、煤氣、煙氣等流量保持在小范圍內(nèi)的動態(tài)循環(huán)平衡，但當(dāng)入料性質(zhì)(特別是水分含量上升)變化較大時(shí)，單純依靠管路內(nèi)的煙氣循環(huán)量難以使產(chǎn)品水分降低到預(yù)定要求，原有平衡被打破，此時(shí)需要引入外界煤氣，以增加煙氣放熱量，重新建立干燥平衡，即為補(bǔ)加煤氣。

圖4 干燥試驗(yàn)去水量與放熱量的關(guān)系Fig.4 Relationship between dehydrating amount and total heat

干燥器的設(shè)計(jì)入料水分為3.7%，若當(dāng)原料水分超過此值，則應(yīng)補(bǔ)充更多外供煤氣。試驗(yàn)測定煤氣熱值為3 347 kJ/Nm3，故可由氣體放熱量計(jì)算得到補(bǔ)加煤氣量。由圖4可得到干燥試驗(yàn)去水量與放熱量的擬合關(guān)系為

Qg=-105.9+518.58M(9)

其中，Qg為干燥過程中氣體放熱量,GJ/h，M為干燥試驗(yàn)過程去水量，t/h。線性相關(guān)系數(shù)R2=0.94，據(jù)此擬合出函數(shù)關(guān)系，可得到試驗(yàn)條件下不同原料水分所需要的補(bǔ)充煤氣量。同時(shí)，通過2.2節(jié)中熱利用效率分析的計(jì)算公式，也可得到不同原料水分與補(bǔ)充煤氣量的理論關(guān)系，2種方法所得到結(jié)果的試驗(yàn)值和理論值如圖5所示，兩者的計(jì)算偏差為23%～38%。

圖5 原料含水量與補(bǔ)充煤氣量的關(guān)系Fig.5 Relationship between moisture content of feeding and additional gas amount

3 結(jié) 論

1)原料水分為5%～6%，產(chǎn)品最佳含水量為1.45%左右，去水率超過70%，基本達(dá)到干燥效果，初步驗(yàn)證了基于振動混流原理的油頁巖干燥試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性。

2)煙氣入口溫度為210～220 ℃，油頁巖去水率最高；設(shè)備處理量與熱利用效率及蒸發(fā)水量間的關(guān)系:η=84.64-3.9Q。

3)試驗(yàn)了不同工況時(shí)干燥設(shè)備的去水效果，通過數(shù)據(jù)分析，得到了干燥試驗(yàn)去水量與放熱量的擬合關(guān)系為Qg=-105.9+518.58M。

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