邰世康，劉舒予，李曉楠，宋岳，李陽(yáng)，王順潔，曾楊

(1.中國(guó)神華國(guó)際工程有限公司，北京 100007； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083； 3.中國(guó)中化股份有限公司，北京 100031；4.北京精信嘉業(yè)建筑咨詢(xún)有限公司，北京 100071)

0 引言

針對(duì)褐煤高揮發(fā)分、高水分的自身特點(diǎn)，選用直管式氣流干燥器對(duì)褐煤進(jìn)行干燥是較為常用的方法[1-2]。氣流干燥通過(guò)氣流運(yùn)輸，高溫干燥褐煤顆粒，是一種高效、連續(xù)、固體流態(tài)化的干燥方法。氣流干燥褐煤過(guò)程是傳質(zhì)與傳熱相互耦合的過(guò)程，因?yàn)楹置簳?huì)被氣流干燥器干燥，蒸發(fā)大量的水分。因此，合理優(yōu)化褐煤的干燥過(guò)程，正確認(rèn)識(shí)氣流干燥褐煤的原理，不僅可以節(jié)約大量燃料，還可以減小生產(chǎn)成本及減少環(huán)境污染[3]。

如何合理使用褐煤資源已經(jīng)成為全球很多國(guó)家研究開(kāi)發(fā)工作的重中之重，特別是在褐煤的加工、轉(zhuǎn)化技術(shù)方面投入了大量的精力。當(dāng)今合理利用煤炭資源研究的新方向之一就是褐煤的高效清潔利用。褐煤干燥提質(zhì)利用技術(shù)的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)一定能讓其在今后的能源領(lǐng)域大放異彩。但是我國(guó)目前缺少對(duì)褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究的足夠重視，投入資金不足，還有不少技術(shù)難題需要盡快探索，例如：褐煤干燥技術(shù)的原理、干燥特性參數(shù)的規(guī)律變化、褐煤熱干燥自身動(dòng)力學(xué)以及氣流干燥管的操作參數(shù)等，而這些則對(duì)高溫干燥褐煤之后產(chǎn)品質(zhì)量有本質(zhì)的影響[4-5]。

褐煤脫水熱壓提質(zhì)(HPU)技術(shù)是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)與神華集團(tuán)共同研究開(kāi)發(fā)。該工藝可去除煤中80%的水分，提高發(fā)熱量，同時(shí)由于熱壓作用顆粒的孔隙率降低，比表面積減少，而且煤分子的側(cè)鏈含氧官能團(tuán)減少，對(duì)吸復(fù)作用存在一定程度的抑制。依托HPU中試試驗(yàn)線(xiàn)，通過(guò)對(duì)氣流干燥器中褐煤顆粒進(jìn)行干燥過(guò)程的分析，基于FLUENT14.5構(gòu)建褐煤氣流干燥的三維幾何模型，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法模擬褐煤的氣流干燥過(guò)程并結(jié)合HPU褐煤干燥過(guò)程中試試驗(yàn)，確定了最佳氣流干燥管模型、最佳入口煙氣速度，進(jìn)一步探究顆粒質(zhì)量流量、煙氣溫度與干燥后顆粒水分之間的數(shù)量關(guān)系，優(yōu)化了氣流干燥器的操作參數(shù)，為提高褐煤氣流干燥的效率，減低能耗和工藝成本提供技術(shù)理論指導(dǎo)。

1 HPU技術(shù)工藝及模擬結(jié)果

1.1 HPU工藝流程

HPU中試試驗(yàn)線(xiàn)的工作流程如圖1所示，低品質(zhì)煤經(jīng)破碎，達(dá)到工況粒徑之后由螺旋給料機(jī)進(jìn)入干燥管，然后由700 ℃高溫?zé)煔鉅t產(chǎn)生的高溫?zé)煔夤鼟锻ㄟ^(guò)直管式氣流干燥管，這一過(guò)程中，完成高溫?zé)煔馀c褐煤顆粒間的傳熱作用，接著氣固兩相流通過(guò)旋風(fēng)分離器，完成氣固分離。氣流和細(xì)小粉塵通過(guò)布袋除塵器，氣流由引風(fēng)機(jī)排出，細(xì)小粉塵和褐煤顆?？梢酝ㄟ^(guò)成型機(jī)加工成型煤也可直接得到提質(zhì)煤粉[6]。

由圖1可知，HPU工藝流程是：經(jīng)過(guò)備煤系統(tǒng)破碎之后的褐煤與從高溫?zé)煔鉅t中引出的高溫?zé)煔饣旌?，通過(guò)粉煤直管式氣流干燥裝置進(jìn)行熱量交換，最終用高壓對(duì)輥成型機(jī)成型擠壓。在直管式氣流干燥管中，高溫?zé)釤煔馀c褐煤顆粒在氣流管中混合接觸，進(jìn)行傳熱過(guò)程，降低褐煤的水分。在高溫?zé)釤煔獾淖饔孟?，褐煤中脫除的水分以蒸汽的形式與煙氣混合，故此過(guò)程可看為氣固兩相流[7]。

圖1 HPU中試試驗(yàn)線(xiàn)流程圖

1.2 FLUENT模擬結(jié)果分析

1.2.1 FLUENT模型求解

模擬的實(shí)際工況如表1所示，高溫?zé)煔獾娜肟跍囟葹?00 ℃(973 K)，入口褐煤顆粒溫度為常溫25 ℃(298 K)。褐煤被破碎為3 mm以下的顆粒，平均粒度為1.2 mm。

表1 褐煤與熱煙氣的物理參數(shù)

采用速度為絕對(duì)速度、三維雙精度，壓力基求解器，時(shí)間為非定常一階隱式，并考慮重力場(chǎng)的影響。湍流模型采用上文所述的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，參數(shù)保持默認(rèn)，由于干燥過(guò)程涉及傳熱故必須激活能量方程[8]。

DPM模型中將褐煤看作慣性顆粒(INERT)。顆粒尺寸分布為常數(shù)1.2 mm，入射類(lèi)型為面射流源，將煙氣入口設(shè)定為入射面，總共的入射時(shí)間設(shè)定為1 s。顆粒入口溫度為25 ℃。因?yàn)橐紤]湍流對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，故湍流擴(kuò)散項(xiàng)選擇了上文所述的“隨機(jī)游走模型(discrete random walk model)”，顆粒的曳力選項(xiàng)選擇spherical模型。模擬時(shí)考慮了顆粒相的運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響，顆粒受到的力有曳力、重力以及熱泳力，同時(shí)使用了非穩(wěn)態(tài)的顆粒跟蹤方法。壓力速度耦合求解器選用SIMPLE格式，動(dòng)量方程及能量方程采用二階迎風(fēng)格式，湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散方程采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散[7]。關(guān)于模型的建立及相關(guān)參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]，以直流彎管為模擬對(duì)象，此氣流干燥管水平長(zhǎng)2 m，高8 m，管道直徑0.15 m，總長(zhǎng)10.47 m。設(shè)定模擬初始值為顆?？?cè)肷鋾r(shí)間為t射流為1 s，入口煙氣速度v為20 m/s，入口煙氣速度T煙氣為700 ℃，顆粒質(zhì)量流量q為500 kg/h。

1.2.2 顆粒停留時(shí)間分析

如圖2所示，由圖2(a)可知，氣流干燥管中0.89 s時(shí)顆粒到達(dá)氣流干燥管的最高端，開(kāi)始逃逸，之后干燥后顆粒不斷從出口流出，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬迭代分析得到2.25 s時(shí)氣流干燥管中顆粒幾乎為零，可以看作全部逸出，顆粒在干燥管中的停留時(shí)間在0.89～1.25 s之間，取其平均值1.07 s作為參考標(biāo)準(zhǔn)[4]。

圖2 0.9s時(shí)顆粒停留時(shí)間、溫度分布及氣流管溫度分布圖

1.2.3 溫度場(chǎng)分析

由圖2(b)可知，顆粒的最高溫度在干燥管出口處為338 ℃，而顆粒運(yùn)動(dòng)到氣流彎管處的溫度已經(jīng)達(dá)到170 ℃。通過(guò)迭代模擬圖像顏色變化，可以相應(yīng)得到在某一時(shí)間點(diǎn)氣流干燥管各個(gè)位置處顆粒溫度，進(jìn)而找出顆粒溫度隨氣流管位置變化的規(guī)律。由圖2(c)可以看出顆粒與高溫?zé)煔庠跉饬鞴艿乃蕉胃髯詼囟茸兓黠@，氣流管后半段換熱作用減緩，溫度變化減小[7]。

1.2.4 壓力場(chǎng)分析

如圖3所示，由圖3(a)可知壓力最大值處于氣流干燥管的進(jìn)口處為381 Pa(除去大氣壓)，最小值位于出口處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，原因?yàn)樵撓到y(tǒng)可簡(jiǎn)化成為一個(gè)動(dòng)壓氣力輸送裝置，在彎管處和上升管段被煙氣運(yùn)送的顆粒過(guò)程中會(huì)損失一定的壓力(如粒子進(jìn)入、加速和局部壓頭損失)，所以在整個(gè)干燥過(guò)程中高溫?zé)煔獾膲毫κ侵饾u下降的。引風(fēng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的尾部可將煙氣抽走，完成后續(xù)操作步驟。由于彎管處內(nèi)側(cè)氣流速度較大，根據(jù)伯努利方程，彎管內(nèi)側(cè)壓力相比外側(cè)小得多，從圖3(b)中可得到驗(yàn)證。

圖3 1 s時(shí)氣流管壓力圖

1.2.5 速度場(chǎng)分析

如圖4所示，從圖4可以看出高溫?zé)煔庠趶澒芴幍牧鲃?dòng)較為復(fù)雜，對(duì)豎直部分管的流動(dòng)狀態(tài)存在較大影響。高溫?zé)煔庠趶澒軆?nèi)側(cè)速度較大，而靠近外側(cè)流速則偏小。煙氣對(duì)顆粒輸送作用明顯，在氣流管的前半段顆粒加速顯著，之后顆粒速度隨煙氣逐漸增加，出口處達(dá)到最大值。

圖4 褐煤顆粒入射1 s時(shí)速度分布圖

2 HPU褐煤氣流干燥模擬與中試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 HPU褐煤氣流干燥中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

HPU褐煤氣流干燥中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 HPU褐煤氣流干燥中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 氣流干燥管類(lèi)型對(duì)顆粒干燥影響

2.2.1 氣流干燥管類(lèi)型

設(shè)計(jì)了4種不同類(lèi)型的氣流干燥管，如圖5所示。

圖5 不同型號(hào)氣流干燥管

2.2.2 氣流干燥管對(duì)顆粒溫度和水分的影響

中試試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，氣流干燥器運(yùn)行系統(tǒng)中，不同階段顆粒與高溫?zé)煔鈧鳠崃勘壤兓^大，各階段傳熱比例與模擬結(jié)果較為一致，如圖6所示。氣流干燥管前25%距離的傳熱量約占總交換熱量的75%左右；剩余25%熱量交換完成在干燥管后75%距離。這種比例在各個(gè)型號(hào)氣流干燥管運(yùn)行過(guò)程中變化不大。

表3 各氣流干燥管顆粒q=500 kg/h，v=20 m/s，T煙氣=700 ℃參數(shù)

圖6 各干燥管位置點(diǎn)的顆粒溫度和水分變化

由表3可知，1號(hào)與2號(hào)干燥管總長(zhǎng)相同，顆粒停留時(shí)間相同，同時(shí)2號(hào)干燥管相對(duì)1號(hào)干燥管因?yàn)楦叨鹊退詨航祿p失較小，兩者的顆粒出口溫度相差1.9%，模擬出口水分相差0.43%?？傮w而言，兩者各項(xiàng)參數(shù)較為一致。1號(hào)干燥管參數(shù)與4號(hào)干燥管參數(shù)相比較，兩者的顆粒出口溫度相差2.2%，模擬出口水分相差0.48%，說(shuō)明高溫?zé)煔馀c顆粒的熱交換作用結(jié)果相近。由于1號(hào)干燥管高度接近4號(hào)干燥管兩倍，顆粒在重力作用下停留在1號(hào)管中的時(shí)間明顯增長(zhǎng)，4號(hào)管后段存在U型彎管增加了其壓降損失。1號(hào)干燥管參數(shù)與3號(hào)干燥管參數(shù)比較，由于干燥管后段氣固兩相換熱減緩，速率降低，所以?xún)烧叩念w粒出口溫度相差不到10%，模擬出口水分相差僅1.6%。其中3號(hào)管總長(zhǎng)度僅為1號(hào)管長(zhǎng)度的60%，3號(hào)管顆粒停留時(shí)間也只有為1號(hào)管時(shí)間的55%左右。結(jié)合氣流干燥特點(diǎn)，從節(jié)約建材，充分利用廠房空間的角度考慮，選用3號(hào)管的優(yōu)勢(shì)較大。若需要改變煙氣出口方向，則可考慮U型氣流干燥管。

2.3 入口煙氣速度對(duì)顆粒干燥影響

3號(hào)氣流干燥管q=200 kg/h，T煙氣=700 ℃,t射流=1 s條件下，入射煙氣速度與顆粒停留時(shí)間、壓降損失及模擬出口顆粒的關(guān)系如圖7所示。

由圖7(a)可知，曲線(xiàn)大致分為兩個(gè)階段，在入口煙氣速度為10～15 m/s時(shí)，隨著速度增大，顆粒在干燥管中的停留時(shí)間急劇下降，而當(dāng)入口煙氣速度達(dá)到20 m/s后，顆粒在干燥管中停留時(shí)間變化減緩。圖7(b)可看出管中壓降跟入射速度的大小基本成正比，隨著入口煙氣速度的增加，管中產(chǎn)生的壓力損失不斷增大。其中曲線(xiàn)變化大致分為兩個(gè)階段，入口煙氣速度為10～20 m/s時(shí)，管中壓力損失降增長(zhǎng)緩慢，之后每提高單位入口煙氣速度產(chǎn)生的管中壓力降更大。從圖7(c)可以看出顆粒干燥后水分與入口煙氣速度(15～20 m/s)成正比，該階段隨著入口煙氣速度的增加，干燥后顆粒水分不斷增大。而曲線(xiàn)兩端變化較為平緩，水分隨速度變化較小。結(jié)合表3中試數(shù)據(jù)，氣流干燥褐煤顆粒q=200 kg/h，T煙氣=700 ℃，v為13 m/s條件下褐煤最終水分降低15%左右，與模擬數(shù)據(jù)較為一致，具有一定可信度，從而延伸計(jì)算模擬出各個(gè)速度條件下褐煤干燥水分，部分誤差可能是管徑長(zhǎng)短影響導(dǎo)致。綜合入口煙氣速度與顆粒停留時(shí)間、壓降損失，模擬出口顆粒水分之間的關(guān)系，盡量采用使顆粒停留時(shí)間短、壓降損失小、干燥后顆粒水分低的入口煙氣速度，所以取入口煙氣速度為20 m/s對(duì)整個(gè)氣流干燥工藝較合適。

圖7 入射煙氣速度與顆粒停留時(shí)間、壓降損失及模擬出口顆粒的關(guān)系

2.4 質(zhì)量流量對(duì)顆粒干燥影響

3號(hào)氣流干燥管v=20 m/s，T煙氣=700 ℃，t射流=1 s條件下，褐煤顆粒質(zhì)量流量與顆粒停留時(shí)間，壓降損失，顆粒模擬溫度及模擬出口顆粒水分的關(guān)系如表4所示。

由表4可知，在入口煙氣速度20 m/s條件下，不同質(zhì)量流量的煤顆粒在同一氣流干燥管中停留時(shí)間始終保持在1.10 s。說(shuō)明顆粒在氣流干燥管中的停留時(shí)間并不隨質(zhì)量流量的大小而變化，只與入口煙氣速度大小相關(guān)。管中壓降跟入射質(zhì)量流量基本成正比，隨著質(zhì)量流量的增加，管中產(chǎn)生的壓力損失不斷增大。氣流干燥后顆粒水分與入口顆粒質(zhì)量流量基本成正比，隨著顆粒質(zhì)量流量的增加，顆粒出口溫度不斷降低，計(jì)算得到干燥后顆粒水分不斷增大。

表4 3號(hào)氣流干燥管v=20 m/s，T煙氣=700 ℃參數(shù)

2.5 入口煙氣溫度對(duì)顆粒干燥影響

3號(hào)氣流干燥管q=200 kg/h，v=20 m/s，t射流=1 s條件下，入口煙氣溫度與顆粒停留時(shí)間，壓降損失，顆粒模擬溫度及模擬出口顆粒水分的關(guān)系如表5所示。

由表5可知，在q=200 kg/h，v=20 m/s條件下，不同的入口煙氣溫度對(duì)顆粒停留時(shí)間和壓降損失沒(méi)有明顯影響，褐煤顆粒在3號(hào)氣流干燥管中的停留時(shí)間均為1.10 s，壓降損失均為229 Pa。

表5 3號(hào)氣流干燥管q=200 kg/h，v=20 m/s 參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立褐煤氣流干燥過(guò)程模型進(jìn)行氣流干燥的初步模擬，對(duì)顆粒停留時(shí)間、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)及出口顆粒水分模擬分析，進(jìn)而改變干燥器模型、入口煙氣速度、顆粒質(zhì)量流量、入口煙氣溫度等操作參數(shù)研究模擬對(duì)顆粒干燥的影響，得到了氣流干燥的最佳干燥器模型、入口煙氣速度值和最佳運(yùn)行參數(shù)，總結(jié)了顆粒質(zhì)量流量和入口煙氣溫度對(duì)顆粒干燥水分的影響。研究得出以下結(jié)論：

(1)在氣流干燥管的前25%長(zhǎng)度部分高溫?zé)煔馀c褐煤顆粒發(fā)生了劇烈的傳熱作用，煙氣溫度變化巨大，褐煤顆粒迅速升溫；在氣流管后段，兩相溫度的變化較為緩和，逐漸降至最??；

(2)干燥氣流管中的壓降損失與入口煙氣速度、顆粒質(zhì)量流量分別成正比關(guān)系。顆粒質(zhì)量流量一定條件下，入口煙氣速度越大，干燥管中壓降損失越多。入口煙氣速度一定條件下，顆粒質(zhì)量流量越大，干燥管中壓降損失越大。彎管附近處靠近入口端壁面壓力值比遠(yuǎn)離端壓力小；

(3)當(dāng)入口煙氣速度達(dá)到20 m/s后，氣流干燥彎管中顆粒停留時(shí)間降速減緩，綜合考慮產(chǎn)生的壓降損失以及HPU實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，建議氣流干燥管采用的入口煙氣速度為20 m/s；

(4)干燥后顆粒水分與入口煙氣溫度、顆粒質(zhì)量流量都成一定比例關(guān)系。顆粒質(zhì)量流量一定時(shí)，干燥后顆粒水分與入口煙氣溫度成反比。入口煙氣溫度一定時(shí)，干燥后顆粒水分與顆粒質(zhì)量流量成正比。