熱風(fēng)和熱風(fēng)蒸汽煤調(diào)濕工藝的能耗分析

熱風(fēng)和熱風(fēng)蒸汽煤調(diào)濕工藝的能耗分析

0兩種煤調(diào)濕工藝的適用性中國(guó)是著名的焦化工生產(chǎn)國(guó)。自2003年以來(lái)，焦酸焦產(chǎn)量和出口一直保持不變。煤調(diào)濕(coalmoisturecontrol,CMC)技術(shù)作為煉焦工序中的一種入爐煤預(yù)處理技術(shù),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(zhì)量,已廣泛應(yīng)用于目前的焦化行業(yè)當(dāng)中針對(duì)熱風(fēng)和煙道氣煤調(diào)濕工藝的安全問(wèn)題,本實(shí)驗(yàn)提出了一種以過(guò)熱蒸汽為干燥介質(zhì)的煉焦煤煤調(diào)濕技術(shù).利用自制穿流干燥裝置分別進(jìn)行熱風(fēng)和過(guò)熱蒸汽煤調(diào)濕實(shí)驗(yàn),研究不同干燥介質(zhì)下煉焦煤干燥特性以及干燥介質(zhì)溫度、氣流速度和料層厚度對(duì)煉焦煤干燥特性的影響,優(yōu)化熱風(fēng)和過(guò)熱蒸汽煤調(diào)濕工藝參數(shù).將兩種煤調(diào)濕工藝的調(diào)濕能耗和調(diào)濕時(shí)間進(jìn)行對(duì)比,論證過(guò)熱蒸汽應(yīng)用于煤調(diào)濕技術(shù)的可行性.1實(shí)驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yè)分析見(jiàn)表1.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.2.1載物臺(tái)懸吊保溫層.自制薄層穿流干燥裝置主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.干燥室為圓柱形結(jié)構(gòu),內(nèi)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(nèi)有圓柱形載物臺(tái),其上部凸緣使得載物臺(tái)懸吊在干燥室內(nèi);載物臺(tái)底部為多孔金屬網(wǎng),使得干燥介質(zhì)可穿流通過(guò)焦煤物料層.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,載物臺(tái)可從干燥室內(nèi)快速拿出稱重并放回.干燥介質(zhì)經(jīng)進(jìn)氣閥門,由下而上進(jìn)入干燥室,對(duì)焦煤物料進(jìn)行穿流干燥,而后從干燥室上部排出.1.2.2實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備漩渦風(fēng)機(jī)(上海獅歌高壓風(fēng)機(jī)科技有限公司)、加熱器(上海淶恒電熱電器有限公司)、自制過(guò)熱蒸汽發(fā)生器(0.7MPa)、溫度傳感器(400℃,OME-GA)、電熱恒溫干燥箱(天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司)、馬弗爐(天津?qū)嶑R介電爐廠)、刻度尺(精度:1mm)、電子天平(精度:0.02g).1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1熱風(fēng)干燥和過(guò)熱蒸汽干燥調(diào)濕熱風(fēng)干燥調(diào)濕實(shí)驗(yàn):打開(kāi)風(fēng)機(jī)和加熱器,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量和風(fēng)溫,并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行預(yù)熱.取出載物臺(tái),快速裝載一定厚度的焦煤物料,并放回干燥室內(nèi),此時(shí)為干燥實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)刻.干燥過(guò)程中每經(jīng)過(guò)固定時(shí)間間隔,快速取出載物臺(tái)并稱重,記錄重量,以便后續(xù)計(jì)算樣品水分.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,熱風(fēng)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(fēng)風(fēng)速分別為0.28m/s,0.38m/s和0.48m/s.過(guò)熱蒸汽干燥調(diào)濕實(shí)驗(yàn):打開(kāi)自制過(guò)熱蒸汽發(fā)生器,調(diào)整過(guò)熱蒸汽的流量和溫度,并對(duì)干燥裝置進(jìn)行預(yù)熱.其他實(shí)驗(yàn)步驟與熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)相同.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,過(guò)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(guò)熱蒸汽流量分別設(shè)置為7kg/h和9kg/h;過(guò)熱蒸汽流速為0.070m/s~0.090m/s.1.3.2濕基水分的測(cè)定在進(jìn)行煉焦煤干燥去濕之前,要對(duì)煤樣進(jìn)行水分測(cè)定.本實(shí)驗(yàn)中所有水分均表示物料的濕基水分,測(cè)定方法為105℃下,烘箱中加熱時(shí)間12h,水分按式(1)計(jì)算:式中:w1.3.3設(shè)備處理裝置處理量定義為單位時(shí)間內(nèi)利用穿流干燥裝置進(jìn)行煉焦煤調(diào)濕的物料處理量.裝置處理量按式(2)計(jì)算:式中:m1.3.4煤調(diào)濕能耗計(jì)算煤調(diào)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(guò)程中,平均每處理1kg物料所消耗的能量,煤調(diào)濕能耗按式(3)計(jì)算:式中:Q為煤調(diào)濕能耗,kJ/kg;v為干燥介質(zhì)流速,m/s;ρ2結(jié)果與討論2.1加熱干燥調(diào)整濕2.1.1熱風(fēng)溫度對(duì)干燥調(diào)濕的影響在料層厚度為30mm、熱風(fēng)風(fēng)速為0.28m/s,熱風(fēng)溫度分別為60℃,75℃,90℃,105℃和120℃條件下煉焦煤的干燥曲線見(jiàn)圖2.由圖2可以看出,熱風(fēng)溫度是煉焦煤干燥調(diào)濕的一個(gè)重要參數(shù).在熱風(fēng)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(shí)間分別為10min,7min,5min,5min和4min.熱風(fēng)溫度越高,煉焦煤干燥調(diào)濕的時(shí)間越短.因此,在煉焦煤干燥調(diào)濕過(guò)程中,適當(dāng)提高干燥介質(zhì)溫度,有利于縮短煉焦煤的干燥調(diào)濕時(shí)間和提高設(shè)備處理能力2.1.2料層厚度對(duì)干燥煤調(diào)濕的影響圖3所示為煉焦煤在熱風(fēng)風(fēng)溫為75℃,風(fēng)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(dāng)料層厚度為30mm時(shí),煤樣從初始水分干燥到水分為6%僅用了7min.當(dāng)料層厚度為60mm時(shí),這一時(shí)間為22min,是之前的3倍多,而當(dāng)料層厚度超過(guò)90mm時(shí),其干燥時(shí)間達(dá)到1h以上.這說(shuō)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(fēng)風(fēng)溫為75℃,風(fēng)速為0.38m/s時(shí),不同料層厚度對(duì)應(yīng)的物料處理量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可以看出,料層厚度為30mm時(shí)的單位時(shí)間物料處理量是料層厚度為60mm時(shí)的物料處理量的1.5倍,是料層厚度為120mm時(shí)物料處理量的3.0倍.這是因?yàn)楫?dāng)料層厚度較小時(shí),熱風(fēng)可穿透煤層,并快速帶走煤層蒸發(fā)的水分.因此,合理地控制煉焦煤料層厚度可大大增加煤調(diào)濕設(shè)備的處理量,提高生產(chǎn)效率2.1.3熱風(fēng)風(fēng)速影響圖4所示為煉焦煤在風(fēng)溫為75℃,料層厚度為30mm,風(fēng)速分別為0.28m/s,0.38m/s,0.48m/s的條件下的干燥曲線.當(dāng)風(fēng)速大于0.48m/s時(shí),實(shí)驗(yàn)觀察到煉焦煤干燥調(diào)濕后期出現(xiàn)揚(yáng)塵現(xiàn)象.由圖4可以看出,當(dāng)熱風(fēng)風(fēng)速分別為0.28m/s,0.38m/s,0.48m/s時(shí),煉焦煤從初始水分干燥到水分為6%的時(shí)間分別為7min,5min和3min,即風(fēng)速每增加0.10m/s,所需干燥時(shí)間會(huì)減少2min.因此,增大風(fēng)速有利于縮短煉焦煤干燥調(diào)濕時(shí)間.這是因?yàn)檩^大的風(fēng)速能夠使物料浮動(dòng),增大物料顆粒間的距離,增加物料顆粒與干燥介質(zhì)的接觸面積.同時(shí),較大的風(fēng)速可使物料表面與周圍環(huán)境的壓差增大,增加了水分?jǐn)U散動(dòng)力.另外,較大的風(fēng)速也能將煉焦煤干燥出來(lái)的水分及時(shí)帶走,有利于干燥過(guò)程的進(jìn)行2.2過(guò)熱蒸汽干燥調(diào)濕圖5所示為料層厚度為40mm,過(guò)熱蒸汽流量為7kg/h,過(guò)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(guò)熱蒸汽流量為7kg/h,過(guò)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(guò)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(dāng)干燥介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽時(shí),與煉焦煤熱風(fēng)干燥調(diào)濕的基本規(guī)律大致相同,即提高干燥介質(zhì)溫度、合理控制料層厚度以及合理增大干燥介質(zhì)流量均能縮短煉焦煤從初始水分干燥到水分為6%所需時(shí)間,并且適當(dāng)降低料層厚度可提高干燥裝置物料處理量3熱風(fēng)煤調(diào)濕的能耗特性假設(shè)整個(gè)調(diào)濕過(guò)程無(wú)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(jì)算.熱風(fēng)風(fēng)速為0.28m/s~0.48m/s,干燥介質(zhì)溫度為60℃~120℃,料層厚度為30mm條件下能耗等值見(jiàn)圖8.由圖8可以看出,熱風(fēng)煤調(diào)濕過(guò)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?yàn)?在熱風(fēng)干燥調(diào)濕過(guò)程中,熱風(fēng)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(fā)熱量.熱風(fēng)溫度高,帶濕和熱量供給能力急劇增加,因而熱風(fēng)用量小,廢氣量少,能耗減少.過(guò)熱蒸汽流速為0.070m/s~0.090m/s,過(guò)熱蒸汽溫度為120℃~200℃,料層厚度為40mm條件下能耗等值見(jiàn)圖9.由圖9可以看出,當(dāng)過(guò)熱蒸汽溫度大于160℃時(shí),其能耗將會(huì)隨溫度的升高而增加.因此,與熱風(fēng)干燥調(diào)濕工藝相反,在過(guò)熱蒸汽煤調(diào)濕工藝中,必須控制過(guò)熱蒸汽溫度以降低能耗.在過(guò)熱蒸汽調(diào)濕過(guò)程中,由于過(guò)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(fā)熱量.當(dāng)過(guò)熱蒸汽溫度升高時(shí),煉焦煤升溫吸熱量增加,因此調(diào)濕能耗相應(yīng)增加.在本實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)熱風(fēng)和過(guò)熱蒸汽干燥調(diào)濕工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化.優(yōu)化后的熱風(fēng)調(diào)濕工藝參數(shù)為:熱風(fēng)風(fēng)速為0.48m/s,熱風(fēng)溫度為120℃,料層厚度為40mm,相應(yīng)能耗為1326kJ/kg物料.優(yōu)化后的過(guò)熱蒸汽煤調(diào)濕工藝參數(shù)為:過(guò)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(guò)熱蒸汽對(duì)煉焦煤進(jìn)行去濕時(shí),干燥裝置出口的過(guò)熱蒸汽溫度為105℃,蒸汽仍處于過(guò)熱狀態(tài),若考慮將這部分顯熱回收利用,其能耗范圍與熱風(fēng)煤調(diào)濕能耗范圍對(duì)比見(jiàn)表3.由表3可以看出,過(guò)熱蒸汽煤調(diào)濕過(guò)程更為節(jié)能.在各自的最佳工藝參數(shù)條件下,熱風(fēng)煤調(diào)濕的時(shí)間為5min,而過(guò)熱蒸汽煤調(diào)濕的時(shí)間僅為3min.因此,無(wú)論是從能耗范圍還是從干燥速率的角度來(lái)看,過(guò)熱蒸汽煤調(diào)濕都優(yōu)于熱風(fēng)煤調(diào)濕;再加上過(guò)熱蒸汽調(diào)濕無(wú)爆炸危險(xiǎn),因而過(guò)熱蒸汽煤調(diào)濕工藝具有較大的應(yīng)用潛力4兩種煤調(diào)濕工藝