振动流化床干燥分区供热方式研究

1、振动流化床干燥分区供热方式研究杨国华1,赵跃民2,陈清如2(1.宁波大学海运学院,浙江宁波315211;2.中国矿业大学化工学院,江苏徐州221008)摘要:基于由小试结果回归得到的煤炭振动流化床干燥动力学数学模型及传热方程、热平衡方程,建立了煤炭表面水干燥所需热量在振动流化床干燥机长度方向上变化的数学模型,该模型表明,煤炭表面水干燥所需热量沿干燥机长度方向呈负指数急剧减少.根据这一特点,讨论了干燥机长度方向等速不等温进气、等温不等速进气、不等温不等速进气3.采用床面积为1200mm×200mm,果相符,关键词:煤炭干法分选;煤炭干燥;中图分类号:TQ028.6;AHeatSuppl

2、yModesforCoalDryinginaVibratedFluidizedBed122YANGGuo2hua,ZHAOYue2min,CHENQing2ru(1.NingboUniversity,Ningbo,Zhejiang315211,China;2.ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu221008,China)Keywords:coaldrycleaning;coaldrying;vibratedfluidizedbed;divisionalheatsupply振动流化床干燥为连续叉流式干燥,其工作原理是:在激振器

3、的作用下,薄层煤炭在布风板上从进料端快速地移向出料端,热气流自下而上穿过布风板和煤层,与煤粒发生强烈的热质交换,使煤粒表面自由水快速蒸发而干燥.试验表明,该方法具有快速均匀干燥和煤粒本身吸热少的特点,是506mm煤炭干燥的最适宜方法1.根据空气重介流化床干法选煤对入选原煤水分的控制要求2,506mm煤炭需要从几乎全是湿煤粒干燥到几乎全为干煤粒.在这个干燥过程中,随着煤粒湿表面的逐渐减少,干燥所需热量也逐渐减少,因此,靠近干燥机进料端部分应多供热,靠近出料端部分应少收稿日期:20040610基金项目:国家自然科学基金重点项目(90210035);国家九五攻关项目(95221523)作者简介:杨国

4、华(19612),男,浙江省嵊州市人,教授,工学博士,从事能源与环境工程方面的研究1Tel:0574287605775,8760055034卷30中国矿业大学学报第4供热,以减少干燥能耗.基于这一思路,本文拟讨论振动流化床干燥分区供热方式.面温度,.在热气流穿过煤层过程中,由于有部分热量用于加热煤粒,此过程为非绝热饱和过程,tw略有变化,为简单起见,认为tw只与进气状态有关,在穿过煤层过程保持不变;tm为煤粒表面温度,.式(2)和式(3)相除,可得dim=-1热量供需关系分析G(tin-tout)d=-dim.-rdM1Fs(t-tw)(4)煤炭表面自由水可近似地看作为煤粒表面的一层水膜,单位

5、质量的煤炭表面自由水量与单位质量煤炭的湿表面积Fs成正比,即(5)M=CFs1,(6)Maxs,max,即Ft=Fs,max1(7)在煤炭干燥过程中,湿表面逐渐减少,干表面逐渐增加,但两者之和不变,即(8)Ft=Fd+Fs,两边同除Fs得:=-11FsFs图1振动穿流床干燥Fig.1Coaldryinginhotgas2penetratingvibratedbed(9)将式(5)(7)代入式(9)得-11=FsM(kg);G为热式中:Cp为热气流定压比热,kJ󰃗(m2s);tin和tout分别为热气流气流质量流速,kg󰃗(10)式(10)代入式(4)得dim=-

6、进出温度,;d为时间微分,s;为煤层密度,kg󰃗3m;H为煤层厚度,m;r为煤粒表面水蒸发热,kJ󰃗kg;dM为煤层水分微分,kg󰃗kg;dim为煤层比焓微-M-rdM1t-tw(11)分,kJ󰃗kg.式(1)左边为热气流穿过煤层的焓降,右边第一项为用于煤层水分蒸发的热量,第二项为用于煤层升温的热量.从传热学原理看,热气流穿过煤层时,主要通过对流换热方式将热量传递给煤层.热气流传递给煤层中煤粒湿表面的热量用于水分蒸发,传递给煤粒干表面的热量用于煤粒升温,两个过程的传热方程如下Fs(t-tw)d=-rdM,Fd(t-tw)d=dim

7、1(2)(3)式(11)代入式(1)GCp(tin-tout)=-Hr1+-M=e-Mmax-t-twK1d(12)由振动流化床干燥动力学模型6得,(13)(14)=d-KM,式中K为干燥速率常数,s-1,由干燥试验数据回归计算得到6H=50mm:w)×10-4,H=100mm:(15)(16)式中:为热气流与固体颗粒表面的对流换热系(m2s);Fs、数,kJ󰃗Fd分别为单位质量煤粒湿表面积和干表面积,m2󰃗kg;t为热气流穿过煤层的平均温度,;tw为热气流的湿球温度,亦为煤粒湿表H=150mm:第3期杨国华等:振动流化床干燥分区供热方式研究305设干

8、燥机长为L0,煤粒在干燥机内的平均停留时间为0,则煤粒干燥时间沿干燥长度方向的分布为=L1(18)小,干燥热耗低,不足之处是废气量比第一种方式要大一些.不等速不等温供气兼有上述2种方式的特点,但供气系统更复杂,对自动控制要求更高.3试验及结果分析,宽为0.2m,干燥机由油炉燃烧供热.干燥机前后部进气温度由两支铠装裸头热电偶测量,出气温度由两支铠装铂热电阻测量.前部进出气温度计位于同一垂线上,离进料口的水平距离为300mm,后部进出气温度计亦在同一垂线上,离出料口的水平距离为300mm.试验煤样主导粒级为506mm,占87%,60mm粉煤占58.0󰃗kg.46次,部分试将式(13

9、),(14),(18)代入式(12)得GCp(tin-tout)=HrKMmax×eKLL0+1-eKLL0-t-tw,(19)式(19)右边第一项表示用于煤粒表面水分蒸发所需热量沿干燥机长度方向呈指数急剧下降,右边第二项表示用于煤粒升温吸热所需热量沿干燥机方向的递增关系.当煤粒表面有一层水膜时,其表面温度等于热气流的湿球温度tw,从热气流中得到的热量全部用于水膜的蒸发,而当水膜全部蒸发后,热气流直接加热煤粒,由于煤粒导热性差,煤粒表面温度.,tw式(19)量将随L.如果干燥机前后热气流供热量相同,则必然引起前部供热不足,后部供热过剩.为解决这一热量供需矛盾,作者提出了3种分区供热方

10、式,以强化干燥机前部的水膜干燥,减少干燥机后部煤表面的吸热,降低废气温度和废热排放.2分区供热方式单位床面积进口热气流的供热量为GCptin,改变进气速率G或改变进气温度tin,均可以改变供热量.因此,分区供热的方式可分为3种,一是沿干燥的长度方向等温tin不等速G供气;二是沿干燥机长度方向等速G不等温tin供气;三是沿干燥机长度方向不等速G不等温tin供气.等温不等速供气,即干燥机前后进气温度相同,前部采用高气速,以提高气固间的对流换热系数,强化干燥过程,后部采用低气速,以降低煤粒升温和废热排放.但气速也不宜过小,否则,床层不能流化,一些较大煤块沉积于床层底部,始终与高温热气流接触,导致升温

11、过高,而浮于床层上部的小颗粒煤,供热不足,干燥不充分.等速不等温供气,即干燥机前后部进气速度相同,前部采用较高进气温度,后部采用较低进气温度,在靠近出料口处,甚至采用冷空气为进口气流,一方面利用煤粒余热将残余水分蒸发,另一面还能冷却煤粒.这种供热方式煤粒干燥均匀,物料升温图2干燥试验装置Fig.2Dryingtestapparatus从表1可以看到:1)干燥机出气温度呈前低后高的特点,这与式(19)的理论分析结果是一致的,表明采用分区供热方式很有必要.2)干燥机出料水分干燥过低时,干燥机后部出口废气温度明显增高,造成废气排放热增加.因此,为减少能耗,干燥机出料水分控制在17g󰃗

12、kg左右是适宜的,这部分残余水分可以利用煤粒的余热在其被运送至分选机主厂房的皮带机上再自然蒸发掉,使分选机入料满足水分控制要求.3)采用干燥机前后分区不等温送气,可以明显降低干燥机后部出口废气温度,减少废气排放热.4)进气速度增大,干燥机出气温度增高,废热排放增加,因此在保证煤层基本流化的前提下,宜采用较低进气速度.在本试验中,进气流速为4(m2s)较为适宜4.5kg󰃗.34卷30中国矿业大学学报第6表1干燥试验结果Table1Dryingtestresults试验号123456789处理量󰃗进气流速󰃗(th-1)(kgm-2s-1)进气温度前部

13、󰃗后部󰃗出气温度前部󰃗后部󰃗煤炭表面水分(-1)出料󰃗(-1)入料󰃗4结论理论分析和试验结果表明,振动流化床用于干燥煤炭表面水分时,热气流传递给煤粒的热量主要用于2个方面,;,所必需的,.,因此,在干燥机前部应多供热,以加速煤粒的干燥,在干燥机的后部应少供热,这种分区供热方式,对于减少干燥能耗很有意义.参考文献:1杨国华,陈清如.振动穿流床煤炭干燥特性研究J.regularityofmoistureoncalsurfaceanditseffectsonseparationbyanair2soidiz

14、edbedJ.JouofChUofMining&echno,4)326.rulSDI,amrF.Thermodyn2offluidizedbeddryingofmoistureparticlesJ.InternationalJournalofThermalEnergySciences,2003,(42):6912701.4SyahrulS,HamdullahpurF,DincerI.analy2sisoffluidizedbeddryingofmoistureparticlesJ.Exergy,AnInternationalJournal,2002,(2):87298.5杨国华,陈清如

15、.振动穿流床物料流动及停留时间分布J.煤炭学报,1999,24(3):3252328.YangGH,ChenQR.Flowandresidencetimedistributionsofmaterialsinahotgas2penetratingvibratedfluidizedbedJ.JournalofChinaCoalSociety,1999,24(3):3252328.6杨国华,陈清如.振动穿流床煤炭干燥动力学研究J.煤炭学报,1998,23(6):6442648.YangGH,ChenQR.Studyonkineticsofcoaldryinginahotgas2penetratingvibratedfluidizedbedJ.JournalofChinaCoalSociety,1998,23(6):6442648.中国矿业大学学报,1998,27(3):2252228.YangGH,ChenQR.Studyonc