热风和热风蒸汽煤调湿工艺的能耗分析

热风和热风蒸汽煤调湿工艺的能耗分析

0两种煤调湿工艺的适用性中国是著名的焦化工生产国。自2003年以来，焦酸焦产量和出口一直保持不变。煤调湿(coalmoisturecontrol,CMC)技术作为炼焦工序中的一种入炉煤预处理技术,将炼焦煤水分由12%降至6.5%左右,可降低炼焦总能耗,减少焦化水量,改善焦炭质量,已广泛应用于目前的焦化行业当中针对热风和烟道气煤调湿工艺的安全问题,本实验提出了一种以过热蒸汽为干燥介质的炼焦煤煤调湿技术.利用自制穿流干燥装置分别进行热风和过热蒸汽煤调湿实验,研究不同干燥介质下炼焦煤干燥特性以及干燥介质温度、气流速度和料层厚度对炼焦煤干燥特性的影响,优化热风和过热蒸汽煤调湿工艺参数.将两种煤调湿工艺的调湿能耗和调湿时间进行对比,论证过热蒸汽应用于煤调湿技术的可行性.1实验部分1.1原料配比分析原料为江西丰城焦化厂提供的配煤后煤样,水分质量分数为(11.90±0.35)%,主要配比煤种包括金盛主焦煤、邹城气煤、平顶山主焦煤和邹城气煤等,原料的工业分析见表1.1.2实验设备1.2.1载物台悬吊保温层.自制薄层穿流干燥装置主要结构见图1.干燥室为圆柱形结构,内口直径为150mm,材料为普通碳钢,外部为5mm聚四氟乙烯(PTFE)保温层.干燥室内有圆柱形载物台,其上部凸缘使得载物台悬吊在干燥室内;载物台底部为多孔金属网,使得干燥介质可穿流通过焦煤物料层.实验过程中,载物台可从干燥室内快速拿出称重并放回.干燥介质经进气阀门,由下而上进入干燥室,对焦煤物料进行穿流干燥,而后从干燥室上部排出.1.2.2实验原料和设备漩涡风机(上海狮歌高压风机科技有限公司)、加热器(上海涞恒电热电器有限公司)、自制过热蒸汽发生器(0.7MPa)、温度传感器(400℃,OME-GA)、电热恒温干燥箱(天津市中环实验电炉有限公司)、马弗炉(天津实马介电炉厂)、刻度尺(精度:1mm)、电子天平(精度:0.02g).1.3实验方法1.3.1热风干燥和过热蒸汽干燥调湿热风干燥调湿实验:打开风机和加热器,根据实验需要调节风量和风温,并对实验装置进行预热.取出载物台,快速装载一定厚度的焦煤物料,并放回干燥室内,此时为干燥实验开始时刻.干燥过程中每经过固定时间间隔,快速取出载物台并称重,记录重量,以便后续计算样品水分.在实验过程中,热风温度分别为:60℃,75℃,90℃,105℃和120℃;炼焦煤厚度分别为30mm,60mm,90mm和120mm;热风风速分别为0.28m/s,0.38m/s和0.48m/s.过热蒸汽干燥调湿实验:打开自制过热蒸汽发生器,调整过热蒸汽的流量和温度,并对干燥装置进行预热.其他实验步骤与热风干燥实验相同.在实验过程中,过热蒸汽温度分别为120℃,160℃和200℃;炼焦煤厚度分别为40mm,80mm和160mm;过热蒸汽流量分别设置为7kg/h和9kg/h;过热蒸汽流速为0.070m/s~0.090m/s.1.3.2湿基水分的测定在进行炼焦煤干燥去湿之前,要对煤样进行水分测定.本实验中所有水分均表示物料的湿基水分,测定方法为105℃下,烘箱中加热时间12h,水分按式(1)计算:式中:w1.3.3设备处理装置处理量定义为单位时间内利用穿流干燥装置进行炼焦煤调湿的物料处理量.装置处理量按式(2)计算:式中:m1.3.4煤调湿能耗计算煤调湿能耗定义为炼焦煤样品由初始含水量干燥到水分为6%的过程中,平均每处理1kg物料所消耗的能量,煤调湿能耗按式(3)计算:式中:Q为煤调湿能耗,kJ/kg;v为干燥介质流速,m/s;ρ2结果与讨论2.1加热干燥调整湿2.1.1热风温度对干燥调湿的影响在料层厚度为30mm、热风风速为0.28m/s,热风温度分别为60℃,75℃,90℃,105℃和120℃条件下炼焦煤的干燥曲线见图2.由图2可以看出,热风温度是炼焦煤干燥调湿的一个重要参数.在热风温度分别为60℃,75℃,90℃,105℃和120℃条件下,炼焦煤由初始水分干燥到水分为6%的时间分别为10min,7min,5min,5min和4min.热风温度越高,炼焦煤干燥调湿的时间越短.因此,在炼焦煤干燥调湿过程中,适当提高干燥介质温度,有利于缩短炼焦煤的干燥调湿时间和提高设备处理能力2.1.2料层厚度对干燥煤调湿的影响图3所示为炼焦煤在热风风温为75℃,风速为0.38m/s,料层厚度分别为30mm,60mm,90mm,120mm条件下的干燥曲线.由图3可以看出,当料层厚度为30mm时,煤样从初始水分干燥到水分为6%仅用了7min.当料层厚度为60mm时,这一时间为22min,是之前的3倍多,而当料层厚度超过90mm时,其干燥时间达到1h以上.这说明料层厚度是影响炼焦煤干燥速率的决定性因素之一.在热风风温为75℃,风速为0.38m/s时,不同料层厚度对应的物料处理量计算结果见表2.由表2可以看出,料层厚度为30mm时的单位时间物料处理量是料层厚度为60mm时的物料处理量的1.5倍,是料层厚度为120mm时物料处理量的3.0倍.这是因为当料层厚度较小时,热风可穿透煤层,并快速带走煤层蒸发的水分.因此,合理地控制炼焦煤料层厚度可大大增加煤调湿设备的处理量,提高生产效率2.1.3热风风速影响图4所示为炼焦煤在风温为75℃,料层厚度为30mm,风速分别为0.28m/s,0.38m/s,0.48m/s的条件下的干燥曲线.当风速大于0.48m/s时,实验观察到炼焦煤干燥调湿后期出现扬尘现象.由图4可以看出,当热风风速分别为0.28m/s,0.38m/s,0.48m/s时,炼焦煤从初始水分干燥到水分为6%的时间分别为7min,5min和3min,即风速每增加0.10m/s,所需干燥时间会减少2min.因此,增大风速有利于缩短炼焦煤干燥调湿时间.这是因为较大的风速能够使物料浮动,增大物料颗粒间的距离,增加物料颗粒与干燥介质的接触面积.同时,较大的风速可使物料表面与周围环境的压差增大,增加了水分扩散动力.另外,较大的风速也能将炼焦煤干燥出来的水分及时带走,有利于干燥过程的进行2.2过热蒸汽干燥调湿图5所示为料层厚度为40mm,过热蒸汽流量为7kg/h,过热蒸汽温度分别为120℃,160℃,200℃条件下炼焦煤的干燥曲线.图6所示为过热蒸汽流量为7kg/h,过热蒸汽温度为160℃,料层厚度分别为40mm,80mm,160mm条件下的干燥曲线.图7所示为过热蒸汽温度为160℃,料层厚度为40mm,蒸汽流量分别为7kg/h和9kg/h条件下的干燥曲线.由图5~图7可以看出,当干燥介质为过热蒸汽时,与炼焦煤热风干燥调湿的基本规律大致相同,即提高干燥介质温度、合理控制料层厚度以及合理增大干燥介质流量均能缩短炼焦煤从初始水分干燥到水分为6%所需时间,并且适当降低料层厚度可提高干燥装置物料处理量3热风煤调湿的能耗特性假设整个调湿过程无热量损失,每将1kg炼焦煤从初始水分干燥至水分为6%所消耗的外部能量Q按式(3)计算.热风风速为0.28m/s~0.48m/s,干燥介质温度为60℃~120℃,料层厚度为30mm条件下能耗等值见图8.由图8可以看出,热风煤调湿过程中,每处理1kg湿物料,在高温条件下比低温条件下所消耗的能量小.原因为:在热风干燥调湿过程中,热风供给热量分成三部分,由大到小依次为:废气带走热量、炼焦煤升温吸热、水分蒸发热量.热风温度高,带湿和热量供给能力急剧增加,因而热风用量小,废气量少,能耗减少.过热蒸汽流速为0.070m/s~0.090m/s,过热蒸汽温度为120℃~200℃,料层厚度为40mm条件下能耗等值见图9.由图9可以看出,当过热蒸汽温度大于160℃时,其能耗将会随温度的升高而增加.因此,与热风干燥调湿工艺相反,在过热蒸汽煤调湿工艺中,必须控制过热蒸汽温度以降低能耗.在过热蒸汽调湿过程中,由于过热蒸汽温度高,物料升温大.热量消耗由大到小依次为:炼焦煤升温吸热、出口蒸汽带走热量、水分蒸发热量.当过热蒸汽温度升高时,炼焦煤升温吸热量增加,因此调湿能耗相应增加.在本实验条件下,对热风和过热蒸汽干燥调湿工艺过程进行优化.优化后的热风调湿工艺参数为:热风风速为0.48m/s,热风温度为120℃,料层厚度为40mm,相应能耗为1326kJ/kg物料.优化后的过热蒸汽煤调湿工艺参数为:过热蒸汽流速为0.09m/s(9kg/h)、温度为160℃及料层厚度为40mm,能耗为856kJ/kg物料.利用过热蒸汽对炼焦煤进行去湿时,干燥装置出口的过热蒸汽温度为105℃,蒸汽仍处于过热状态,若考虑将这部分显热回收利用,其能耗范围与热风煤调湿能耗范围对比见表3.由表3可以看出,过热蒸汽煤调湿过程更为节能.在各自的最佳工艺参数条件下,热风煤调湿的时间为5min,而过热蒸汽煤调湿的时间仅为3min.因此,无论是从能耗范围还是从干燥速率的角度来看,过热蒸汽煤调湿都优于热风煤调湿;再加上过热蒸汽调湿无爆炸危险,因而过热蒸汽煤调湿工艺具有较大的应用潜力4两种煤调湿工艺