宝钢煤调湿过程物料平衡及能量平衡分析

宝钢煤调湿过程物料平衡及能量平衡分析

煤炭调节技术是一种重要的焦煤预处理技术，通过在焦炉外干燥和稳定生成的煤炭，减少和稳定焦场的水分，降低焦场的能耗，提高焦场的生产能力，提高焦场的质量，稳定焦场的操作。1983年以来日本先后开发了3种不同干燥介质的煤调湿技术。我国第一套煤调湿装置1996年在重钢投产,采用的是热煤油干燥技术,以蒸汽为主要介质的煤调湿先后在本钢、沈阳煤气、宝钢、太钢、攀钢等推广应用。济钢、马钢煤调湿采用的是焦炉烟道气流化床形式。虽然我国煤调湿装置应用比较全面,但总体来讲起步较晚,针对煤调湿工艺研究远落后于工业应用。该文以宝钢煤调湿为研究对象,对煤调湿过程进行热平衡计算,分析物料在回转窑内停留时间分布,为煤调湿工艺装置设计和试验研究提供技术支持和理论指导。1干燥机采用烟道气调湿见表1宝钢煤调湿2008年底建成投产,采用以烟道气为载气的蒸汽管式干燥机,设计处理量为330t/h,进料煤中含水率9.1%~12.2%,处理后煤中含水率为6.5%~7.0%。核心设备干燥机的主要规格为:有效长度20m,有效直径3.772m,有效容积223.49m与传统蒸汽回转式煤调湿不同的是在干燥机入口引进焦炉烟道气,用烟道气作为载湿气有以下优点:(1)焦炉燃烧产生的烟气温度在220℃左右,与使用的低压蒸汽温度相当,这样可以省去空气预热的环节,节约能源;(2)烟道气中水分含量较低,其传质推动力大,干燥效率高;(3)烟道气中惰性气体含量较高,氧含量低,对控制系统各可燃组分比例,保证系统安全有利。2煤炭调度和除湿技术的评价2.1热平衡计算基础数据结果2009年2-5月,对煤调湿系统的环境参数、操作参数、运行参数以及煤料在回转窑内停留时间分布进行在线测定。以每小时处理的煤量与环境温度为基准,结合在线仪表和临时检测仪表,对煤调湿过程进行物料与能量计算。测试的基础数据为:环境温度13.5℃,调湿后回转窑出口煤的温度76.2℃。入窑烟气温度98℃,出窑90℃。过热蒸汽温度225℃,蒸汽经冷凝后汽液混合物温度128℃。计算结果见表1与表2。煤调湿系统热工效率:煤调湿系统有效热效率:经过热平衡计算发现,煤调湿系统热工效率94.43%,表明生产过程中加热蒸汽热源主要用于蒸发水分以及物料自身升温。煤调湿系统有效热效率43.76%,表明在煤调湿系统中热能主要用于湿煤中水分相变,使煤中液态水转化为汽态水,从而起到降低煤粉水分作用。进入干燥机的烟气载气温度在100℃左右,其作用是通过流动带走煤表面蒸发水分,提高传质推动力。2.2回转窑内停留时间分布煤在回转窑中的干燥效果受干燥强度和停留时间的影响。干燥强度一定时,煤在窑内停留时间越长,干燥效果越强。在连续生产条件下停留时间分布决定了干燥窑内动态储料量,由此决定了煤料浸没列管传热面积。针对煤料在窑内的运行状态,采用脉冲示踪方法测定,结果见图2。(1)从试验样本的停留时间分布计算平均停留时间为10.3min,干燥时间较短,从分布上看,最早为8.511min,最晚13.35min,停留时间分布基本符合高斯分布。(2)回转窑内煤料运动状态分为两类,一是沿轴线方向的螺旋运动;二是随径向运动到最高点后自由抛洒运动。根据回转窑的运行参数与设计结构参数计算表明其螺旋运动平均停留时间为6.2min,考虑到湿煤料颗粒之间的粘附性、内置加热管引起的碰撞返料,实际煤料的平均停留时间高于理论计算时间。(3)在回转窑内既有煤料与换热管壁之间的传导换热,也有煤料之间的对流传热,同时在窑内有焦炉烟道气与煤料表面水汽之间的传质作用。所有这些与填充率直接相关,保证窑内有足够的流动空间,根据测试数据计算如下:式中:φ为填充率;τ为停留时间;G为处理量;ρ为煤料堆密度;V这比一般转筒干燥器的填充率高,可能与煤调湿回转窑内物料的性质和窑体本身结构有一定关系。在填充率为38.13%和平均停留时间仅10.3min的条件下,依靠烟气的湍流流动,提高窑内水分扩散的传递动力,保证煤料表面自由水分的快速蒸发,实现了高填充率下的干燥要求。(4)宝钢煤调湿回转窑的结构特殊,具体表现为:转筒采用间接蒸汽夹套加热煤料,同时为增加传热面积,又沿直径方向布置多层列管。该列管在增加传热面积的同时,兼作煤料翻动抄板,使得煤料在回转窑内既实现浸没传热,又促进煤粒与烟气之间的水汽传递。3回转窑内物料停留时间分布(1)对煤调湿系统的测定得到其热工效率94.43%,有效热效率43.76%,表明煤调湿生产过程中加热蒸汽热源主要用于蒸发水分以及物料自身升温,同时100℃左右的烟气温度通过流动带走煤表面蒸发的水分,实现高效水分传递。(2)针对回转窑内物料停留时间分布测定发现,其平均停留时间为10.3min,煤料颗粒之间停留时间分布基本符合高斯分布,与理论上物料平均停留时间为6.2min相近,说明煤料在回转窑