褐煤煤粉干燥立管提質干燥的流動特性研究

張 賾

大連環資科技有限公司

針對褐煤煤粉進行提質干燥是重要的工業處理手段之一，褐煤煤粉提質干燥效果受其流動特性影響很大。本文從褐煤煤粉的提質干燥特性與機理入手，通過模擬實驗分析氣固比、氣流流速、煙氣溫度三種主要流動特性對提質干燥過程和結果的影響，在理論上為褐煤煤粉的工業處理提供一定的優化參考依據，提升褐煤的應用能效。

褐煤是我國常用的礦物質燃料，長期以來用量一直居高不下，但由于褐煤熱值低、濕度大，使用時產生的熱量有相當一部分被水蒸氣帶走，所以熱效率非常低。為提高褐煤的工業利用能效，需要對褐煤進行適當的處理，降低其濕度以保證熱效率，提質干燥正是目前比較常用的一種處理方法，其中以立管干燥技術最為先進，應用能效也最好，本文即以這種干燥技術為研究對象，探析該技術中流動特性因素所產生的影響。

褐煤煤粉的提質干燥概述

褐煤煤粉的特征

褐煤即柴煤，是礦產煤的一種，其煤化程度低，具有較強的化學反應性，暴露在空氣中會迅速風化，所以儲存、運輸都比較困難。這種煤優點有二：其一是揮發性強，易于燃燒，使用要求比較低；其二是價格低廉，產量大，開采后可直接使用。但褐煤的熱值非常低，為了盡可能提高其使用效率，往往將其磨制成擁有較大表面積的煤粉使用。然而，磨成煤粉雖然可以一定程度上提高其燃燒率，但無法去除其中的水分，所以褐煤煤粉還需要進一步進行提質干燥處理。

褐煤煤粉的提質干燥機理

褐煤煤粉有多種干燥技術，按干燥機理可以分為兩種，一種是脫水干燥，又稱蒸發干燥，另一種是熱解干燥。干燥立管式的提質干燥法則屬于蒸發干燥中的氣流干燥，具有瞬時化、高速化特征，基本機理是流態化的稀相輸送，干燥介質是立式直管。

干燥立管式提質干燥技術的第一步是褐煤煤粉與高溫煙氣的混合。首先，鍋爐產生高溫煙氣，然后以鼓風機和管道引導這些煙氣，將之直接送入干燥立管，褐煤的煤粉則以進料斗同樣送入干燥立管，煤粉和高溫煙氣在立管中相互接觸并混合在一起，以氣固混合相的形式存在。之后，高溫煙氣在溫度作用下沿立管不斷上升，褐煤煤粉便在混合狀態下隨之上升，在這一過程中，混合物不斷發生熱值傳遞，煤粉中的水分迅速流失，干燥作用由此實現。最后，混合物的提質干燥完成并進入分離器，經過分離器的分離與進一步的除塵以后，褐煤煤粉和煙氣分離開來，褐煤煤粉收集使用，煙氣則送入污染處理裝置，經過一定的凈化后排入大氣或另作他用。由于該機理利用了氣固混合相的流動特性，所以提質干燥的能效理所當然會受到流動特性的影響，但由于氣固混合相流動特性要素都有很強的動態性，所以在分析上比較困難，需要借助專門的分析實驗。

干燥立管中的褐煤煤粉提質干燥分析實驗

根據上述機理，擬定該過程的模擬分析實驗。選擇2m 長、0.038m 管徑的實驗用干燥立管，顆粒直徑在80 目到100 目之間的褐煤原煤顆粒進行此實驗，通過控制氣固比、入口煙氣流速、初始煙氣溫度三項不同的實驗參數來反映不同的流動特性，以最終所回收煤粉的濕度反映提質干燥的最終效果。需要注意的是，為了保證與實際的工業生產特性相一致，不同組別溫度的測量時間應不少于20 分鐘，且時間間隔要保持一致。

干燥立管氣固比與褐煤煤粉提質干燥的關系

氣固比即體積比，是重要的流動特性參數之一，該參數可以通過控制褐煤煤粉與高溫煙氣的混合比例來加以調整。

在本實驗中，獲得的氣固比與煤粉濕度關系如圖1（C）所示。由該圖可知，無論何種氣固比，立管長度越長，煤粉干燥后濕度越低。但減緩幅度與最終濕度均有所區別，氣固比越小，濕度降低得越快，在干燥立管長度固定的情況下，最終濕度也就越小。換言之，氣固比與褐煤煤粉的提質干燥效果呈反向相關，氣固比的值越小，提質干燥的效果也就越好。這是因為氣固比小說明混合物中氣相成分所占比例較少，此時混合物能夠獲得更高的流動速度，濕量的去除速度也會加快。但需要注意的是，混合物速度的加快有可能導致混合物在立管中的停留時間過短，在這種情況下煙氣的熱量來不及利用，被大量浪費，反而對實際的提質干燥不利。因此，在實際的提質干燥處理中，氣固比的削減應控制在一定的界限內，在保證熱量充分利用的前提下選擇盡可能小的氣固比。

干燥立管氣流流速與褐煤煤粉提質干燥的關系

此處的氣流流速指的是高溫煙氣通入干燥立管時在立管入口處的速度，在實際生產中往往通過控制鼓風機輸出功率來調整。

在本實驗中，獲得的入口氣流速度與煤粉濕度關系如圖1（B）所示。由該圖可知，在氣流剛剛通入立管時，濕度變化與干燥立管的長度呈一定的線性關系，且在該關系中斜率為負，所以在干燥立管中最初的提質干燥基本可以當作一種恒速干燥來分析。但是褐煤煤粉與煙氣形成混合物并進一步上升后，煤粉的溫度、速度呈現升高趨勢，相反，煙氣的溫度、速度呈現降低趨勢，這種差距令二者的熱傳導受到負面影響，濕度與立管長度的線性關系消失，干燥過程轉變為降速干燥。由此可知，提高入口處的煙氣流速的確可以通過加強煤粉與煙氣的傳熱傳質來適當提升干燥效果，但這種提升效果相當有限，對最終的褐煤煤粉濕度影響不大。而由于提升煙氣流速使混合物在立管中的反應時間變短，提升效果或被反向抵消，甚至反而降低最終的提質干燥能效。因此，在實際生產中，將入口處的氣體流速控制在一個相對較小的數值能收獲較好的提質干燥效果。

干燥立管煙氣溫度與褐煤煤粉提質干燥的關系

干燥立管式的提質干燥法是一種高溫反應，因此煙氣溫度也是關鍵的流動特性參數之一。由于干燥立管的長度較長，在整個提質干燥過程中，煙氣溫度會產生一定的變化，所以本文所述的煙氣溫度特指在干燥立管入口處的煙氣溫度，在煙氣通入干燥立管前對其進行適當的加熱或降溫處理即可控制該參數。

本實驗得到的煙氣溫度與煤粉濕度關系如圖1（A）所示。由圖可知，在氣固比和入口氣流流速相同的情況下，入口處送入的煙氣溫度越高，最終獲得的煤粉濕度也就越低，且影響程度非常顯著。這與煤粉和煙氣之間的傳熱效應有關，如前文所述，隨著混合物在干燥立管中逐漸升高，煤粉和煙氣的溫度、速度都呈現出反向分離的趨勢，這會降低傳熱傳質，進而對煤粉干燥產生不利影響。而煙氣的初始溫度越高，這種分離作用就越不明顯，對傳熱傳質的削弱作用也就越小，由此確保提質干燥的能效。由此得出結論，煙氣溫度越高，褐煤煤粉的提質干燥效果越好，兼之煙氣溫度在實際的褐煤提質干燥中比較容易控制，所以具有較高的實際應用性。

圖1 不同指標對褐煤顆粒含濕量的影響（A：溫度；B：氣體流速；C：氣固比）

結語

綜上可知，以干燥立管技術對褐煤煤粉進行提質干燥時，氣固比和入口煙氣溫度這兩大流動特性對最終的提質干燥效果有很大的影響，而相較之下煙氣流速的影響較小。因此，在工業生產中，優化提質干燥能效的措施主要可集中在對氣固比和入口煙氣溫度的控制上，一方面盡可能降低氣固比，另一方面在入口位置對煙氣進行加熱升溫，這樣可有效提高提質干燥效果。