HPU褐煤氣流干燥的數值模擬研究

邰世康，劉舒予，李曉楠，宋岳，李陽，王順潔，曾楊

(1.中國神華國際工程有限公司，北京 100007； 2.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083； 3.中國中化股份有限公司，北京 100031；4.北京精信嘉業建筑咨詢有限公司，北京 100071)

0 引言

針對褐煤高揮發分、高水分的自身特點，選用直管式氣流干燥器對褐煤進行干燥是較為常用的方法[1-2]。氣流干燥通過氣流運輸，高溫干燥褐煤顆粒，是一種高效、連續、固體流態化的干燥方法。氣流干燥褐煤過程是傳質與傳熱相互耦合的過程，因為褐煤會被氣流干燥器干燥，蒸發大量的水分。因此，合理優化褐煤的干燥過程，正確認識氣流干燥褐煤的原理，不僅可以節約大量燃料，還可以減小生產成本及減少環境污染[3]。

如何合理使用褐煤資源已經成為全球很多國家研究開發工作的重中之重，特別是在褐煤的加工、轉化技術方面投入了大量的精力。當今合理利用煤炭資源研究的新方向之一就是褐煤的高效清潔利用。褐煤干燥提質利用技術的多項優點一定能讓其在今后的能源領域大放異彩。但是我國目前缺少對褐煤干燥提質技術的基礎理論研究的足夠重視，投入資金不足，還有不少技術難題需要盡快探索，例如：褐煤干燥技術的原理、干燥特性參數的規律變化、褐煤熱干燥自身動力學以及氣流干燥管的操作參數等，而這些則對高溫干燥褐煤之后產品質量有本質的影響[4-5]。

褐煤脫水熱壓提質(HPU)技術是中國礦業大學(北京)與神華集團共同研究開發。該工藝可去除煤中80%的水分，提高發熱量，同時由于熱壓作用顆粒的孔隙率降低，比表面積減少，而且煤分子的側鏈含氧官能團減少，對吸復作用存在一定程度的抑制。依托HPU中試試驗線，通過對氣流干燥器中褐煤顆粒進行干燥過程的分析，基于FLUENT14.5構建褐煤氣流干燥的三維幾何模型，運用數值計算方法模擬褐煤的氣流干燥過程并結合HPU褐煤干燥過程中試試驗，確定了最佳氣流干燥管模型、最佳入口煙氣速度，進一步探究顆粒質量流量、煙氣溫度與干燥后顆粒水分之間的數量關系，優化了氣流干燥器的操作參數，為提高褐煤氣流干燥的效率，減低能耗和工藝成本提供技術理論指導。

1 HPU技術工藝及模擬結果

1.1 HPU工藝流程

HPU中試試驗線的工作流程如圖1所示，低品質煤經破碎，達到工況粒徑之后由螺旋給料機進入干燥管，然后由700 ℃高溫煙氣爐產生的高溫煙氣裹挾通過直管式氣流干燥管，這一過程中，完成高溫煙氣與褐煤顆粒間的傳熱作用，接著氣固兩相流通過旋風分離器，完成氣固分離。氣流和細小粉塵通過布袋除塵器，氣流由引風機排出，細小粉塵和褐煤顆粒可以通過成型機加工成型煤也可直接得到提質煤粉[6]。

由圖1可知，HPU工藝流程是：經過備煤系統破碎之后的褐煤與從高溫煙氣爐中引出的高溫煙氣混合，通過粉煤直管式氣流干燥裝置進行熱量交換，最終用高壓對輥成型機成型擠壓。在直管式氣流干燥管中，高溫熱煙氣與褐煤顆粒在氣流管中混合接觸，進行傳熱過程，降低褐煤的水分。在高溫熱煙氣的作用下，褐煤中脫除的水分以蒸汽的形式與煙氣混合，故此過程可看為氣固兩相流[7]。

圖1 HPU中試試驗線流程圖

1.2 FLUENT模擬結果分析

1.2.1 FLUENT模型求解

模擬的實際工況如表1所示，高溫煙氣的入口溫度為700 ℃(973 K)，入口褐煤顆粒溫度為常溫25 ℃(298 K)。褐煤被破碎為3 mm以下的顆粒，平均粒度為1.2 mm。

表1 褐煤與熱煙氣的物理參數

采用速度為絕對速度、三維雙精度，壓力基求解器，時間為非定常一階隱式，并考慮重力場的影響。湍流模型采用上文所述的標準k-ε雙方程模型，參數保持默認，由于干燥過程涉及傳熱故必須激活能量方程[8]。

DPM模型中將褐煤看作慣性顆粒(INERT)。顆粒尺寸分布為常數1.2 mm，入射類型為面射流源，將煙氣入口設定為入射面，總共的入射時間設定為1 s。顆粒入口溫度為25 ℃。因為要考慮湍流對顆粒運動的影響，故湍流擴散項選擇了上文所述的“隨機游走模型(discrete random walk model)”，顆粒的曳力選項選擇spherical模型。模擬時考慮了顆粒相的運動對流場的影響，顆粒受到的力有曳力、重力以及熱泳力，同時使用了非穩態的顆粒跟蹤方法。壓力速度耦合求解器選用SIMPLE格式，動量方程及能量方程采用二階迎風格式，湍動能、湍動能耗散方程采用一階迎風格式進行離散[7]。關于模型的建立及相關參數設置詳見參考文獻[9]，以直流彎管為模擬對象，此氣流干燥管水平長2 m，高8 m，管道直徑0.15 m，總長10.47 m。設定模擬初始值為顆粒總入射時間為t射流為1 s，入口煙氣速度v為20 m/s，入口煙氣速度T煙氣為700 ℃，顆粒質量流量q為500 kg/h。

1.2.2 顆粒停留時間分析

如圖2所示，由圖2(a)可知，氣流干燥管中0.89 s時顆粒到達氣流干燥管的最高端，開始逃逸，之后干燥后顆粒不斷從出口流出，通過計算機模擬迭代分析得到2.25 s時氣流干燥管中顆粒幾乎為零，可以看作全部逸出，顆粒在干燥管中的停留時間在0.89～1.25 s之間，取其平均值1.07 s作為參考標準[4]。

圖2 0.9s時顆粒停留時間、溫度分布及氣流管溫度分布圖

1.2.3 溫度場分析

由圖2(b)可知，顆粒的最高溫度在干燥管出口處為338 ℃，而顆粒運動到氣流彎管處的溫度已經達到170 ℃。通過迭代模擬圖像顏色變化，可以相應得到在某一時間點氣流干燥管各個位置處顆粒溫度，進而找出顆粒溫度隨氣流管位置變化的規律。由圖2(c)可以看出顆粒與高溫煙氣在氣流管的水平段各自溫度變化明顯，氣流管后半段換熱作用減緩，溫度變化減小[7]。

1.2.4 壓力場分析

如圖3所示，由圖3(a)可知壓力最大值處于氣流干燥管的進口處為381 Pa(除去大氣壓)，最小值位于出口處為標準大氣壓，原因為該系統可簡化成為一個動壓氣力輸送裝置，在彎管處和上升管段被煙氣運送的顆粒過程中會損失一定的壓力(如粒子進入、加速和局部壓頭損失)，所以在整個干燥過程中高溫煙氣的壓力是逐漸下降的。引風機在整個系統的尾部可將煙氣抽走，完成后續操作步驟。由于彎管處內側氣流速度較大，根據伯努利方程，彎管內側壓力相比外側小得多，從圖3(b)中可得到驗證。

圖3 1 s時氣流管壓力圖

1.2.5 速度場分析

如圖4所示，從圖4可以看出高溫煙氣在彎管處的流動較為復雜，對豎直部分管的流動狀態存在較大影響。高溫煙氣在彎管內側速度較大，而靠近外側流速則偏小。煙氣對顆粒輸送作用明顯，在氣流管的前半段顆粒加速顯著，之后顆粒速度隨煙氣逐漸增加，出口處達到最大值。

圖4 褐煤顆粒入射1 s時速度分布圖

2 HPU褐煤氣流干燥模擬與中試實驗驗證

2.1 HPU褐煤氣流干燥中試實驗結果

HPU褐煤氣流干燥中試實驗結果如表2所示。

表2 HPU褐煤氣流干燥中試實驗數據

2.2 氣流干燥管類型對顆粒干燥影響

2.2.1 氣流干燥管類型

設計了4種不同類型的氣流干燥管，如圖5所示。

圖5 不同型號氣流干燥管

2.2.2 氣流干燥管對顆粒溫度和水分的影響

中試試驗數據如表3所示，氣流干燥器運行系統中，不同階段顆粒與高溫煙氣傳熱量比例變化較大，各階段傳熱比例與模擬結果較為一致，如圖6所示。氣流干燥管前25%距離的傳熱量約占總交換熱量的75%左右；剩余25%熱量交換完成在干燥管后75%距離。這種比例在各個型號氣流干燥管運行過程中變化不大。

表3 各氣流干燥管顆粒q=500 kg/h，v=20 m/s，T煙氣=700 ℃參數

圖6 各干燥管位置點的顆粒溫度和水分變化

由表3可知，1號與2號干燥管總長相同，顆粒停留時間相同，同時2號干燥管相對1號干燥管因為高度低所以壓降損失較小，兩者的顆粒出口溫度相差1.9%，模擬出口水分相差0.43%。總體而言，兩者各項參數較為一致。1號干燥管參數與4號干燥管參數相比較，兩者的顆粒出口溫度相差2.2%，模擬出口水分相差0.48%，說明高溫煙氣與顆粒的熱交換作用結果相近。由于1號干燥管高度接近4號干燥管兩倍，顆粒在重力作用下停留在1號管中的時間明顯增長，4號管后段存在U型彎管增加了其壓降損失。1號干燥管參數與3號干燥管參數比較，由于干燥管后段氣固兩相換熱減緩，速率降低，所以兩者的顆粒出口溫度相差不到10%，模擬出口水分相差僅1.6%。其中3號管總長度僅為1號管長度的60%，3號管顆粒停留時間也只有為1號管時間的55%左右。結合氣流干燥特點，從節約建材，充分利用廠房空間的角度考慮，選用3號管的優勢較大。若需要改變煙氣出口方向，則可考慮U型氣流干燥管。

2.3 入口煙氣速度對顆粒干燥影響

3號氣流干燥管q=200 kg/h，T煙氣=700 ℃,t射流=1 s條件下，入射煙氣速度與顆粒停留時間、壓降損失及模擬出口顆粒的關系如圖7所示。

由圖7(a)可知，曲線大致分為兩個階段，在入口煙氣速度為10～15 m/s時，隨著速度增大，顆粒在干燥管中的停留時間急劇下降，而當入口煙氣速度達到20 m/s后，顆粒在干燥管中停留時間變化減緩。圖7(b)可看出管中壓降跟入射速度的大小基本成正比，隨著入口煙氣速度的增加，管中產生的壓力損失不斷增大。其中曲線變化大致分為兩個階段，入口煙氣速度為10～20 m/s時，管中壓力損失降增長緩慢，之后每提高單位入口煙氣速度產生的管中壓力降更大。從圖7(c)可以看出顆粒干燥后水分與入口煙氣速度(15～20 m/s)成正比，該階段隨著入口煙氣速度的增加，干燥后顆粒水分不斷增大。而曲線兩端變化較為平緩，水分隨速度變化較小。結合表3中試數據，氣流干燥褐煤顆粒q=200 kg/h，T煙氣=700 ℃，v為13 m/s條件下褐煤最終水分降低15%左右，與模擬數據較為一致，具有一定可信度，從而延伸計算模擬出各個速度條件下褐煤干燥水分，部分誤差可能是管徑長短影響導致。綜合入口煙氣速度與顆粒停留時間、壓降損失，模擬出口顆粒水分之間的關系，盡量采用使顆粒停留時間短、壓降損失小、干燥后顆粒水分低的入口煙氣速度，所以取入口煙氣速度為20 m/s對整個氣流干燥工藝較合適。

圖7 入射煙氣速度與顆粒停留時間、壓降損失及模擬出口顆粒的關系

2.4 質量流量對顆粒干燥影響

3號氣流干燥管v=20 m/s，T煙氣=700 ℃，t射流=1 s條件下，褐煤顆粒質量流量與顆粒停留時間，壓降損失，顆粒模擬溫度及模擬出口顆粒水分的關系如表4所示。

由表4可知，在入口煙氣速度20 m/s條件下，不同質量流量的煤顆粒在同一氣流干燥管中停留時間始終保持在1.10 s。說明顆粒在氣流干燥管中的停留時間并不隨質量流量的大小而變化，只與入口煙氣速度大小相關。管中壓降跟入射質量流量基本成正比，隨著質量流量的增加，管中產生的壓力損失不斷增大。氣流干燥后顆粒水分與入口顆粒質量流量基本成正比，隨著顆粒質量流量的增加，顆粒出口溫度不斷降低，計算得到干燥后顆粒水分不斷增大。

表4 3號氣流干燥管v=20 m/s，T煙氣=700 ℃參數

2.5 入口煙氣溫度對顆粒干燥影響

3號氣流干燥管q=200 kg/h，v=20 m/s，t射流=1 s條件下，入口煙氣溫度與顆粒停留時間，壓降損失，顆粒模擬溫度及模擬出口顆粒水分的關系如表5所示。

由表5可知，在q=200 kg/h，v=20 m/s條件下，不同的入口煙氣溫度對顆粒停留時間和壓降損失沒有明顯影響，褐煤顆粒在3號氣流干燥管中的停留時間均為1.10 s，壓降損失均為229 Pa。

表5 3號氣流干燥管q=200 kg/h，v=20 m/s 參數

3 結語

本文建立褐煤氣流干燥過程模型進行氣流干燥的初步模擬，對顆粒停留時間、溫度場、壓力場、速度場及出口顆粒水分模擬分析，進而改變干燥器模型、入口煙氣速度、顆粒質量流量、入口煙氣溫度等操作參數研究模擬對顆粒干燥的影響，得到了氣流干燥的最佳干燥器模型、入口煙氣速度值和最佳運行參數，總結了顆粒質量流量和入口煙氣溫度對顆粒干燥水分的影響。研究得出以下結論：

(1)在氣流干燥管的前25%長度部分高溫煙氣與褐煤顆粒發生了劇烈的傳熱作用，煙氣溫度變化巨大，褐煤顆粒迅速升溫；在氣流管后段，兩相溫度的變化較為緩和，逐漸降至最小；

(2)干燥氣流管中的壓降損失與入口煙氣速度、顆粒質量流量分別成正比關系。顆粒質量流量一定條件下，入口煙氣速度越大，干燥管中壓降損失越多。入口煙氣速度一定條件下，顆粒質量流量越大，干燥管中壓降損失越大。彎管附近處靠近入口端壁面壓力值比遠離端壓力小；

(3)當入口煙氣速度達到20 m/s后，氣流干燥彎管中顆粒停留時間降速減緩，綜合考慮產生的壓降損失以及HPU實際工業生產，建議氣流干燥管采用的入口煙氣速度為20 m/s；

(4)干燥后顆粒水分與入口煙氣溫度、顆粒質量流量都成一定比例關系。顆粒質量流量一定時，干燥后顆粒水分與入口煙氣溫度成反比。入口煙氣溫度一定時，干燥后顆粒水分與顆粒質量流量成正比。