基于某礦余熱利用的低溫煤泥干燥系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

陳 路，胡文全，張昌建，劉小溪

（1.泰山科學(xué)技術(shù)研究院，山東 泰安 271000；2.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000；3.河北省暖通空調(diào)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056000）

煤泥作為煤炭生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，因其中灰分含量不同，熱值在1 200～1 800 kcal/kg 左右，有一定的利用價值[1]。因具有水分大、灰分高和粘度大的特點，難以直接利用[2]。燃燒利用作為最有效的煤泥利用方式，卻因為其過高的含水量（約30%）受到阻礙[3]，濕煤泥直接燃燒過程中會出現(xiàn)凝聚結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，影響鍋爐運行[4]。目前一般采用煤泥干燥技術(shù)將煤泥中的水分下降至15%左右后方可用于燃燒。

目前常見的煤泥熱傳遞法干燥技術(shù)包括以熱風(fēng)爐作為熱源的煙氣干燥技術(shù)和以電廠余熱蒸汽作為熱源的低溫干燥技術(shù)。熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)系統(tǒng)簡單，維護(hù)成本低，在傳統(tǒng)工藝中被廣泛應(yīng)用[5]。蒸汽干燥技術(shù)因其節(jié)約能源，相對安全且污染較少，近年來得到推廣應(yīng)用[6]。然而蒸汽干燥系統(tǒng)干燥煤泥后的排氣為80℃以上的高濕氣體，仍有回收利用價值。若將這部分余熱回收，建造煤泥干燥子系統(tǒng)，可在不附加額外熱源的前提下，提高能源利用效率，增加干燥系統(tǒng)產(chǎn)量，進(jìn)一步帶來經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

本文依托某洗煤廠蒸汽回轉(zhuǎn)煤泥干燥系統(tǒng)，設(shè)計了以原有煤泥干燥系統(tǒng)排氣余熱作為熱源的余熱回收煤泥干燥系統(tǒng)。

1 某洗煤廠煤泥處理現(xiàn)狀

某煤礦洗選廠目前存在兩個問題：

（1）煤泥干燥處理能力無法滿足濕煤泥產(chǎn)量需求。濕煤泥產(chǎn)量為30 t/h，現(xiàn)有煤泥干燥系統(tǒng)處理能力為20 t/h，仍有煤泥10 t/h 需要處理。

（2）煤泥處理后的乏氣余熱被浪費。目前的煤泥干燥系統(tǒng)為蒸汽回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)，以發(fā)電廠產(chǎn)生的160℃蒸汽作為熱源用于煤泥干燥。蒸汽與煤泥進(jìn)行熱濕交換后成為溫度80～85℃、濕度90%的氣體排入大氣中。

若將乏氣中的熱能提取，將室外空氣加熱用于干燥煤泥，處理剩余10 t/h 的煤泥，可在不附加額外熱源的同時，解決產(chǎn)能不足的問題，帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益。

2 煤泥樣品實驗分析

為確保煤泥干燥效果，從某洗煤廠獲取樣品，進(jìn)行了煤泥干燥實驗。

在送檢煤泥樣品的上表面、中心、底部各取約5 g泥樣（至少3 個平行樣），用含水率測試儀測試，結(jié)果見表1。

表1 煤泥樣品含水率

在實驗用污泥成型機(jī)上，對送檢煤泥采用6×6 mm2、10×10 mm2切槽進(jìn)行成型測試，其中，經(jīng)6×6 mm2切槽手動進(jìn)樣，小顆粒較少，成型后易斷裂成約4～8 cm長的條狀，不易松散，成型、斷裂后不會重新黏連；經(jīng)10×10 mm2切槽手動進(jìn)樣，小顆粒較少，成型后易斷裂成約4～6 cm 長的條狀，不易松散，成型、斷裂后不會重新黏連。如圖1 所示。

圖1 煤泥樣品成型

采用小型低溫干化試驗設(shè)備（JKFF-60）對送檢污泥進(jìn)行蒸發(fā)效率測試，每隔1 min 取樣檢測含水率變化情況。

送風(fēng)溫度65℃，濕度20%。運行5 min 后，6×6 mm2樣品含水率為20.63%，10×10 mm2樣品含水率為22.43%；運行10 min 后，6×6 mm2樣品含水率為13.37%，10×10 mm2樣品含水率為16.58%，煤泥含水率與干化時間關(guān)系如圖2 所示。

圖2 煤泥含水率與干化時間關(guān)系圖

可知6×6 mm2煤泥樣品可滿足產(chǎn)品要求，本系統(tǒng)煤泥具有良好的可行性。

同時，實驗發(fā)現(xiàn)，干化過程中隨著含水率不斷降低，泥條會逐漸變硬且易斷裂，當(dāng)風(fēng)速高于1.5 m/s 時，斷裂泥條易產(chǎn)生粉塵。

3 熱能計算

干燥煤泥所需熱量，煤泥初始溫度30℃，含水率28%（樣品測試含水率為27.65%），產(chǎn)品溫度60℃，含水率14%（樣品測試含水率為14.3%）。

3.1 顯熱量計算

每千克煤泥由30℃加熱至60℃所需的熱量QX可由公式（1）計算：

其中Q1為煤泥中固體成分所需的熱量，Q2為殘余水分所需的熱量。

Q1=c1m1（t2-t1）=1.3 kJ/kg·℃×0.72 kg×（60℃-30℃）=28.08 kJ，

Q2=c2m2（t2-t1）=4.2 kJ/kg·℃×0.14 kg×（60℃-30℃）=17.64 kJ，

其中c1為煤泥比熱，1.3 kJ/kg·℃；m1為每千克煤泥中固體成分的質(zhì)量，0.72 kg；c2為水的比熱，4.2 kJ/kg·℃；m2為每千克煤泥中固體成分的質(zhì)量，0.14 kg；t1為煤泥初始溫度，30℃；t2為產(chǎn)品溫度，60℃。

故QX=45.72 kJ。

3.2 潛熱量計算

每千克煤泥中蒸發(fā)14%的水分所需的熱量Qq可由公式（2）計算：

其中：m 為蒸發(fā)水分的質(zhì)量，0.14 kg；r 為1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下每千克水的汽化潛熱，2 257.6 kJ/kg。

3.3 總熱量計算

烘干每千克煤泥所需的熱量Q=QX+Qq=361.78 kJ。

剩余煤泥總量為10 t/h，所需熱量為10 t/h×361.78 kJ=1004.9 kW。考慮到系統(tǒng)的熱量損失，增加10%的富余量，為1 105.4 kW。

4 余熱回收干燥系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)原理

在低溫蒸汽回轉(zhuǎn)干燥室排風(fēng)管道上開設(shè)支路，將80℃的高濕廢氣引入熱管換熱設(shè)備，與低溫低濕的新鮮空氣換熱，使其溫度降低到65℃，再回到原有的除塵系統(tǒng)。

同時，新鮮空氣被加熱到60～65℃，均勻輸送至干燥室，與煤泥充分進(jìn)行熱濕交換，使煤泥中的水分降低至14%以下，滿足出料要求。最后將用于干燥煤泥的空氣經(jīng)除塵器除塵后排入大氣。

相比于一般換熱裝置，熱管換熱器換熱效率更高，傳播過程更快，熱能損耗更小，占用設(shè)備空間也只有一般換熱器的1/3[7-8]。利用熱管相變技術(shù)回收原有煤泥烘干系統(tǒng)的余熱再次用于煤泥烘干，可以大大提高能源的利用效率，其系統(tǒng)原理圖，如圖3 所示。

圖3 余熱回收干燥系統(tǒng)原理圖

4.2 烘干系統(tǒng)布置

4.2.1 煤泥烘干室

烘干室是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備，關(guān)系到整個系統(tǒng)的成功與否，本次選用烘干室一臺，尺寸22 m×2 m×3 m，三層布置，運行時煤泥從一端進(jìn)入，烘干后從另一端輸出，如圖4 所示。

圖4 煤泥烘干室

煤泥由頂部送入，底部送出，烘干熱風(fēng)由底部進(jìn)入，頂部送出，逆流干燥。風(fēng)速控制在1.5 m/s 以下，防止煤泥烘干時有揚(yáng)塵產(chǎn)生。采用引風(fēng)機(jī)，設(shè)置在烘干室頂部。相比鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢在于：

（1）使烘干室內(nèi)保持微負(fù)壓，利于煤泥內(nèi)部水分蒸發(fā)；

（2）保障烘干室內(nèi)空氣流速分布均勻。

4.2.2 煤泥輸送系統(tǒng)

從原有煤泥輸送皮帶，利用刮板裝置將煤泥分流到無軸式輸料機(jī)，然后送至干燥設(shè)備的濕泥緩沖儲存槽，再將煤泥輸送至干燥室均料斗。用均料機(jī)壓成6×6 mm2的條狀煤餅，進(jìn)入烘干房輸送網(wǎng)帶，經(jīng)過三層輸送網(wǎng)帶，最后從烘干室另一端出料，成品接入出料倉，通過有軸式螺旋輸送機(jī)，導(dǎo)入原有出料系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖5 煤泥輸送系統(tǒng)示意圖

4.3 余熱回收系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

4.3.1 熱量參數(shù)設(shè)計

某洗煤廠蒸汽回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)排氣溫度80℃，濕度90%，經(jīng)過余熱回收后，溫度35℃，濕度95%。回收的熱量為2 506 kW。考慮到系統(tǒng)10%的熱損失，熱管換熱器換熱后可得到的熱量為2 255 kW，考慮到熱管換熱器的熱效率為65%，熱管換熱器換熱后可得到的熱量為1 466 kW，考慮干燥室5%的熱損失，用于烘干煤泥的熱量為1 392 kW，大于烘干10 t 煤泥需要的總熱量1 105.4 kW，可滿足需求。

故選用換熱量1 500 kW 的熱管換熱器。

4.3.2 風(fēng)量參數(shù)設(shè)計

熱管干燥風(fēng)量夏季至少需要：1105.4/（60-30）/1.01/1.2*3600=109445 m3/h，才可以滿足脫水要求，漏風(fēng)損失10%，所需風(fēng)量為120 390 m3/h。

新風(fēng)風(fēng)機(jī)選型：選5 臺高壓風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為30 000 m3/h，風(fēng)壓為1 500 Pa。

增壓風(fēng)機(jī)選型：選取1臺，風(fēng)量150 000～180 000 m3/h，風(fēng)壓為560 Pa。

5 投資概算

（1）設(shè)備投資：包括逆流烘干室、熱管換熱器、風(fēng)機(jī)、煤泥輸送裝置、配電箱以及PLC 等，合計318 萬元。

（2）基建投資：包括設(shè)備基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)等，合計88萬元。

（3）施工費用：包括原有系統(tǒng)改造、管道、設(shè)備和電氣安裝等，合計135 萬元。

（4）總計541 萬元。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

6.1 原系統(tǒng)運行費用

某洗煤廠煤泥烘干系統(tǒng)運行費用為55 元/t。每年按330 d 計算，負(fù)荷百分?jǐn)?shù)按70%，烘干10 t 煤泥的運行費用：55*10*24*330*0.7=305 萬元。

6.2 本系統(tǒng)運行費用

若采用本系統(tǒng)，額外設(shè)置的輸料系統(tǒng)、干燥室和風(fēng)機(jī)總電功率為150 kW，電費按0.6 元/kW·h 計算，每年運行費用：24*330*150*0.6=71.3 萬元。折合每噸煤泥運行費用為13 元。

6.3 系統(tǒng)節(jié)能收益

每年實際節(jié)約費用：305-71.3=233.7 萬元。采用本系統(tǒng)不僅可處理剩余煤泥，且單位產(chǎn)量成本比原有系統(tǒng)更低，說明本系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)方面是可行的。

6.4 經(jīng)濟(jì)回收期

系統(tǒng)投資541 萬元，每年節(jié)能收益233.7 萬元，經(jīng)濟(jì)回收期為2.3 年。

7 結(jié)論

（1）回收蒸汽烘干系統(tǒng)排氣余熱用于煤泥干燥是可行的。

（2）本系統(tǒng)作為蒸汽烘干系統(tǒng)的子系統(tǒng)，無須額外熱源即可運行，提高了能量利用效率。

（3）相較于低溫蒸汽烘干系統(tǒng)，本系統(tǒng)每烘干1 t煤泥的運行成本降低了76%，若某煤礦采用本系統(tǒng)，每年可節(jié)約運行費用233.7 萬元。經(jīng)濟(jì)回收期2.3 年。