寶鋼煤調(diào)濕過程物料平衡及能量平衡分析

寶鋼煤調(diào)濕過程物料平衡及能量平衡分析

煤炭調(diào)節(jié)技術(shù)是一種重要的焦煤預(yù)處理技術(shù)，通過在焦?fàn)t外干燥和穩(wěn)定生成的煤炭，減少和穩(wěn)定焦場的水分，降低焦場的能耗，提高焦場的生產(chǎn)能力，提高焦場的質(zhì)量，穩(wěn)定焦場的操作。1983年以來日本先后開發(fā)了3種不同干燥介質(zhì)的煤調(diào)濕技術(shù)。我國第一套煤調(diào)濕裝置1996年在重鋼投產(chǎn),采用的是熱煤油干燥技術(shù),以蒸汽為主要介質(zhì)的煤調(diào)濕先后在本鋼、沈陽煤氣、寶鋼、太鋼、攀鋼等推廣應(yīng)用。濟(jì)鋼、馬鋼煤調(diào)濕采用的是焦?fàn)t煙道氣流化床形式。雖然我國煤調(diào)濕裝置應(yīng)用比較全面,但總體來講起步較晚,針對煤調(diào)濕工藝研究遠(yuǎn)落后于工業(yè)應(yīng)用。該文以寶鋼煤調(diào)濕為研究對象,對煤調(diào)濕過程進(jìn)行熱平衡計算,分析物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)停留時間分布,為煤調(diào)濕工藝裝置設(shè)計和試驗研究提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。1干燥機(jī)采用煙道氣調(diào)濕見表1寶鋼煤調(diào)濕2008年底建成投產(chǎn),采用以煙道氣為載氣的蒸汽管式干燥機(jī),設(shè)計處理量為330t/h,進(jìn)料煤中含水率9.1%~12.2%,處理后煤中含水率為6.5%~7.0%。核心設(shè)備干燥機(jī)的主要規(guī)格為:有效長度20m,有效直徑3.772m,有效容積223.49m與傳統(tǒng)蒸汽回轉(zhuǎn)式煤調(diào)濕不同的是在干燥機(jī)入口引進(jìn)焦?fàn)t煙道氣,用煙道氣作為載濕氣有以下優(yōu)點:(1)焦?fàn)t燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度在220℃左右,與使用的低壓蒸汽溫度相當(dāng),這樣可以省去空氣預(yù)熱的環(huán)節(jié),節(jié)約能源;(2)煙道氣中水分含量較低,其傳質(zhì)推動力大,干燥效率高;(3)煙道氣中惰性氣體含量較高,氧含量低,對控制系統(tǒng)各可燃組分比例,保證系統(tǒng)安全有利。2煤炭調(diào)度和除濕技術(shù)的評價2.1熱平衡計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)果2009年2-5月,對煤調(diào)濕系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)、操作參數(shù)、運行參數(shù)以及煤料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)停留時間分布進(jìn)行在線測定。以每小時處理的煤量與環(huán)境溫度為基準(zhǔn),結(jié)合在線儀表和臨時檢測儀表,對煤調(diào)濕過程進(jìn)行物料與能量計算。測試的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為:環(huán)境溫度13.5℃,調(diào)濕后回轉(zhuǎn)窯出口煤的溫度76.2℃。入窯煙氣溫度98℃,出窯90℃。過熱蒸汽溫度225℃,蒸汽經(jīng)冷凝后汽液混合物溫度128℃。計算結(jié)果見表1與表2。煤調(diào)濕系統(tǒng)熱工效率:煤調(diào)濕系統(tǒng)有效熱效率:經(jīng)過熱平衡計算發(fā)現(xiàn),煤調(diào)濕系統(tǒng)熱工效率94.43%,表明生產(chǎn)過程中加熱蒸汽熱源主要用于蒸發(fā)水分以及物料自身升溫。煤調(diào)濕系統(tǒng)有效熱效率43.76%,表明在煤調(diào)濕系統(tǒng)中熱能主要用于濕煤中水分相變,使煤中液態(tài)水轉(zhuǎn)化為汽態(tài)水,從而起到降低煤粉水分作用。進(jìn)入干燥機(jī)的煙氣載氣溫度在100℃左右,其作用是通過流動帶走煤表面蒸發(fā)水分,提高傳質(zhì)推動力。2.2回轉(zhuǎn)窯內(nèi)停留時間分布煤在回轉(zhuǎn)窯中的干燥效果受干燥強(qiáng)度和停留時間的影響。干燥強(qiáng)度一定時,煤在窯內(nèi)停留時間越長,干燥效果越強(qiáng)。在連續(xù)生產(chǎn)條件下停留時間分布決定了干燥窯內(nèi)動態(tài)儲料量,由此決定了煤料浸沒列管傳熱面積。針對煤料在窯內(nèi)的運行狀態(tài),采用脈沖示蹤方法測定,結(jié)果見圖2。(1)從試驗樣本的停留時間分布計算平均停留時間為10.3min,干燥時間較短,從分布上看,最早為8.511min,最晚13.35min,停留時間分布基本符合高斯分布。(2)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤料運動狀態(tài)分為兩類,一是沿軸線方向的螺旋運動;二是隨徑向運動到最高點后自由拋灑運動。根據(jù)回轉(zhuǎn)窯的運行參數(shù)與設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)計算表明其螺旋運動平均停留時間為6.2min,考慮到濕煤料顆粒之間的粘附性、內(nèi)置加熱管引起的碰撞返料,實際煤料的平均停留時間高于理論計算時間。(3)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)既有煤料與換熱管壁之間的傳導(dǎo)換熱,也有煤料之間的對流傳熱,同時在窯內(nèi)有焦?fàn)t煙道氣與煤料表面水汽之間的傳質(zhì)作用。所有這些與填充率直接相關(guān),保證窯內(nèi)有足夠的流動空間,根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算如下:式中:φ為填充率;τ為停留時間;G為處理量;ρ為煤料堆密度;V這比一般轉(zhuǎn)筒干燥器的填充率高,可能與煤調(diào)濕回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的性質(zhì)和窯體本身結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。在填充率為38.13%和平均停留時間僅10.3min的條件下,依靠煙氣的湍流流動,提高窯內(nèi)水分?jǐn)U散的傳遞動力,保證煤料表面自由水分的快速蒸發(fā),實現(xiàn)了高填充率下的干燥要求。(4)寶鋼煤調(diào)濕回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)特殊,具體表現(xiàn)為:轉(zhuǎn)筒采用間接蒸汽夾套加熱煤料,同時為增加傳熱面積,又沿直徑方向布置多層列管。該列管在增加傳熱面積的同時,兼作煤料翻動抄板,使得煤料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)既實現(xiàn)浸沒傳熱,又促進(jìn)煤粒與煙氣之間的水汽傳遞。3回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料停留時間分布(1)對煤調(diào)濕系統(tǒng)的測定得到其熱工效率94.43%,有效熱效率43.76%,表明煤調(diào)濕生產(chǎn)過程中加熱蒸汽熱源主要用于蒸發(fā)水分以及物料自身升溫,同時100℃左右的煙氣溫度通過流動帶走煤表面蒸發(fā)的水分,實現(xiàn)高效水分傳遞。(2)針對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料停留時間分布測定發(fā)現(xiàn),其平均停留時間為10.3min,煤料顆粒之間停留時間分布基本符合高斯分布,與理論上物料平均停留時間為6.2min相近,說明煤料在回轉(zhuǎn)窯