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      超超臨界燃煤機組蒸汽管回轉(zhuǎn)-煤泥干燥技術(shù)

      2021-11-20 03:10:48王林偉劉先航劉云杰梅玉柱孔國強
      潔凈煤技術(shù) 2021年5期
      關(guān)鍵詞:干燥機煤泥進料

      王林偉,劉先航,劉云杰,梅玉柱,孔國強

      (淮北申皖發(fā)電有限公司,安徽 淮北 235000)

      0 引 言

      在我國一次能源結(jié)構(gòu)中煤炭將長期作為主體能源[1],分選是煤炭清潔利用的重要手段,據(jù)《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020)》,原煤入選率將逐漸增加,2020年接近80%,煤泥作為煤炭分選的副產(chǎn)品,產(chǎn)量也將大幅增加[2-3]。由于煤泥具有高黏性、高持水性、高灰分、低熱值等諸多不利因素,其在燃煤電廠的工業(yè)化綜合利用存在較大困難。目前,煤泥綜合利用的途徑主要有煤泥直燃發(fā)電、煤泥脫水干燥后摻燒發(fā)電[4-6]。國內(nèi)實現(xiàn)煤泥工業(yè)化應用的熱力脫水方式主要分為高溫煙氣干燥技術(shù)和蒸汽間接干燥技術(shù)兩大流派。由于高溫煙氣干燥技術(shù)環(huán)境污染大、能耗高等缺點[7],發(fā)展受到限制。而蒸汽干燥技術(shù)是可以利用蒸汽熱量加熱、干燥煤泥的節(jié)能環(huán)保技術(shù),具有諸多優(yōu)勢,其中蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥技術(shù)作為一種常用的蒸汽干燥技術(shù),兼具單機處理能力大、操作彈性大等優(yōu)點,利于煤泥的無害化處理和資源化利用,已經(jīng)逐步推廣應用。

      目前已有學者對蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機-煤泥干燥系統(tǒng)的干燥特性進行了研究。王雙鳳[8]、喬磊等[9]、張洪安等[10]、劉家柱[11]均以煤礦選煤廠的低溫蒸汽干燥機為例,側(cè)重介紹系統(tǒng)工藝流程、相關(guān)改進措施及應用效益。然而關(guān)于煤泥干燥系統(tǒng)中煤泥含水率、進料量、干燥機轉(zhuǎn)速等參數(shù)對干燥效果影響的試驗研究及理論分析也僅限于中小型試驗。王宏耀等[12]僅在小型列管、中型環(huán)管蒸汽干燥機試驗臺上進行試驗,研究了干燥機轉(zhuǎn)速和煤泥填充率、干燥時間等因素對煤泥干燥效果的影響,忽略了煤泥團粒徑對干燥干燥機填充率及干燥效果的影響,與工業(yè)化生產(chǎn)中大粒徑煤泥團干燥過程存在較大差異。另外,鮮見蒸汽-煤泥干燥工藝在超超臨界燃煤機組中進行工業(yè)化應用的相關(guān)研究。

      為了探索大型燃煤機組中煤泥提質(zhì)增效、綜合利用技術(shù),深入了解超超臨界燃煤機組中,蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機-煤泥干燥系統(tǒng)中煤泥的干燥特性及應用效果,采用實驗室靜態(tài)試驗,考察煤泥干燥時間與煤泥團粒度、干燥溫度之間的關(guān)系。繼而,將煤泥干燥工藝直接引入燃煤電站,利用全國首個超超臨界燃煤機組中新建的蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機-煤泥干燥系統(tǒng)進行工業(yè)化試驗,探究干燥機進料量、轉(zhuǎn)速、進汽溫度及壓力等主要參數(shù)對煤泥干燥效果的影響,并在一定的運行參數(shù)下,考察了煤泥干燥系統(tǒng)的熱效率及能耗等重要指標。

      1 試驗方法及內(nèi)容

      1.1 實驗室靜態(tài)試驗

      試驗選用淮礦集團淮北選煤廠煤泥,煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。首先將煤泥制成直徑50、100、150 mm的圓球若干,選用電子天平進行稱重,相同直徑的煤泥團各取一部分同時放入電熱恒溫干燥箱,在設(shè)定干燥溫度條件下,進行干燥試驗。在相同環(huán)境條件下,定期對不同粒徑煤泥團取樣稱重,記錄和分析煤泥顆粒質(zhì)量、干燥時間的變化。

      表1 試驗煤泥工業(yè)分析

      1.2 蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機-煤泥干燥系統(tǒng)工業(yè)化試驗

      利用超超臨界燃煤機組中新建的蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機-煤泥干燥系統(tǒng)進行煤泥干燥工業(yè)試驗,其工藝流程如圖1所示[13],工藝及設(shè)備主要參數(shù)見表2。濕煤泥棚存儲煤泥被鏟車送入煤泥倉,經(jīng)破碎機處理后,通過節(jié)能刮板機、轉(zhuǎn)運膠帶輸送機、螺旋輸送機被送入蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機。在干燥機內(nèi),蒸汽通過管束與煤泥間接換熱,使水分從24%~28%降低到12%~15%,其中蒸汽走管程,煤泥走殼程。干燥載氣(空氣)經(jīng)節(jié)能暖風器預熱后進入干燥機筒體內(nèi)進行攜濕,攜濕氣再由引風機抽入濕式除塵器,除塵后由煙囪排放至大氣。干燥后的煤泥由出料輸送機送到煤場與原煤摻混或經(jīng)輸送機轉(zhuǎn)運至煤場輸送帶上直接送進鍋爐制粉系統(tǒng)。

      表2 工藝及設(shè)備主要參數(shù)

      圖1 蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機-煤泥干化系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process of steam pipe rotary tube dryer-coal slime drying system

      試驗所用蒸汽由超超臨界機組輔汽聯(lián)箱供應,由于該汽源參數(shù)較高,需在干燥機入口經(jīng)減溫器降溫再送入干燥機。蒸汽旋轉(zhuǎn)干燥機采用列管式,筒體內(nèi)部蒸汽列管貫穿整個干燥機,以同心圓方式布置4圈,選用不同管徑的換熱管,從中心至外圈管徑依次增大,管間距為50~150 mm。干燥機采用變頻器控制轉(zhuǎn)速。

      淮礦集團淮北選煤廠煤泥,含水率相對穩(wěn)定。試驗前煤場儲備足夠的煤泥,機組供汽穩(wěn)定。根據(jù)系統(tǒng)操作規(guī)程依次啟動相關(guān)設(shè)備:檢查工藝設(shè)備、管線閥門以及儀表等是否符合試驗設(shè)備啟動要求,打開蒸汽進汽閥門,干燥機緩慢預熱,預熱期間檢查各監(jiān)控點是否正常工作。依次開啟引風機,噴淋水泵等設(shè)備。通過控制減溫器進水量,控制干燥機入口蒸汽溫度;調(diào)整蒸汽進汽調(diào)門將干燥機出口載氣溫度穩(wěn)定在(105±5)℃。系統(tǒng)預熱完成后,開啟料倉破碎機、刮板機等上料設(shè)備,開始進料。通過調(diào)節(jié)料倉破碎機頻率控制煤泥進料量,干燥載氣量則通過適當調(diào)整引風機頻率進行粗調(diào)。每個工況條件下,當干燥機出料穩(wěn)定后,再對干燥機出口煤泥進行取樣分析、記錄。每個工況保持運行4 h以上,期間對煤泥取樣2次,計算其平均值。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 靜態(tài)試驗分析

      煤泥團粒度、干燥溫度、干燥時間對煤泥干燥過程影響較大。在工業(yè)化生產(chǎn)中,通常要求破碎機處理后煤泥團粒徑為50~150 mm,控制干燥機進汽溫度在200 ℃以下,煤泥產(chǎn)品含水率需達到12%~15%。據(jù)此,實驗室靜態(tài)試驗考察了50~150 mm煤泥團在3個不同干燥溫度下(150、170、190 ℃)恒溫干燥,其含水率M與干燥時間t的關(guān)系,如圖2所示。

      圖2 不同干燥溫度條件下,不同粒度煤泥團水分與干燥時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between moisture and drying time of coal slime with different particle size under different drying temperature

      由圖2可知,隨著干燥時間的延長,煤泥團水分不斷降低。在相同干燥溫度條件下,隨著煤泥團粒徑的增大,其含水率從24%降至目標值15%所需時間逐漸延長,而相同粒徑的煤泥團,隨著干燥溫度的升高,其含水率從24%降至15%所需時間逐漸縮短。在150~190 ℃時,150 mm煤泥團含水率從24%降至15%所需干燥時間均超過50 min,而在190 ℃時,50 mm煤泥團干燥至相同水分時間最短,約33 min。

      為進一步對比分析,定義煤泥團干燥速率為單位質(zhì)量的絕對干煤泥在單位時間內(nèi)脫除水分的質(zhì)量,具體為:

      (1)

      式中,v為煤泥團干燥速率,%/min;M為煤泥團含水率;t為干燥時間,min。

      在煤泥團干燥時間-含水率圖中,t-M曲線斜率即煤泥團干燥速率。由圖2可知,在一定干燥溫度條件下,相同粒徑煤泥團干燥速率均表現(xiàn)出先加速后緩慢減速的趨勢,以干燥速率最大值為分界點,煤泥團干燥過程均經(jīng)歷了2個階段:預熱快速干燥Ⅰ階段、穩(wěn)定降速干燥Ⅱ階段。在各試驗溫度條件下,不同粒徑煤泥團的Ⅰ階段時長均小于10 min;隨著干燥溫度的升高,Ⅰ階段時長逐漸縮短。這主要是由于在干燥初始階段,煤泥球團逐漸升溫,其表面溫度快速達到煤泥濕球溫度,內(nèi)部擴散到表面的水分大于煤泥表面蒸發(fā)水分,煤泥團表面保持濕潤,水分蒸發(fā)強烈,此階段煤泥團吸收的熱量幾乎全部用于水分蒸發(fā);隨著干燥時間的延長,煤泥團表面水蒸氣分壓下降,表面水分蒸發(fā)速度大于內(nèi)部擴散速度,煤泥團表面首先被干燥,熱量由煤泥團表面逐漸向內(nèi)部傳遞,一部分用于表層物料干燥,一部分用于物料升溫,干燥層厚度增加,受內(nèi)水分傳遞速率的影響干燥速率略有下降但相對穩(wěn)定。這與付亮亮等[14]、常建[15]研究的煤泥干燥過程及機理基本一致。

      2.2 工業(yè)化試驗結(jié)果分析

      2.2.1主要參數(shù)對煤泥干燥效果的影響

      1)干燥機轉(zhuǎn)速

      試驗中控制進汽參數(shù)穩(wěn)定(進汽壓力P=0.6 MPa,T=190 ℃),進料量S=18 t/h,干燥機出口載氣溫度Tw=105 ℃,探究干燥機轉(zhuǎn)速n對煤泥干燥的效果的影響如圖3所示。

      圖3 干燥機轉(zhuǎn)速對煤泥干燥效果的影響Fig.3 Effect of rotating speed of dryer on coal slime drying effect

      由圖3可知,隨著干燥機轉(zhuǎn)速的提高,煤泥在干燥機內(nèi)干燥時間t逐漸減少,而干燥機出口煤泥產(chǎn)品的含水率Mout逐漸增大,即煤泥干燥時間延長,煤泥產(chǎn)品含水率越低,這與靜態(tài)試驗結(jié)果一致。當煤泥含水率從Min=24%降低至Mout=15%時,對應干燥機轉(zhuǎn)速約為1.7 r/min,對應的干燥時間約為40.5 min。

      值得注意的是,隨著干燥機轉(zhuǎn)速的提高,物料擾動作用的增強有助于煤泥團干燥,而干燥時間的縮短不利于煤泥團的干燥,兩者作用效果相反。煤泥干燥時間對煤泥產(chǎn)品含水率的影響更大,分析其原因可能是工業(yè)試驗中,在低轉(zhuǎn)速1.3~2.1 r/min條件下,煤泥團流動性較差,與加熱管之間的傳熱主要以傳導和輻射的方式進行[16]。同時結(jié)合余學海等[17]提出的褐煤-蒸汽列管回轉(zhuǎn)干燥機傳熱系數(shù)模型(式(2))分析,當轉(zhuǎn)速在1.3 ~ 2.1 r/min時,干燥機傳熱系數(shù)變化較小,對物料干燥過程的影響較小。

      (2)

      式中,K為傳熱系數(shù),W/(m2·K);D為干燥機直徑,m;ρb為物料堆密度,kg/m3;Cm為物料的比熱容,kJ/(kg·K);λm為物料導熱系數(shù),W/(m·K);a、b、c為無因次系數(shù)(b為0.14且該系數(shù)僅與干燥機轉(zhuǎn)速有關(guān))。

      另外,在工業(yè)化干燥試驗過程中,干燥機內(nèi)部溫度不超過進汽溫度190 ℃,且實際進入干燥機的煤泥團以約150 mm大粒徑為主,但煤泥含水率降低至15%所需時間與靜態(tài)試驗相比較短,是因為煤泥在干燥機內(nèi)動態(tài)干燥,一方面煤泥團內(nèi)部顆粒間的黏著力在干燥過程中被破壞導致煤泥顆粒逐漸松散,干燥表層龜裂;另一方面煤泥團隨干燥機轉(zhuǎn)動過程中,被反復拋擲,與筒體內(nèi)壁及換熱管反復碰撞,雙重作用造成煤泥團解聚[15,18],粒徑逐漸變小,最終形成10~20 mm球形顆粒從干燥機排出。受上述過程影響,干燥時間亦有所縮短。

      2)干燥機進料量

      試驗中控制進汽參數(shù)穩(wěn)定(P=0.6 MPa,T=190 ℃),干燥機出口載氣溫度Tw=105 ℃,探究不同干燥機轉(zhuǎn)速下,進料量S對煤泥干燥的效果的影響如圖4所示。

      圖4 不同干燥機轉(zhuǎn)速下, 進料量對煤泥干燥效果的影響Fig.4 Effect of feed quantity on coal slime drying effect underdifferent rotating speed of dryer

      由圖4可知,隨著進料量S的增加,煤泥產(chǎn)品的含水率Mout逐漸增大,而隨著干燥機轉(zhuǎn)速的提高,Mout=15%所對應的進料量S不斷減小。當n=1.8 r/min時,要保持Mout<15%,則干燥機進料量S不能高于13 t/h。同時,當干燥機轉(zhuǎn)速一定,煤泥進料量持續(xù)增大后,干燥機內(nèi)換熱效果變差,煤泥解聚過程弱化,出口煤泥顆粒增大。隨著煤泥產(chǎn)品的含水率超過17%,系統(tǒng)穩(wěn)定性變差,干燥機極易出現(xiàn)堵料現(xiàn)象。

      研究發(fā)現(xiàn)[19-20],在轉(zhuǎn)動的干燥機內(nèi),物料會填充在筒體截面上,形成一個穩(wěn)定的月牙狀區(qū)域;列管在隨筒體轉(zhuǎn)動過程中,以筒體轉(zhuǎn)動頻率為周期,在顆粒相與氣相間交替浸沒。但工業(yè)化生產(chǎn)中,由于進入干燥機的煤泥團粒徑偏大,入口段煤泥團主要被內(nèi)圈的列管架空在筒體中心區(qū)域,無法浸沒外圈的列管進行有效換熱,蒸汽管的換熱面積得不到充分利用,使得該區(qū)域內(nèi)煤泥干燥速率下降。隨著煤泥進料量增大,此現(xiàn)象逐漸惡化,甚至造成筒體堵料。

      3)干燥機進汽溫度及壓力

      由于目前電力市場的影響,機組負荷晝夜波動大,由于干燥機供熱氣源來自超超臨界機組輔汽聯(lián)箱,該氣源參數(shù)(壓力、溫度)較高且隨機組負荷調(diào)整被動跟隨波動,因此有必要研究分析干燥器入口進汽參數(shù)變化對煤泥干燥效果的影響。試驗中,控制干燥機轉(zhuǎn)速為1.6 r/min,干燥機出口載氣溫度Tw=105 ℃,進料量S=18 t/h,探究不同進汽壓力P下,蒸汽溫度T對煤泥干燥的效果的影響,如圖5所示。

      圖5 不同進汽壓力下,蒸汽溫度對煤泥干燥效果的影響Fig.5 Effect of steam temperature on coal slime drying effectunder different inlet steam pressure

      由圖5可知,當干燥機入口進汽壓力P為0.35和0.80 MPa時,隨著干燥機進汽溫度的升高,煤泥產(chǎn)品含水率Mout逐漸增大;而當P=0.60 MPa時,隨著干燥機進汽溫度的升高,Mout先減小后增大,在170~190 ℃,煤泥的含水率Mout<15%。主要原因是在不同蒸汽參數(shù)下,干燥機的換熱系數(shù)及換熱量有所不同。過熱蒸汽進入干燥機后,首先被冷卻為飽和蒸汽,釋放顯熱,此過程傳熱系數(shù)較小,換熱效果差但需要一定的管長;隨后飽和蒸汽再釋放大量汽化潛熱,最后成為不飽和水蒸汽和冷凝水,此過程傳熱系數(shù)大,換熱效果好[21-22]。同時根據(jù)工程熱力學可知水在相變過程釋放的汽化潛熱遠大于顯熱,同時隨著壓力的升高,飽和蒸汽所釋放的潛熱會減少。因此為確保較好的換熱效果,在該試驗中干燥機入口過熱蒸汽的溫度不宜過高,當氣源壓力變化時,需通過減溫器適當調(diào)整進汽溫度。試驗顯示當干燥機入口P=0.35~0.80 MPa時,應適當降低進汽溫度,使T<195 ℃。

      2.2.2系統(tǒng)熱效率及能耗指標

      系統(tǒng)熱效率是衡量干燥系統(tǒng)干燥效果的重要指標,是煤泥中水分蒸發(fā)所需熱量與蒸汽熱源總熱量之比,系統(tǒng)熱效率η計算公式為

      (3)

      Q1=S(Min-Mout)(2 690+1.89T2-4.187T1),

      (4)

      Q0=L(h″-h),

      (5)

      其中,Q1為煤泥中水分蒸發(fā)所需熱量,kJ/h;Q0為機組所供過熱蒸汽(減溫前)冷凝至常溫水時所放熱量,kJ/h;Min為料倉煤泥含水率,%;T2為煤泥產(chǎn)品的溫度(取實測值68 ℃);T1為料倉煤泥溫度,℃;L為系統(tǒng)所耗用蒸汽量,kg/h;h″為機組所供過熱蒸汽焓值(取1 MPa、350 ℃條件下的過熱蒸汽焓值),kJ/kg;h為常溫水焓值(取20 ℃常溫水焓值),kJ/kg。

      試驗中調(diào)整系統(tǒng)運行參數(shù)(表3),保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行12 h,考察在此運行條件下,煤泥干燥系統(tǒng)的換熱效率、耗電量以及煤泥干燥前后的煤質(zhì)變化情況,見表4。

      表3 系統(tǒng)運行參數(shù)

      表4 干燥系統(tǒng)運行效果統(tǒng)計分析Table 4 Statistical analysis of operation effectfor drying system

      由表4可知,煤泥經(jīng)系統(tǒng)干燥后,低位發(fā)熱量有所提高,煤泥含水率每降低1%,低位發(fā)熱量提高約0.17 MJ/kg。以超超臨界機組輔助蒸汽作為汽源,在表3參數(shù)下穩(wěn)定運行,干燥系統(tǒng)的熱效率可達到58.6%,平均處理1 t煤泥需消耗0.112 t蒸汽及3.94 kWh電量。

      3 結(jié) 論

      1)通過對大煤泥團進行恒溫干燥試驗可知,對于50~150 mm煤泥團在150~200 ℃條件下恒溫干燥,煤泥團含水率從24%降至目標值15%所需時間隨溫度升高而縮短,隨粒徑增大而延長。其干燥過程經(jīng)歷2個階段:預熱快速干燥階段(<10 min)、穩(wěn)定干燥階段。在試驗溫度范圍內(nèi),150 mm煤泥團含水率從24%降至15%所需干燥時間超過50 min。

      2)利用超超臨界燃煤機組中新建的蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機-煤泥干燥系統(tǒng)進行連續(xù)工業(yè)化試驗發(fā)現(xiàn),在干燥機中,煤泥干燥時間隨干燥機轉(zhuǎn)速的提高而縮短,適當降低轉(zhuǎn)速有利于煤泥干燥;隨進料量的增加,煤泥產(chǎn)品含水率逐漸增加,當其超過17%,易引起系統(tǒng)堵料。為確保煤泥產(chǎn)品含水率小于15%,隨著干燥機轉(zhuǎn)速的提高,需適當減少進料量;干燥機汽源壓力為0.35~0.80 MPa時,應適當降低進汽溫度,使其不超過195 ℃,以利于煤泥干燥。煤泥含水率每降低1%,低位發(fā)熱量提高約0.17 MJ/kg,干燥系統(tǒng)熱效率可達到58.6%,平均處理1 t煤泥需消耗0.112 t蒸汽及3.94 kWh電量。

      3)在工業(yè)化試驗條件下,由于煤泥在干燥機中存在解聚現(xiàn)象,相同溫度條件下煤泥干燥時間與實驗室結(jié)果相比略有縮短。

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