超超臨界燃煤機組蒸汽管回轉(zhuǎn)-煤泥干燥技術(shù)

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。