三流體熱管熱泵一體化煤泥干化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

阮 霞，史樹君

（1.金易通科技（北京）股份有限公司，北京100124；2.中科天一環(huán)境技術(shù)有限公司，北京 100044）

1 技術(shù)研究必要性及可行性

《國務(wù)院關(guān)于打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃的通知》中要求重點區(qū)域基本淘汰每小時35 蒸噸以下燃煤鍋爐，每小時65 蒸噸及以上燃煤鍋爐全部完成節(jié)能和超低排放改造。各地方也相繼出臺開展燃煤鍋爐綜合整治政策要求。

大同地區(qū)原煤總產(chǎn)能超過1.2 億t。產(chǎn)生煤泥量約1660 萬t/年，其中粗煤泥785 萬t，細(xì)煤泥775 萬t。除四臺選煤廠有煤泥干燥系統(tǒng)外（細(xì)煤泥干燥后回?fù)交烀海?，其他選煤廠粗細(xì)煤泥均直接回?fù)缴唐访海ɑ烀海?。四臺選煤廠干燥系統(tǒng)以干燥細(xì)煤泥為主，干燥前煤泥水分為31.82%，干燥后煤泥水分為14.08%，煤泥干燥前、后均回?fù)交烀?。煤泥烘干工藝為：干燥系統(tǒng)采用回收造粒的粉塵作為熱風(fēng)爐燃料，運用專有技術(shù)將其充分燃燒，產(chǎn)生900～1100 ℃的高溫?zé)煔?。在引風(fēng)負(fù)壓的作用下，高溫?zé)煔庋刂鵁犸L(fēng)管進(jìn)入干燥機。物料從進(jìn)料避風(fēng)器進(jìn)入干燥機，經(jīng)揚料齒進(jìn)行高轉(zhuǎn)速破粘、解聚分散和揚料，與熱煙氣充分接觸，進(jìn)行強烈質(zhì)熱交換，蒸發(fā)水分，實現(xiàn)干燥提質(zhì)。通過分級處理器將提質(zhì)后的產(chǎn)品進(jìn)行分質(zhì)分級，質(zhì)量好、粒度大的部分作為成品輸出；灰分高、粒度小的部分隨干燥尾氣進(jìn)入布袋除塵器，再經(jīng)除塵器過濾收集再造粒處理后作為熱風(fēng)爐燃料。

大同礦區(qū)干燥煤泥用熱風(fēng)爐屬于環(huán)保政策淘汰產(chǎn)品，熱風(fēng)爐一旦被強制停運，現(xiàn)有干燥工藝將無法工作，礦區(qū)的大量細(xì)煤泥將無法處理。

傳統(tǒng)工藝需要高溫蒸汽或高溫?zé)犸L(fēng)，受到環(huán)保政策制約，需尋求無污染、低費用的煤泥烘干途徑。為解決環(huán)保壓力下禁止使用小型燃煤鍋爐（含燃煤熱風(fēng)爐）的問題，原來使用燃煤熱風(fēng)爐干燥煤泥的系統(tǒng)均改造為利用蒸汽作為熱源的蒸汽滾筒烘干機。系統(tǒng)主要由滾筒干燥機（干燥機上布置有用于蒸汽加熱的列管）、定量給料機（儲料倉/鏟車用）、混料機（雙軸攪拌機）、入料螺旋輸送機（雙軸）、濕式除塵器、排潮引風(fēng)機、疏水?dāng)U容器等組成[1]。該干燥機可以利用蒸汽作為熱源對煤泥進(jìn)行干燥。但此種烘干工藝同時受到蒸汽供應(yīng)的制約，一旦礦區(qū)停用燃煤蒸汽鍋爐系統(tǒng)將無法運行，因此需尋求一種無污染、低費用的煤泥烘干途徑。

項目擬選取一個煤泥具有代表性的礦井開展新的煤泥烘干技術(shù)研究。三流體熱管熱熱泵一體化低溫煤泥干化技術(shù)為創(chuàng)新專有技術(shù)，優(yōu)勢為能耗低無污染，通過三流體熱管回收尾部乏氣余熱，用于預(yù)熱新風(fēng)及為低溫煤泥烘干用熱泵機組蒸發(fā)器提供熱源，系統(tǒng)只需要少量的電能即可實現(xiàn)煤泥烘干，二次粉塵污染少，在經(jīng)濟(jì)成本和運行管理上具有優(yōu)勢，在城市污泥干燥行業(yè)成功應(yīng)用，烘干后的煤泥含水率符合要求。

四臺選煤廠干燥系統(tǒng)以干燥細(xì)煤泥為主，干燥前煤泥水分為31.82%，干燥后煤泥水分為14.08%，煤泥烘干熱源為熱風(fēng)爐，有因環(huán)保政策關(guān)停熱風(fēng)爐的風(fēng)險。作為試點試驗單位綜合條件較為合適。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

中國科學(xué)院工程熱物理研究所開創(chuàng)了中國熱管技術(shù)的先河，在1968年研制出中國第一根高溫?zé)峁?，并在國防、深空探測領(lǐng)域得到應(yīng)用；在1985年獲得國家科技進(jìn)步二等獎。隨后，在熱管原理和熱管傳熱器件生產(chǎn)，熱管換熱設(shè)備設(shè)計、制備和性能方面不斷研究和探索。目前，已經(jīng)形成多項國內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)，處于行業(yè)前列，在核能主動熱利用、氫能利用的主動熱防護(hù)、高溫高熱流環(huán)境下的熱面控溫等方面，都取得很大進(jìn)步，得到行業(yè)認(rèn)可，知名度逐漸增加。

當(dāng)前，國內(nèi)外均未發(fā)現(xiàn)類似本課題的相關(guān)方面研究。干燥過程通常為利用熱量將含濕物料排出，形成揮發(fā)性組分進(jìn)入大氣，獲得一定含濕量的固體產(chǎn)品，它是能耗巨大的基本單元操作。物料干燥過程涉及到國民生產(chǎn)60%的加工部分，如農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物、海洋漁業(yè)、森林木業(yè)、生活污泥、煤炭行業(yè)的煤泥等[2]。隨著中國各行各業(yè)的快速發(fā)展，干燥應(yīng)用范圍也越來也廣泛，能源消耗也越來越多，干燥能耗已經(jīng)超過國家國民經(jīng)濟(jì)總能耗的15%以上，迫切需要進(jìn)行干燥行業(yè)的能源革命。國內(nèi)外煤炭干燥設(shè)備有鏈?zhǔn)綕L筒干燥機、管式干燥機、井筒式干燥機、沸騰床式干燥機以及煤泥濾餅碎干機。

中國傳統(tǒng)的干燥工藝以燃煤為主要供熱、供能方式，能源消耗浪費嚴(yán)重，并且存在含硫、含塵污染排放，對環(huán)境污染大，導(dǎo)致干燥企業(yè)附近及農(nóng)業(yè)收獲季節(jié)環(huán)境污染波動幅度上升，對能源清潔高效利用提出了重大挑戰(zhàn)。常規(guī)的氣氣換熱設(shè)備有管殼式、板管式，但是都是管內(nèi)管外流動，冷熱兩側(cè)流體的換熱方式不對等，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備相當(dāng)笨重。近些年，一些生產(chǎn)熱管的企業(yè)嘗試采用常溫?zé)峁軄眍A(yù)熱冷風(fēng)，將其溫度加熱到200 ℃左右[3]。但設(shè)備使用效果常會短時間內(nèi)即出現(xiàn)失效現(xiàn)象，設(shè)備運行不便利。

研究表明，在近幾十年內(nèi)，中國的能源利用方式仍以煤為主導(dǎo)，洗煤過程產(chǎn)生的濕煤泥會造成巨大的土壤資源破壞，常規(guī)的自然晾曬方式也會造成粉塵污染。

3 技術(shù)路線

3.1 預(yù)熱利用

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量高溫廢氣，如不加以利用，能耗較大，甚至極其容易產(chǎn)生環(huán)境熱害。同時，一些低溫氣體又需要通過能源加熱的方式產(chǎn)生可利用的高溫工藝氣體。高溫氣氣換熱設(shè)備能夠?qū)⒏邷貜U氣跟低溫冷氣進(jìn)行熱交換，實現(xiàn)能源利用，但由于高溫氣氣換熱設(shè)備存在高溫?zé)釕?yīng)力，容易導(dǎo)致設(shè)備開裂、串氣而影響生產(chǎn)工藝，同時，換熱方式傳統(tǒng)簡單，導(dǎo)致?lián)Q熱效果差，設(shè)備笨重，材料用量大，運行過程中故障率高。

加熱爐預(yù)熱器就存在大量高溫氣氣換熱器的需求，而且預(yù)熱氣的溫度也很高，甚至達(dá)到600 ℃以上，要將預(yù)熱氣體加熱到800 ℃左右。在一些常規(guī)的工藝流程中，也有大量將工藝氣（空氣）加熱到350～450 ℃的需求。近年來，國家加大對節(jié)能減排的要求和約束，嚴(yán)格落實環(huán)境綜合治理，一些節(jié)能工藝也迫切形成類似氣-氣高溫?fù)Q熱、固-氣高溫?fù)Q熱的核心設(shè)備。這種需求也會越來越多。

針對工業(yè)企業(yè)反映的熱管失效問題，主要是設(shè)備生產(chǎn)廠工藝控制不過關(guān)，在設(shè)計換熱器時，不注意溫度適應(yīng)性而產(chǎn)生的，而不是熱管技術(shù)本身不行。國內(nèi)高溫?zé)峁苌a(chǎn)工藝比較成熟，并能將工作溫度提升到750°C 以上，而中溫?zé)峁芄に嚿a(chǎn)方面，國內(nèi)幾乎無采用此工藝進(jìn)行大批量生產(chǎn)的先例。

筆者們通過不斷摸索，項目基地已經(jīng)初步具備生產(chǎn)能力，能夠?qū)⒗淞黧w通過常溫、中溫、高溫?zé)峁芴嵘?50 ℃、560 ℃，甚至750 ℃以上。

在熱管換熱器核心傳熱元件制備方面，項目組具有一套自己成熟的工藝流程，能夠?qū)崿F(xiàn)批量化、高效化，同時保證性能優(yōu)異。這部分工作，經(jīng)過項目組的調(diào)研和對比，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)幾乎沒有，都處于嘗試階段，而項目組經(jīng)過近15年的不斷模擬，已經(jīng)接近產(chǎn)業(yè)化，為制備中高溫?fù)Q熱設(shè)備提供了關(guān)鍵保障。

3.2 技術(shù)工藝

搭建靜態(tài)煤泥烘干實驗系統(tǒng)，找出風(fēng)溫、風(fēng)量、初始含濕量等對煤泥最優(yōu)烘干工藝參數(shù)的影響，涉及烘干時間、烘干速率、出口含濕熱風(fēng)的運行結(jié)果[4]。了解煤泥的成型特性、干燥速率、能耗指標(biāo)及干燥后的低位熱值，為煤泥低溫干化系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。

筆者在前期實驗的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出一種以熱泵主動能源提升能量品位、三流體深度余熱利用、高效液-氣換熱以及自動控制反饋的耦合協(xié)同技術(shù)系統(tǒng)。

研究提出一種新型的超低能耗低溫煤泥干化系統(tǒng)，煤泥低溫烘干工藝流程涉及到智能控制系統(tǒng)、高溫?zé)犸L(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、低溫預(yù)熱熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)以及輔助的風(fēng)機和泵等。

煤泥低溫高效烘干系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 煤泥低溫高效烘干系統(tǒng)

三流體深度余熱利用換熱系統(tǒng)將從煤泥低溫干燥器中排出的含濕熱風(fēng)作為熱源，供應(yīng)給兩路流體：①預(yù)熱低溫空氣，尤其是冬季的寒冷空氣，可以最大程度地節(jié)約空氣在高溫空氣換熱系統(tǒng)的能耗；②持續(xù)產(chǎn)生供應(yīng)給蒸發(fā)器的低溫?zé)嵩?，并大量儲存在低溫儲熱系統(tǒng)中。在夏季，供應(yīng)給煤泥低溫干燥器的空氣溫度較高，三流體換熱系統(tǒng)的氣-氣換熱可以關(guān)閉，直接進(jìn)入高溫空氣換熱系統(tǒng)，產(chǎn)生高溫?zé)犸L(fēng)，輸送到煤泥低溫烘干器中。為實現(xiàn)以上功能和特點，進(jìn)行以下具體研究：濕煤泥低溫（70 ℃）螺旋干燥多物理場耦合傳熱、傳質(zhì)技術(shù)的研究，70 ℃干燥熱介質(zhì)的低能耗獲取技術(shù)的研究[5]，三流體低溫?zé)峁軣峄厥諅鳠醾髻|(zhì)耦合技術(shù)的研究，三流體熱管熱泵一體化技術(shù)的研究，三流體熱管熱泵一體化煤泥干化系統(tǒng)運行可靠性與經(jīng)濟(jì)型評價研究。

4 結(jié)論與展望

本煤泥低溫烘干方案，可充分實現(xiàn)對各種污泥（包括煤泥）進(jìn)行“減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化”處理，最終實現(xiàn)將污泥顆粒作為摻燒燃料、焚燒、建筑材料、生物燃料等，可適用于煤泥、生活污泥、印染、造紙、電鍍、化工、皮革等各類污泥干燥系統(tǒng)。本技術(shù)方案的預(yù)期目標(biāo)如下。

4.1 系統(tǒng)安全可靠

本創(chuàng)新性方案中，與煤泥直接接觸的區(qū)域沒有電氣設(shè)備，僅有55 ℃左右的低溫干燥熱風(fēng)，風(fēng)機、水泵均遠(yuǎn)離煤泥烘干區(qū)域，并且取得煤安認(rèn)證和保護(hù)。

本創(chuàng)新性方案中，唯一的運動部分是“蒸發(fā)器、冷凝器的外側(cè)均為水介質(zhì)換熱”的熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)在連續(xù)運行時，有持續(xù)的待機過程，熱泵系統(tǒng)的安全性得到改善。

系統(tǒng)的安全性還表現(xiàn)在：煤泥干燥過程氧氣含量小于12.0%，粉塵質(zhì)量濃度小于60 g/m3，顆粒溫度低于50.0 ℃。煤泥靜態(tài)攤放，與接觸面無機械靜電摩擦。無煤泥干燥過程的“膠粘相”階段。干料為顆粒狀，無粉塵危險。出料溫度低（小于50.0 ℃），無需冷卻，直接儲存。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益好

節(jié)能高效主要體現(xiàn)在：連續(xù)化處理含水煤泥，將其從進(jìn)口的27.0%含水率降低到18.0%左右；干燥過程有機物無損失，煤泥干化后熱值高，適合后期資源化利用。烘干1 t 煤泥消耗電能預(yù)計30 kW·h 左右。

煤泥低溫烘干過程節(jié)能高效，表現(xiàn)為：熱泵系統(tǒng)的運行參數(shù)和方式的改進(jìn)，可以獲得更高的能效比；含濕空氣的三流體深度余熱利用系統(tǒng)的建立和利用，為熱泵系統(tǒng)提供了更充足的能源，持續(xù)、穩(wěn)定、充足；以每一天為運行單位，熱泵系統(tǒng)可以長時間處于待機狀態(tài)，無須消耗大功率電能，節(jié)能顯著；煤泥低溫烘干系統(tǒng)在全自動電氣控制下運行，保證煤泥最佳運行工藝，高溫?zé)犸L(fēng)系統(tǒng)的運行高效節(jié)能。

4.3 實現(xiàn)零污染

所采用的系統(tǒng)主要以靜設(shè)備為主，所采用的熱泵系統(tǒng)也對環(huán)境友好；用于煤泥低溫烘干的區(qū)域采用全封閉干燥模式，無臭氣外溢，無需安裝復(fù)雜的除臭裝置。采用低溫干燥過程，有機物析出量非常少；本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以就近安裝在洗煤廠附近；含濕排出空氣深度余熱利用后產(chǎn)生的冷凝水清潔無污染，可以直接返回洗煤廠循環(huán)使用或直排。

4.4 自動化程度高

采用本技術(shù)的熱泵系統(tǒng)，與傳統(tǒng)水源熱泵系統(tǒng)相比較，其工作穩(wěn)定性大幅度提高，使用壽命也延長。采用低溫儲熱系統(tǒng)，可以穩(wěn)定地提供熱泵系統(tǒng)恒溫?zé)嵩矗瑢崿F(xiàn)無動力功率加載保持恒溫?zé)嵩础?/p>

由于采用了高溫儲熱系統(tǒng)，煤泥烘干所需熱消耗得到持續(xù)供應(yīng)，整個系統(tǒng)的運行理論上可以實現(xiàn)持續(xù)、連續(xù)。本項目中靜設(shè)備可以無人值守，其進(jìn)出口的風(fēng)機、水泵具有負(fù)反饋功能，對煤泥烘干工藝能實現(xiàn)比較精確的控制和監(jiān)控。

4.5 創(chuàng)新方面

創(chuàng)新方面主要體現(xiàn)在濕煤泥低溫（70 ℃）干燥技術(shù)、70 ℃干燥熱介質(zhì)的低能耗獲取技術(shù)、三流體低溫?zé)峁軣峄厥?、三流體熱管熱泵一體化技術(shù)。