振動流化床干燥分區(qū)供熱方式研究

1、第34卷第3期中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.34No.32005年5月JournalofChinaUniversityofMining&TechnologyMay2005文章編號:100021964(2005)0320303204振動流化床干燥分區(qū)供熱方式研究楊國華1,趙躍民2,陳清如2(1.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院,浙江寧波315211;2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇徐州221008)摘要:基于由小試結(jié)果回歸得到的煤炭振動流化床干燥動力學(xué)數(shù)學(xué)模型及傳熱方程、熱平衡方程,建立了煤炭表面水干燥所需熱量在振動流化床干燥機(jī)長度方向上變化的數(shù)學(xué)模型,該模型表明,煤炭表面水干燥所需熱量沿干燥機(jī)長度方向呈負(fù)指數(shù)

2、急劇減少.根據(jù)這一特點(diǎn),討論了干燥機(jī)長度方向等速不等溫進(jìn)氣、等溫不等速進(jìn)氣、不等溫不等速進(jìn)氣3.采用床面積為1200mm×200mm,果相符,關(guān)鍵詞:煤炭干法分選;煤炭干燥;中圖分類號:TQ028.6;AHeatSupplyModesforCoalDryinginaVibratedFluidizedBed122YANGGuo2hua,ZHAOYue2min,CHENQing2ru(1.NingboUniversity,Ningbo,Zhejiang315211,China;2.ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou,Jiangsu2

3、21008,China)Abstract:Amathematicsmodeltopredicttheheatdemandforthevaporizationofcoalsurfacemoisturealongthelengthofavibratedfluidizedbeddryerwasdeveloped.Themodelshowsthattheheatdemandforthevaporizationofcoalsurfacemoisturedecreasesexponentiallyalongthedrierlength.Accordingtothischaracteristic,three

4、divisionalheatsupplymodessuchasunequalinletgastemperaturewithequalinletgasflowrate,unequalinletgasflowratewithequalinletgastemperature,andunequalinletgasflowratewithunequalinletgastemperaturealongthedryerlengtharediscussed.Pilottestresultsfromavibratedfluidizedbeddryerwithacrosssectionof1200mm×

5、200mmshowthatthemodelagreeswellwiththetests,andtheaverageoutletgastemperatureofthedryercanbedecreasedandenergyconsumptioncanbereducedobviouslybyemployingthedivisionalheatsupplymodes.Keywords:coaldrycleaning;coaldrying;vibratedfluidizedbed;divisionalheatsupply振動流化床干燥為連續(xù)叉流式干燥,其工作原理是:在激振器的作用下,薄層煤炭在布風(fēng)板上

6、從進(jìn)料端快速地移向出料端,熱氣流自下而上穿過布風(fēng)板和煤層,與煤粒發(fā)生強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換,使煤粒表面自由水快速蒸發(fā)而干燥.試驗(yàn)表明,該方法具有快速均勻干燥和煤粒本身吸熱少的特點(diǎn),是506mm煤炭干燥的最適宜方法1.根據(jù)空氣重介流化床干法選煤對入選原煤水分的控制要求2,506mm煤炭需要從幾乎全是濕煤粒干燥到幾乎全為干煤粒.在這個(gè)干燥過程中,隨著煤粒濕表面的逐漸減少,干燥所需熱量也逐漸減少,因此,靠近干燥機(jī)進(jìn)料端部分應(yīng)多供熱,靠近出料端部分應(yīng)少收稿日期:20040610基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(90210035);國家九五攻關(guān)項(xiàng)目(95221523)作者簡介:楊國華(19612),男,浙江省

7、嵊州市人,教授,工學(xué)博士,從事能源與環(huán)境工程方面的研究1Tel:0574287605775,8760055034卷30中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第4供熱,以減少干燥能耗.基于這一思路,本文擬討論振動流化床干燥分區(qū)供熱方式.面溫度,.在熱氣流穿過煤層過程中,由于有部分熱量用于加熱煤粒,此過程為非絕熱飽和過程,tw略有變化,為簡單起見,認(rèn)為tw只與進(jìn)氣狀態(tài)有關(guān),在穿過煤層過程保持不變;tm為煤粒表面溫度,.式(2)和式(3)相除,可得dim=-1熱量供需關(guān)系分析在流化床干燥的熱力學(xué)分析方面,文獻(xiàn)324從質(zhì)量平衡、能量平衡、熵平衡和火用平衡出發(fā),構(gòu)建了干燥系統(tǒng)熱力學(xué)模型,分別從能的質(zhì)和量的利用效率上分析了各主

8、要參數(shù)對干燥過程熱經(jīng)濟(jì)性的影響,但該模型只適用于物料在流化床中呈完全混合情況,不能適合于物料流動呈多級床混合情況.振動流化床如圖1所示,濕煤粒從振動流化床干燥機(jī)的進(jìn)料端進(jìn)入,干煤從出料端排出,物料流動呈多級床混合特征5,在干燥機(jī)長度方向上,物料水分、干燥機(jī)出口廢氣溫度、濕度等參數(shù)都很不相同.熱量供需關(guān)系也很不一樣.在進(jìn)料端和出料端間任取一單位床面的煤層,)CpG(tin-tout)d=-dim.-rdM1Fs(t-tw)(4)煤炭表面自由水可近似地看作為煤粒表面的一層水膜,單位質(zhì)量的煤炭表面自由水量與單位質(zhì)量煤炭的濕表面積Fs成正比,即(5)M=CFs1,(6)Maxs,max,即Ft=Fs,

9、max1(7)在煤炭干燥過程中,濕表面逐漸減少,干表面逐漸增加,但兩者之和不變,即(8)Ft=Fd+Fs,兩邊同除Fs得:=-11FsFs圖1振動穿流床干燥Fig.1Coaldryinginhotgas2penetratingvibratedbed(9)將式(5)(7)代入式(9)得-11=FsM(kg);G為熱式中:Cp為熱氣流定壓比熱,kJ󰃗(m2s);tin和tout分別為熱氣流氣流質(zhì)量流速,kg󰃗(10)式(10)代入式(4)得dim=-進(jìn)出溫度,;d為時(shí)間微分,s;為煤層密度,kg󰃗3m;H為煤層厚度,m;r為煤粒表面水蒸發(fā)熱,kJ&#

10、983255;kg;dM為煤層水分微分,kg󰃗kg;dim為煤層比焓微-M-rdM1t-tw(11)分,kJ󰃗kg.式(1)左邊為熱氣流穿過煤層的焓降,右邊第一項(xiàng)為用于煤層水分蒸發(fā)的熱量,第二項(xiàng)為用于煤層升溫的熱量.從傳熱學(xué)原理看,熱氣流穿過煤層時(shí),主要通過對流換熱方式將熱量傳遞給煤層.熱氣流傳遞給煤層中煤粒濕表面的熱量用于水分蒸發(fā),傳遞給煤粒干表面的熱量用于煤粒升溫,兩個(gè)過程的傳熱方程如下Fs(t-tw)d=-rdM,Fd(t-tw)d=dim1(2)(3)式(11)代入式(1)GCp(tin-tout)=-Hr1+-M=e-Mmax-t-twK1d(12)由

11、振動流化床干燥動力學(xué)模型6得,(13)(14)=d-KM,式中K為干燥速率常數(shù),s-1,由干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸計(jì)算得到6H=50mm:K=(2.013G0.59+3.545)(t-tw)×10-4,H=100mm:K=(3.340G0.683-5.909)(t-tw)×10-4,(15)(16)式中:為熱氣流與固體顆粒表面的對流換熱系(m2s);Fs、數(shù),kJ󰃗Fd分別為單位質(zhì)量煤粒濕表面積和干表面積,m2󰃗kg;t為熱氣流穿過煤層的平均溫度,;tw為熱氣流的濕球溫度,亦為煤粒濕表H=150mm:K=(2.525G0.700-5.318)(t-t

12、w)×10-41(17)第3期楊國華等:振動流化床干燥分區(qū)供熱方式研究305設(shè)干燥機(jī)長為L0,煤粒在干燥機(jī)內(nèi)的平均停留時(shí)間為0,則煤粒干燥時(shí)間沿干燥長度方向的分布為=L1(18)小,干燥熱耗低,不足之處是廢氣量比第一種方式要大一些.不等速不等溫供氣兼有上述2種方式的特點(diǎn),但供氣系統(tǒng)更復(fù)雜,對自動控制要求更高.3試驗(yàn)及結(jié)果分析試驗(yàn)裝置如圖2所示.干燥機(jī)長度為1.5m,寬為0.2m,干燥機(jī)由油爐燃燒供熱.干燥機(jī)前后部進(jìn)氣溫度由兩支鎧裝裸頭熱電偶測量,出氣溫度由兩支鎧裝鉑熱電阻測量.前部進(jìn)出氣溫度計(jì)位于同一垂線上,離進(jìn)料口的水平距離為300mm,后部進(jìn)出氣溫度計(jì)亦在同一垂線上,離出料口的水

13、平距離為300mm.試驗(yàn)煤樣主導(dǎo)粒級為506mm,占87%,60mm粉煤占58.0󰃗kg.46次,部分試將式(13),(14),(18)代入式(12)得GCp(tin-tout)=HrKMmax×eKLL0+1-eKLL0-t-tw,(19)式(19)右邊第一項(xiàng)表示用于煤粒表面水分蒸發(fā)所需熱量沿干燥機(jī)長度方向呈指數(shù)急劇下降,右邊第二項(xiàng)表示用于煤粒升溫吸熱所需熱量沿干燥機(jī)方向的遞增關(guān)系.當(dāng)煤粒表面有一層水膜時(shí),其表面溫度等于熱氣流的濕球溫度tw,從熱氣流中得到的熱量全部用于水膜的蒸發(fā),而當(dāng)水膜全部蒸發(fā)后,熱氣流直接加熱煤粒,由于煤粒導(dǎo)熱性差,煤粒表面溫度.,tw式(19

14、)量將隨L.如果干燥機(jī)前后熱氣流供熱量相同,則必然引起前部供熱不足,后部供熱過剩.為解決這一熱量供需矛盾,作者提出了3種分區(qū)供熱方式,以強(qiáng)化干燥機(jī)前部的水膜干燥,減少干燥機(jī)后部煤表面的吸熱,降低廢氣溫度和廢熱排放.2分區(qū)供熱方式單位床面積進(jìn)口熱氣流的供熱量為GCptin,改變進(jìn)氣速率G或改變進(jìn)氣溫度tin,均可以改變供熱量.因此,分區(qū)供熱的方式可分為3種,一是沿干燥的長度方向等溫tin不等速G供氣;二是沿干燥機(jī)長度方向等速G不等溫tin供氣;三是沿干燥機(jī)長度方向不等速G不等溫tin供氣.等溫不等速供氣,即干燥機(jī)前后進(jìn)氣溫度相同,前部采用高氣速,以提高氣固間的對流換熱系數(shù),強(qiáng)化干燥過程,后部采用

15、低氣速,以降低煤粒升溫和廢熱排放.但氣速也不宜過小,否則,床層不能流化,一些較大煤塊沉積于床層底部,始終與高溫?zé)釟饬鹘佑|,導(dǎo)致升溫過高,而浮于床層上部的小顆粒煤,供熱不足,干燥不充分.等速不等溫供氣,即干燥機(jī)前后部進(jìn)氣速度相同,前部采用較高進(jìn)氣溫度,后部采用較低進(jìn)氣溫度,在靠近出料口處,甚至采用冷空氣為進(jìn)口氣流,一方面利用煤粒余熱將殘余水分蒸發(fā),另一面還能冷卻煤粒.這種供熱方式煤粒干燥均勻,物料升溫圖2干燥試驗(yàn)裝置Fig.2Dryingtestapparatus從表1可以看到:1)干燥機(jī)出氣溫度呈前低后高的特點(diǎn),這與式(19)的理論分析結(jié)果是一致的,表明采用分區(qū)供熱方式很有必要.2)干燥機(jī)出料

16、水分干燥過低時(shí),干燥機(jī)后部出口廢氣溫度明顯增高,造成廢氣排放熱增加.因此,為減少能耗,干燥機(jī)出料水分控制在17g󰃗kg左右是適宜的,這部分殘余水分可以利用煤粒的余熱在其被運(yùn)送至分選機(jī)主廠房的皮帶機(jī)上再自然蒸發(fā)掉,使分選機(jī)入料滿足水分控制要求.3)采用干燥機(jī)前后分區(qū)不等溫送氣,可以明顯降低干燥機(jī)后部出口廢氣溫度,減少廢氣排放熱.4)進(jìn)氣速度增大,干燥機(jī)出氣溫度增高,廢熱排放增加,因此在保證煤層基本流化的前提下,宜采用較低進(jìn)氣速度.在本試驗(yàn)中,進(jìn)氣流速為4(m2s)較為適宜4.5kg󰃗.34卷30中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第6表1干燥試驗(yàn)結(jié)果Table1Dryingtestr

17、esults試驗(yàn)號123456789處理量󰃗進(jìn)氣流速󰃗(th-1)(kgm-2s-1)8.279.09.328.1410.318.818.239.08.813.924.224.824.574.574.824.825.425.42進(jìn)氣溫度前部󰃗后部󰃗511507588501484503509489471483483554391386444425361410出氣溫度前部󰃗后部󰃗9110816267125117144155129224243331148244244255224214煤炭表面水分(-1)出料

18、󰃗(-1)入料󰃗58.058.058.058.058.058.058.058.058.017.919.714.217.911.312.514.41.017.54結(jié)論理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明,振動流化床用于干燥煤炭表面水分時(shí),熱氣流傳遞給煤粒的熱量主要用于2個(gè)方面,;,所必需的,.,因此,在干燥機(jī)前部應(yīng)多供熱,以加速煤粒的干燥,在干燥機(jī)的后部應(yīng)少供熱,這種分區(qū)供熱方式,對于減少干燥能耗很有意義.參考文獻(xiàn):1楊國華,陳清如.振動穿流床煤炭干燥特性研究J.regularityofmoistureoncalsurfaceanditseffectsonseparationb

19、yanair2soidizedbedJ.JouofChUofMining&echno,4)326.rulSDI,amrF.Thermodyn2offluidizedbeddryingofmoistureparticlesJ.InternationalJournalofThermalEnergySciences,2003,(42):6912701.4SyahrulS,HamdullahpurF,DincerI.analy2sisoffluidizedbeddryingofmoistureparticlesJ.Exergy,AnInternationalJournal,2002,(2):87298.5楊國華,陳清如.振動穿流床物料流動及停留時(shí)間分布J.煤炭學(xué)