褐煤煤粉干燥立管提质干燥的流动特性研究

张 赜

大连环资科技有限公司

针对褐煤煤粉进行提质干燥是重要的工业处理手段之一，褐煤煤粉提质干燥效果受其流动特性影响很大。本文从褐煤煤粉的提质干燥特性与机理入手，通过模拟实验分析气固比、气流流速、烟气温度三种主要流动特性对提质干燥过程和结果的影响，在理论上为褐煤煤粉的工业处理提供一定的优化参考依据，提升褐煤的应用能效。

褐煤是我国常用的矿物质燃料，长期以来用量一直居高不下，但由于褐煤热值低、湿度大，使用时产生的热量有相当一部分被水蒸气带走，所以热效率非常低。为提高褐煤的工业利用能效，需要对褐煤进行适当的处理，降低其湿度以保证热效率，提质干燥正是目前比较常用的一种处理方法，其中以立管干燥技术最为先进，应用能效也最好，本文即以这种干燥技术为研究对象，探析该技术中流动特性因素所产生的影响。

褐煤煤粉的提质干燥概述

褐煤煤粉的特征

褐煤即柴煤，是矿产煤的一种，其煤化程度低，具有较强的化学反应性，暴露在空气中会迅速风化，所以储存、运输都比较困难。这种煤优点有二：其一是挥发性强，易于燃烧，使用要求比较低；其二是价格低廉，产量大，开采后可直接使用。但褐煤的热值非常低，为了尽可能提高其使用效率，往往将其磨制成拥有较大表面积的煤粉使用。然而，磨成煤粉虽然可以一定程度上提高其燃烧率，但无法去除其中的水分，所以褐煤煤粉还需要进一步进行提质干燥处理。

褐煤煤粉的提质干燥机理

褐煤煤粉有多种干燥技术，按干燥机理可以分为两种，一种是脱水干燥，又称蒸发干燥，另一种是热解干燥。干燥立管式的提质干燥法则属于蒸发干燥中的气流干燥，具有瞬时化、高速化特征，基本机理是流态化的稀相输送，干燥介质是立式直管。

干燥立管式提质干燥技术的第一步是褐煤煤粉与高温烟气的混合。首先，锅炉产生高温烟气，然后以鼓风机和管道引导这些烟气，将之直接送入干燥立管，褐煤的煤粉则以进料斗同样送入干燥立管，煤粉和高温烟气在立管中相互接触并混合在一起，以气固混合相的形式存在。之后，高温烟气在温度作用下沿立管不断上升，褐煤煤粉便在混合状态下随之上升，在这一过程中，混合物不断发生热值传递，煤粉中的水分迅速流失，干燥作用由此实现。最后，混合物的提质干燥完成并进入分离器，经过分离器的分离与进一步的除尘以后，褐煤煤粉和烟气分离开来，褐煤煤粉收集使用，烟气则送入污染处理装置，经过一定的净化后排入大气或另作他用。由于该机理利用了气固混合相的流动特性，所以提质干燥的能效理所当然会受到流动特性的影响，但由于气固混合相流动特性要素都有很强的动态性，所以在分析上比较困难，需要借助专门的分析实验。

干燥立管中的褐煤煤粉提质干燥分析实验

根据上述机理，拟定该过程的模拟分析实验。选择2m 长、0.038m 管径的实验用干燥立管，颗粒直径在80 目到100 目之间的褐煤原煤颗粒进行此实验，通过控制气固比、入口烟气流速、初始烟气温度三项不同的实验参数来反映不同的流动特性，以最终所回收煤粉的湿度反映提质干燥的最终效果。需要注意的是，为了保证与实际的工业生产特性相一致，不同组别温度的测量时间应不少于20 分钟，且时间间隔要保持一致。

干燥立管气固比与褐煤煤粉提质干燥的关系

气固比即体积比，是重要的流动特性参数之一，该参数可以通过控制褐煤煤粉与高温烟气的混合比例来加以调整。

在本实验中，获得的气固比与煤粉湿度关系如图1（C）所示。由该图可知，无论何种气固比，立管长度越长，煤粉干燥后湿度越低。但减缓幅度与最终湿度均有所区别，气固比越小，湿度降低得越快，在干燥立管长度固定的情况下，最终湿度也就越小。换言之，气固比与褐煤煤粉的提质干燥效果呈反向相关，气固比的值越小，提质干燥的效果也就越好。这是因为气固比小说明混合物中气相成分所占比例较少，此时混合物能够获得更高的流动速度，湿量的去除速度也会加快。但需要注意的是，混合物速度的加快有可能导致混合物在立管中的停留时间过短，在这种情况下烟气的热量来不及利用，被大量浪费，反而对实际的提质干燥不利。因此，在实际的提质干燥处理中，气固比的削减应控制在一定的界限内，在保证热量充分利用的前提下选择尽可能小的气固比。

干燥立管气流流速与褐煤煤粉提质干燥的关系

此处的气流流速指的是高温烟气通入干燥立管时在立管入口处的速度，在实际生产中往往通过控制鼓风机输出功率来调整。

在本实验中，获得的入口气流速度与煤粉湿度关系如图1（B）所示。由该图可知，在气流刚刚通入立管时，湿度变化与干燥立管的长度呈一定的线性关系，且在该关系中斜率为负，所以在干燥立管中最初的提质干燥基本可以当作一种恒速干燥来分析。但是褐煤煤粉与烟气形成混合物并进一步上升后，煤粉的温度、速度呈现升高趋势，相反，烟气的温度、速度呈现降低趋势，这种差距令二者的热传导受到负面影响，湿度与立管长度的线性关系消失，干燥过程转变为降速干燥。由此可知，提高入口处的烟气流速的确可以通过加强煤粉与烟气的传热传质来适当提升干燥效果，但这种提升效果相当有限，对最终的褐煤煤粉湿度影响不大。而由于提升烟气流速使混合物在立管中的反应时间变短，提升效果或被反向抵消，甚至反而降低最终的提质干燥能效。因此，在实际生产中，将入口处的气体流速控制在一个相对较小的数值能收获较好的提质干燥效果。

干燥立管烟气温度与褐煤煤粉提质干燥的关系

干燥立管式的提质干燥法是一种高温反应，因此烟气温度也是关键的流动特性参数之一。由于干燥立管的长度较长，在整个提质干燥过程中，烟气温度会产生一定的变化，所以本文所述的烟气温度特指在干燥立管入口处的烟气温度，在烟气通入干燥立管前对其进行适当的加热或降温处理即可控制该参数。

本实验得到的烟气温度与煤粉湿度关系如图1（A）所示。由图可知，在气固比和入口气流流速相同的情况下，入口处送入的烟气温度越高，最终获得的煤粉湿度也就越低，且影响程度非常显著。这与煤粉和烟气之间的传热效应有关，如前文所述，随着混合物在干燥立管中逐渐升高，煤粉和烟气的温度、速度都呈现出反向分离的趋势，这会降低传热传质，进而对煤粉干燥产生不利影响。而烟气的初始温度越高，这种分离作用就越不明显，对传热传质的削弱作用也就越小，由此确保提质干燥的能效。由此得出结论，烟气温度越高，褐煤煤粉的提质干燥效果越好，兼之烟气温度在实际的褐煤提质干燥中比较容易控制，所以具有较高的实际应用性。

图1 不同指标对褐煤颗粒含湿量的影响（A：温度；B：气体流速；C：气固比）

结语

综上可知，以干燥立管技术对褐煤煤粉进行提质干燥时，气固比和入口烟气温度这两大流动特性对最终的提质干燥效果有很大的影响，而相较之下烟气流速的影响较小。因此，在工业生产中，优化提质干燥能效的措施主要可集中在对气固比和入口烟气温度的控制上，一方面尽可能降低气固比，另一方面在入口位置对烟气进行加热升温，这样可有效提高提质干燥效果。