三流体热管热泵一体化煤泥干化系统关键技术研究

2022-03-24史树君

科技与创新 2022年6期

阮霞，史树君

（1.金易通科技（北京）股份有限公司，北京100124；2.中科天一环境技术有限公司，北京 100044）

1 技术研究必要性及可行性

《国务院关于打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》中要求重点区域基本淘汰每小时35 蒸吨以下燃煤锅炉，每小时65 蒸吨及以上燃煤锅炉全部完成节能和超低排放改造。各地方也相继出台开展燃煤锅炉综合整治政策要求。

大同地区原煤总产能超过1.2 亿t。产生煤泥量约1660 万t/年，其中粗煤泥785 万t，细煤泥775 万t。除四台选煤厂有煤泥干燥系统外（细煤泥干燥后回掺混煤），其他选煤厂粗细煤泥均直接回掺商品煤（混煤）。四台选煤厂干燥系统以干燥细煤泥为主，干燥前煤泥水分为31.82%，干燥后煤泥水分为14.08%，煤泥干燥前、后均回掺混煤。煤泥烘干工艺为：干燥系统采用回收造粒的粉尘作为热风炉燃料，运用专有技术将其充分燃烧，产生900～1100 ℃的高温烟气。在引风负压的作用下，高温烟气沿着热风管进入干燥机。物料从进料避风器进入干燥机，经扬料齿进行高转速破粘、解聚分散和扬料，与热烟气充分接触，进行强烈质热交换，蒸发水分，实现干燥提质。通过分级处理器将提质后的产品进行分质分级，质量好、粒度大的部分作为成品输出；灰分高、粒度小的部分随干燥尾气进入布袋除尘器，再经除尘器过滤收集再造粒处理后作为热风炉燃料。

大同矿区干燥煤泥用热风炉属于环保政策淘汰产品，热风炉一旦被强制停运，现有干燥工艺将无法工作，矿区的大量细煤泥将无法处理。

传统工艺需要高温蒸汽或高温热风，受到环保政策制约，需寻求无污染、低费用的煤泥烘干途径。为解决环保压力下禁止使用小型燃煤锅炉（含燃煤热风炉）的问题，原来使用燃煤热风炉干燥煤泥的系统均改造为利用蒸汽作为热源的蒸汽滚筒烘干机。系统主要由滚筒干燥机（干燥机上布置有用于蒸汽加热的列管）、定量给料机（储料仓/铲车用）、混料机（双轴搅拌机）、入料螺旋输送机（双轴）、湿式除尘器、排潮引风机、疏水扩容器等组成[1]。该干燥机可以利用蒸汽作为热源对煤泥进行干燥。但此种烘干工艺同时受到蒸汽供应的制约，一旦矿区停用燃煤蒸汽锅炉系统将无法运行，因此需寻求一种无污染、低费用的煤泥烘干途径。

项目拟选取一个煤泥具有代表性的矿井开展新的煤泥烘干技术研究。三流体热管热热泵一体化低温煤泥干化技术为创新专有技术，优势为能耗低无污染，通过三流体热管回收尾部乏气余热，用于预热新风及为低温煤泥烘干用热泵机组蒸发器提供热源，系统只需要少量的电能即可实现煤泥烘干，二次粉尘污染少，在经济成本和运行管理上具有优势，在城市污泥干燥行业成功应用，烘干后的煤泥含水率符合要求。

四台选煤厂干燥系统以干燥细煤泥为主，干燥前煤泥水分为31.82%，干燥后煤泥水分为14.08%，煤泥烘干热源为热风炉，有因环保政策关停热风炉的风险。作为试点试验单位综合条件较为合适。

2 国内外研究现状和发展趋势

中国科学院工程热物理研究所开创了中国热管技术的先河，在1968年研制出中国第一根高温热管，并在国防、深空探测领域得到应用；在1985年获得国家科技进步二等奖。随后，在热管原理和热管传热器件生产，热管换热设备设计、制备和性能方面不断研究和探索。目前，已经形成多项国内关键技术，处于行业前列，在核能主动热利用、氢能利用的主动热防护、高温高热流环境下的热面控温等方面，都取得很大进步，得到行业认可，知名度逐渐增加。

当前，国内外均未发现类似本课题的相关方面研究。干燥过程通常为利用热量将含湿物料排出，形成挥发性组分进入大气，获得一定含湿量的固体产品，它是能耗巨大的基本单元操作。物料干燥过程涉及到国民生产60%的加工部分，如农业经济作物、海洋渔业、森林木业、生活污泥、煤炭行业的煤泥等[2]。随着中国各行各业的快速发展，干燥应用范围也越来也广泛，能源消耗也越来越多，干燥能耗已经超过国家国民经济总能耗的15%以上，迫切需要进行干燥行业的能源革命。国内外煤炭干燥设备有链式滚筒干燥机、管式干燥机、井筒式干燥机、沸腾床式干燥机以及煤泥滤饼碎干机。

中国传统的干燥工艺以燃煤为主要供热、供能方式，能源消耗浪费严重，并且存在含硫、含尘污染排放，对环境污染大，导致干燥企业附近及农业收获季节环境污染波动幅度上升，对能源清洁高效利用提出了重大挑战。常规的气气换热设备有管壳式、板管式，但是都是管内管外流动，冷热两侧流体的换热方式不对等，导致换热设备相当笨重。近些年，一些生产热管的企业尝试采用常温热管来预热冷风，将其温度加热到200 ℃左右[3]。但设备使用效果常会短时间内即出现失效现象，设备运行不便利。

研究表明，在近几十年内，中国的能源利用方式仍以煤为主导，洗煤过程产生的湿煤泥会造成巨大的土壤资源破坏，常规的自然晾晒方式也会造成粉尘污染。

3 技术路线

3.1 预热利用

当前工业生产过程中会产生大量高温废气，如不加以利用，能耗较大，甚至极其容易产生环境热害。同时，一些低温气体又需要通过能源加热的方式产生可利用的高温工艺气体。高温气气换热设备能够将高温废气跟低温冷气进行热交换，实现能源利用，但由于高温气气换热设备存在高温热应力，容易导致设备开裂、串气而影响生产工艺，同时，换热方式传统简单，导致换热效果差，设备笨重，材料用量大，运行过程中故障率高。

加热炉预热器就存在大量高温气气换热器的需求，而且预热气的温度也很高，甚至达到600 ℃以上，要将预热气体加热到800 ℃左右。在一些常规的工艺流程中，也有大量将工艺气（空气）加热到350～450 ℃的需求。近年来，国家加大对节能减排的要求和约束，严格落实环境综合治理，一些节能工艺也迫切形成类似气-气高温换热、固-气高温换热的核心设备。这种需求也会越来越多。

针对工业企业反映的热管失效问题，主要是设备生产厂工艺控制不过关，在设计换热器时，不注意温度适应性而产生的，而不是热管技术本身不行。国内高温热管生产工艺比较成熟，并能将工作温度提升到750°C 以上，而中温热管工艺生产方面，国内几乎无采用此工艺进行大批量生产的先例。

笔者们通过不断摸索，项目基地已经初步具备生产能力，能够将冷流体通过常温、中温、高温热管提升到350 ℃、560 ℃，甚至750 ℃以上。

在热管换热器核心传热元件制备方面，项目组具有一套自己成熟的工艺流程，能够实现批量化、高效化，同时保证性能优异。这部分工作，经过项目组的调研和对比，发现国内几乎没有，都处于尝试阶段，而项目组经过近15年的不断模拟，已经接近产业化，为制备中高温换热设备提供了关键保障。

3.2 技术工艺

搭建静态煤泥烘干实验系统，找出风温、风量、初始含湿量等对煤泥最优烘干工艺参数的影响，涉及烘干时间、烘干速率、出口含湿热风的运行结果[4]。了解煤泥的成型特性、干燥速率、能耗指标及干燥后的低位热值，为煤泥低温干化系统的设计提供依据。

笔者在前期实验的基础上，创新性地提出一种以热泵主动能源提升能量品位、三流体深度余热利用、高效液-气换热以及自动控制反馈的耦合协同技术系统。

研究提出一种新型的超低能耗低温煤泥干化系统，煤泥低温烘干工艺流程涉及到智能控制系统、高温热风循环系统、低温预热热风循环系统、热泵系统以及辅助的风机和泵等。

煤泥低温高效烘干系统如图1 所示。

图1 煤泥低温高效烘干系统

三流体深度余热利用换热系统将从煤泥低温干燥器中排出的含湿热风作为热源，供应给两路流体：①预热低温空气，尤其是冬季的寒冷空气，可以最大程度地节约空气在高温空气换热系统的能耗；②持续产生供应给蒸发器的低温热源，并大量储存在低温储热系统中。在夏季，供应给煤泥低温干燥器的空气温度较高，三流体换热系统的气-气换热可以关闭，直接进入高温空气换热系统，产生高温热风，输送到煤泥低温烘干器中。为实现以上功能和特点，进行以下具体研究：湿煤泥低温（70 ℃）螺旋干燥多物理场耦合传热、传质技术的研究，70 ℃干燥热介质的低能耗获取技术的研究[5]，三流体低温热管热回收传热传质耦合技术的研究，三流体热管热泵一体化技术的研究，三流体热管热泵一体化煤泥干化系统运行可靠性与经济型评价研究。

4 结论与展望

本煤泥低温烘干方案，可充分实现对各种污泥（包括煤泥）进行“减量化、稳定化、无害化和资源化”处理，最终实现将污泥颗粒作为掺烧燃料、焚烧、建筑材料、生物燃料等，可适用于煤泥、生活污泥、印染、造纸、电镀、化工、皮革等各类污泥干燥系统。本技术方案的预期目标如下。

4.1 系统安全可靠

本创新性方案中，与煤泥直接接触的区域没有电气设备，仅有55 ℃左右的低温干燥热风，风机、水泵均远离煤泥烘干区域，并且取得煤安认证和保护。

本创新性方案中，唯一的运动部分是“蒸发器、冷凝器的外侧均为水介质换热”的热泵系统，系统在连续运行时，有持续的待机过程，热泵系统的安全性得到改善。

系统的安全性还表现在：煤泥干燥过程氧气含量小于12.0%，粉尘质量浓度小于60 g/m3，颗粒温度低于50.0 ℃。煤泥静态摊放，与接触面无机械静电摩擦。无煤泥干燥过程的“胶粘相”阶段。干料为颗粒状，无粉尘危险。出料温度低（小于50.0 ℃），无需冷却，直接储存。

4.2 经济效益好

节能高效主要体现在：连续化处理含水煤泥，将其从进口的27.0%含水率降低到18.0%左右；干燥过程有机物无损失，煤泥干化后热值高，适合后期资源化利用。烘干1 t 煤泥消耗电能预计30 kW·h 左右。

煤泥低温烘干过程节能高效，表现为：热泵系统的运行参数和方式的改进，可以获得更高的能效比；含湿空气的三流体深度余热利用系统的建立和利用，为热泵系统提供了更充足的能源，持续、稳定、充足；以每一天为运行单位，热泵系统可以长时间处于待机状态，无须消耗大功率电能，节能显著；煤泥低温烘干系统在全自动电气控制下运行，保证煤泥最佳运行工艺，高温热风系统的运行高效节能。

4.3 实现零污染

所采用的系统主要以静设备为主，所采用的热泵系统也对环境友好；用于煤泥低温烘干的区域采用全封闭干燥模式，无臭气外溢，无需安装复杂的除臭装置。采用低温干燥过程，有机物析出量非常少；本系统结构紧凑，可以就近安装在洗煤厂附近；含湿排出空气深度余热利用后产生的冷凝水清洁无污染，可以直接返回洗煤厂循环使用或直排。