热管热泵一体化低温煤泥干燥系统关键设备技术研发

刘昌豪，史树君

（1.国能朗新明环保科技有限公司，北京 100039；2.北京中科天一环境技术有限公司，北京 100044）

煤泥是煤炭生产过程中的一种伴生固废产品，粒度细、含微粒多、持水性强、含水分多。全国每年的煤泥存量高达3 亿t 以上，大量堆积在洗煤厂内，煤泥经过压滤机压滤后仍然含水30%左右，煤泥中的水分每降低1%，发热量就可提高1.4%以上，低灰煤泥水分在12%以下，发热量可达20.934×103kJ/kg 以上，符合电煤用户需求，可掺入电煤中混合销售，产品价格高，可提高经济效益。煤泥干燥后有利于储存、运输，并有效提高了热值，可实现完全燃烧，便于后期资源化，煤泥中普遍水分较高，目前煤泥干化处理方法普遍采用燃煤锅炉烟气余热利用法、燃煤锅炉动力蒸汽干化法和尾煤（煤浆）加压压滤法等3 种方法。当前，国内外均未检索到类似本项目热管技术相关方面的研究。传统的煤泥干化过程中，存在污水、灰尘、场地严重污染的问题，处理工艺难度大、不连续、劳动强度大、运行成本高、能量消耗大。同时由于干化温度较高，还容易引起煤泥的自燃等现象，存在安全隐患。

利用热泵技术进行低温干化方法具有一定节能功效，干化过程中排出的乏汽中存在非常巨大的潜能，如果采用热管热泵一体化新技术就能够深入且有序地回收利用这些潜能来产生更高的能效。热管热泵一体化低温煤泥干化技术是创新专利技术，优势为能耗低、无污染，通过热管热泵一体化回收尾部乏气余热，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，经济成本和运行管理上具有优势，烘干后的煤泥含水率符合要求。采用热管热泵一体化技术，开发低温煤泥干化系统，形成关键技术，解决行业共性难题。通过热管技术深度利用乏汽，主动、有序、定额地形成2 种可利用能源， 通过热管热泵技术回收利用矿井回风中的热量，既可以解决进风井井口防冻的问题，又可以节约能源，减少环境污染[1]。此技术不仅可以运用在煤炭行业的固液废弃区的有效处理领域，也可以拓展到多个能耗大、固液干化的行业和领域，具有共性和普适性。

1 课题重点研究方向

1.1 煤泥干燥后性能指标

提出煤泥干燥后的产品性能指标，对干燥设备系统进行工况调节。一是研究干燥系统工况调节参数对末煤产品含水率的影响；二是末煤产品含水率与热值之间的关系；三是开展末煤产品燃烧特性研究，包括自燃、回吸、粉尘等特性；四是评估含水率等性能指标对后续储运的影响；五是干燥系统热管设备结构及有关参数。

1.2 主要集成系统研究

超导热管是依靠其内部工质在一个抽成一定真空的封闭壳体中循环相变而传递热量的装置[2]。研究低温煤泥干燥理论，解决煤泥低温干燥换热计算，热平衡计算、流体输配计算，开发热管热泵一体化技术，低温煤泥干燥设备布置及设备制造技术，干燥过程煤泥粉碎、粉尘处理等技术，最终研发热管热泵一体化煤泥样机一套并应于与示范项目。一是湿煤泥低温（60～70 ℃）螺旋干燥多物理场耦合传热、传质技术研究；二是60～70 ℃干燥热介质的低能耗获取技术研究；三是热管热泵一体化低温热管热回收传热传质耦合技术研究；四是热管热泵一体化技术研究。

2 技术工艺方案

2.1 煤泥干化系统

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、烘干速率和出口含湿热风的运行结果。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。项目申请在前期小试实验的基础上，创新性地提出一种以热泵主动能源提升能量品位、热管热泵一体化深度余热利用、高效液-气换热以及自动控制反馈的耦合协同技术系统。

新型的超低能耗低温煤泥干化系统如图1 所示，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。

图1 超低能耗低温煤泥干化系统

2.2 主要设备选型情况

热管热泵一体化深度余热利用换热系统是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。一是预热低温空气，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；二是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[3]。在夏季，供应给煤泥低温干燥器的空气温度较高，热管热泵一体化换热系统的气-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。例如，规模为50 000～80 000 t/年的示范运行项目主要设备选型如表1 所示。

表1 主要设备选型表

2.3 烘干炉高能效比优化设计

2.3.1 湿煤泥多物理场耦合传热技术

初始入口的含湿煤泥温度低，对应此时的传质能力低，本项目提出大风量含湿介质高效传热提升煤泥主体温度的思路。强化风场与煤泥的流动、传热，提升风场与煤泥的对流换热能力，增大传热温差，利用煤泥自身的多孔介质扩展传热面积的特性，主动利用场系统理论，实现煤泥在入口附近段的快速提温目的。

实验研究风量、风温及其含湿量，风场等对低温煤泥的升温效应。建立多物理场耦合传热模型，理论分析多个独立参数对煤泥升温效应的影响，并进行数值仿真和实际效果验证。归纳无因次关联准则，形成具有借鉴意义的经验公式。借助实验定量测试结果，将它作为理论计算的初始边界条件，进行系统优化，分析出关键影响因素以及影响程度。

2.3.2 高脱湿煤泥热质传递优化

较高温度的含湿煤泥与较高温度、含湿量低的热介质接触，具有较大的传质能力，能够实现高脱湿率，换热在轴向方向上温度变化比较大[4]。实验研究风速、风温、初始含湿率等独立物理量对较高温度的含湿煤泥在移动速率的作用下的脱湿率影响。归纳实验定量数据，形成具有借鉴意义的传质扩散经验关联式。建立风场、风温及初始含湿率，含速度平移的较高温度的含湿煤泥，煤泥的多孔效应等多物理量场的耦合传质模型，依据动网格、多孔介质模型、传热传质模型，分析多物理量场的耦合关联效应，数值仿真，优化各个物理量场的关联性和贡献率。

2.3.3 脱湿升温同步一体化干燥模型

针对煤泥低温干燥系统的烘干炉结构及其实际处理能力和外界输入输出条件，基于风场、煤泥输运、脱湿等流动、传热、传质、动边界的干燥模型微分方程，根据进出口边界条件和初始状态，数值仿真，获得本项目中的含湿煤泥低温干燥的多因次关联准则。

在此基础上，通过对实际含湿煤泥低温干燥系统的运行参数进行验证，最终实现对其的运行和推广。

2.4 热风炉介质的低能耗优化技术

2.4.1 热管热泵一体化传热传质耦合传递模型及优化

含湿煤泥低温干燥炉排出的含湿热风，风温不高，含湿量适中，风量大，但潜在的能量较大，回收意义较大，回热难度较大。本项目创新性地设计了一种热管热泵一体化系统，是能将大量无用的低温热能变为有用的高温热能的新型、节能环保型节能技术[4]。也实现了热泵从蒸发器处吸收低温热源的必须能量。更为重要的是降低了脱湿介质的初始含湿量，增强了脱湿能力。

创新性设计的一体化蒸发器是一种热管热泵一体化耦合传热模型（1 个热源，2 个冷源），同时，对于热源侧，针对排风侧的含湿量，存在着传质过程。热源在二侧冷源同时作用下的传热、传质的耦合传递过程中还伴随着压降的损失。3 种流体介质相互传热过程的耦合关联需要通过实验方法获得定量宏观参数的传热关系和压降关系。并在实验测量的基础上，建立宏观的热管热泵一体化传热模型和理论方程，数值求解，获得经验关联式。分析热管热泵一体化耦合传热模型的系统最优解作为存在能量利用最大化的参考和佐证。

2.4.2 热管热泵一体化的高温低湿系统

技术的核心设备是新型热管换热装置[5]。应用热管技术对含湿空气的显热、潜热进行回收，使热泵蒸发器内的低温低压液态工质受热蒸发，吸收了热泵蒸发器端的低温热源；同时，热泵系统内的低温冷媒使得含湿空气内的蒸汽大量冷凝，除湿效果明显。热管换热器的冷端吸收了含湿空气的能量，对经过除湿的空气进行高效回热，提升温度后输送到热泵系统的冷凝端加热升温，成为高温低湿热介质，用于含湿煤泥低温干燥的传热、传质驱动力。本系统巧妙地将热管技术应用到热泵系统中，形成了一种热管热泵一体化的高温低湿系统，实现无动力功率加载保护恒温热源[6]，系统结构紧凑，传热能力高效，运行安全可靠，是煤炭行业低碳发展的一种有效途径[7]。

热管热泵一体化高温低湿系统是根据实际运行工况定制的设备，因此需要首先建立热管热泵一体化高温低湿系统模型；然后数值仿真，获得每个分器件的进出口参数和几何布局；再组建成系统运行。运行工况是对设计工况的反演和验证。通过实际测量数据，进一步完善热管热泵一体化的高温低湿系统，形成煤炭领域的核心系统和关键设备。

2.4.3 高温低湿热介质的低能耗获取技术的运行评价

高温低湿热介质的低能耗获取技术，直接表观为热管热泵一体化的高温低湿系统。其实际运行受到一年四季气候条件的影响，同时也受到含湿煤泥的成分、含水率以及干燥炉的保温等条件的影响，因此需要建立一个预测该技术的评价模型。本项目拟从宏观的能量守恒、物料平衡、组分守恒等方程入手，结合对流干燥技术的微分方程，构建运行评价模型，分析四季变化时的影响因素和权重，加以改进和优化。高温低湿热介质的获取系统实际运行的结果佐证了运行评价机制；模型中存在不合理的地方可以进行修正和完善，从而真正形成有指导价值的评价体系。该技术节能、经济、环境和社会效益显著[8]。

3 建立系统模型

3.1 主要设备性能参数选择

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。煤泥低温干化系统的烘干炉，除了设备机械结构之外，更主要的是系统的运行参数，包括煤泥运行时的温度，在该温度下进行的传热、传质的耦合过程[5]。同时，最优化的风温、风量、含湿量也需要进行实验探索和理论推导。确定以下数值：干燥设备的尺寸、干燥介质和被干燥物料进出口的参数值、干燥介质和热量的需求量。在此基础上，确定热交换器、风机、除尘器以及各种预处理设备等辅助设备的性能参数。热管以环保型氟利昂为导热介质，以碳钢钢管加铝翅片为结构的热管装置[9]。

在干燥设备设计中涉及的最重要参数如图2所示，干燥器的形式已选定，通常已知下列数据：①以绝干物料计的产量Gs；②物料的进、出口湿比例x1、x2；③物料的进、出口温度Tm1、Tm2；④干燥空气进入干燥器的湿度y1。图2 中，所有带*的参数均为未知数。

图2 干燥过程计算的基本参数和准则

干燥器的设计在选定了“目标函数”后，是一个复杂的选优过程。目的是求出主要参数的最佳值，如单位产品的干燥价格为最低等，也可采用多目标优化方法。在实践中，常因假设了某些参数而忽略了优化，这些参数为气流速度、进口气体温度、干燥介质（空气）气体流量等。干燥器的设计过程通常包括下列计算步骤：由热、质衡算确定出口干燥介质（空气）的温度和湿度；由干燥介质（空气）的进出口温湿度、被干燥物料的温湿度及其他有关参数确定干燥操作的平均推动力；确定热量、质量传递系数；以传热、传质动力学方程为基础确定传热传递面积，并进而确定干燥器操作室的尺寸。

在干燥曲线基础上直接计算时，采用实验时的参数值做放大的设计步骤与上述步骤不同，其较为简单。干燥过程的能量消耗对干燥室的设计和操作影响很大，有多种技术经济指标可作为依据。

将分离式热管换热系统吸热部分和放热部分按单元逆流布置，各单元换热互不干扰[10]。

3.2 能量平衡校核

在对干燥器的各个物性参数和运行参数分析后，进行热管热泵一体化换热器的能量深度回收利用的平衡分析，如图3 所示。

图3 总能量利用系统示意过程

热管热泵一体化换热器在整个系统中起到两重作用：一是深度回收干燥器的余热，作为进入干燥器内干空气的第一级预热器；二是最大程度地除湿，通过热泵系统的低温热源的本身特点，将含湿空气中的湿汽冷凝下来。将大量不能直接利用的低温热能转变为有用高温热能的装置[11]。

由于热管热泵一体化换热器的特殊换热方式，热泵的能效比COP 将增大到4.0 左右，而且热泵的使用寿命、稳定性得到加强。热管热泵一体化换热器不同于传统的分离式热管换热器复合空气源热泵的工作原理，结构设计和位置布置简单灵活[12]。具体表现为：分离式热管从蒸发段到冷凝段的温度是单一的，不同于热管换热器每一排具有一个蒸发温度，导致换热效果不佳；当蒸发温度确定时，含湿空气最大降温应该是蒸发温度以上5 ℃左右，此时，还需要兼顾到低温空气被加热的效果，冷流体被加热的温度最高为蒸发器温度以下5 ℃[6]。这样，采用分离式热管的弊端就出来了，含湿空气降温降不下来，冷流体升温升不上去。

热管热泵一体化换热器流克服了这个弊端，它采用热管式逆流换热操作方式，冷流体能得到高效预热，含湿热流体能高效降温。分离式热管换热器与热泵的组合难以保证预热和低温热源的能量配合关系。分离式热管单独成系统，难以精确把握对含湿空气的温度控制，实现第一级能量回收；在第二级能量深度利用过程中，受热泵蒸发温度的影响。热管热泵一体化换热器的另一个好处在于，可以灵活调配预热负荷跟热泵热源之间的比例关系。

4 结束语

煤泥是煤炭行业的伴生产品，存在污水、固废堆积、环境污染等严重的环保难题，对其进行处理则需要投入大量的初始设备、场地，随后需要连续不断的运行费用。煤泥经过热管热泵一体化技术干化后，煤泥的低位热值得到了提高，能够产生适当的经济附加值，既能彻底解决环保难题，又能给企业带来良好的经济和社会效益，可为中国煤炭能源高效、绿色利用提供借鉴，实现全国范围内的产业化推广。

技术依据传热、传质原理，采用低温高效热泵技术和低温热管技术、对流烘干原理和技术，形成具有连续自动运行的、深度余热利用的热管热泵一体化利用的含湿煤泥烘干系统。热泵系统低温热源连续、稳定可靠；热管回热系统能够实现预热、除湿集热一体化，实现深度能源利用，大幅降低运行成本。低温干燥杜绝了煤粉爆炸的可能性；降低了对环境、操作人员的危险性程度。含湿煤泥的高能效比，可以极大地降低含湿煤泥低温干燥的运行成本，节约能源，使得煤炭行业的尾废物料变废为宝真正成为可能。高能效比的含湿煤泥低温干燥技术为煤炭清洁、高效利用提供了技术支撑。课题创新性地提出了一种热管热泵一体化的高效高温低湿热介质获取系统，并应用于含湿煤泥的低温烘干领域，既解决了煤泥对环境的污染和破坏，又体现了含湿煤泥的市场化价值，综合效益显著。这种具有能源利用率高、结构紧凑的热管热泵一体化系统，能够提升中国煤炭干燥技术在国际上的学术地位，同时也能赢得国际市场占有率。