內(nèi)置熱流化床煤調(diào)濕裝置中濕煤的流動特性研究

毛紅蕾,　郁鴻凌,　楊東偉,　梁　勇,　余紅霞

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海　200093)

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內(nèi)置熱流化床煤調(diào)濕裝置中濕煤的流動特性研究

毛紅蕾,郁鴻凌,楊東偉,梁勇,余紅霞

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海200093)

摘要：選取平均粒徑為0.82 mm的寬篩分煙煤為床料,考察煤中水分(含水率)對煤在小型內(nèi)熱流化床煤調(diào)濕實(shí)驗(yàn)臺中的流動特性的影響.繪制流化床內(nèi)流化速度與床層高度、床層壓降的關(guān)系曲線并進(jìn)行分析.結(jié)果表明:煤料的臨界流化速度為0.3～0.4 m/s;高水分煤料(含水率為16.3%～17.8%的煤)的臨界流化速度比低水分煤料(含水率為12.4%～13.7%的煤)的臨界流化速度增加了20%,即含水率過高不利于煤的流化;高水分煤在流化過程中甚至出現(xiàn)了騰涌現(xiàn)象,使流化惡化,故應(yīng)將流化煤料的含水率控制在14 %以下.

關(guān)鍵詞：煤調(diào)濕; 含水率; 流動特性; 臨界流化速度

我國是焦炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國,20世紀(jì)90年代鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展使我國煉焦行業(yè)得以興起,2001年之后,焦炭的生產(chǎn)能力和消費(fèi)能力均迅速增長,其年均增長率分別為12.0 %和12.9 %[1].煉焦業(yè)產(chǎn)能的迅速增長,致使煤的消耗量持續(xù)增長,但是,我國煉焦用煤的含水率普遍偏高,有些地區(qū)的煉焦煤含水率甚至高達(dá)15 %以上[2].未經(jīng)預(yù)處理的高含水率的煉焦煤直接進(jìn)入焦?fàn)t,會增加煉焦耗熱量,破壞焦?fàn)t生產(chǎn)操作的穩(wěn)定性,增加焦化廢水排放量,污染環(huán)境.因此,煉焦業(yè)是一個典型的高能耗、高污染的行業(yè),已被國家列為節(jié)能降耗的重點(diǎn)行業(yè).為了實(shí)現(xiàn)焦化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,必須從改進(jìn)煉焦工藝技術(shù)、降低消耗、減少環(huán)境污染、提高焦炭質(zhì)量和生成效率等方面展開研究[3].煤調(diào)濕技術(shù)是近年來得到快速發(fā)展的煉焦用煤預(yù)處理技術(shù)，該技術(shù)不僅可以有效改善焦炭質(zhì)量、提高焦?fàn)t生產(chǎn)能力,還可以降低能耗,同時有利于環(huán)境保護(hù),是國家重點(diǎn)鼓勵的節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目[4].

煤調(diào)濕工藝(coal moisture control,CMC)是指將煉焦用煤在裝爐前利用外熱進(jìn)行加熱干燥、脫水,達(dá)到煤的水分調(diào)節(jié)和控制.根據(jù)現(xiàn)有煤調(diào)濕技術(shù)存在的問題和煉焦工藝的特點(diǎn)[5-8],上海理工大學(xué)和某企業(yè)共同研發(fā)了一整套新式的內(nèi)置熱流化床式煤調(diào)濕工藝,為將這一工藝很好地應(yīng)用于工程實(shí)際,必須對其進(jìn)行傳熱特性和流動特性兩方面的研究.傳熱特性很大程度上是由流化床內(nèi)的流動特性所決定.影響流動特性的因素有很多,如流化氣速、流化床內(nèi)部結(jié)構(gòu)及床料的物理特性(密度、粒徑、含水率)等.

目前針對內(nèi)置熱流化床的流動特性的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究了已不少,如羅國民等[9]實(shí)驗(yàn)研究了生產(chǎn)實(shí)際用煉焦煤的不同粒徑和不同初始料層高度對流動特性的影響.閻維平等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了壓力與溫度對臨界流化速度的影響.張廷龍[11]還研究了氣泡行為對流動特性的影響.但這些研究者并未考慮到所選物料的水分對流動特性的影響,或者所選的實(shí)驗(yàn)材料為石英砂、玻璃球類的干物料,因此,本文研究煤中水分對煤在內(nèi)置熱流化床實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)的流動特性的影響.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制不同含水率的濕煤的流化速度與床層高度、床層壓降的關(guān)系曲線,對比其臨界流化速度、床層阻力的大小,分析水分對煤流動特性的影響,為優(yōu)化內(nèi)置熱流化床煤調(diào)濕工藝技術(shù)設(shè)計及工程化應(yīng)用提供理論依據(jù).

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用小型內(nèi)置熱流化床實(shí)驗(yàn)臺裝置，實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)如圖1所示.實(shí)驗(yàn)臺的主體是直四棱柱流化床反應(yīng)器,橫截面積為310 mm×230 mm,內(nèi)有16根長為190 mm、管徑為25 mm的電加熱管,呈水平錯列布置;反應(yīng)器底部設(shè)置布風(fēng)板結(jié)構(gòu).布風(fēng)板采用平板多孔式,錯列布置,風(fēng)孔布置在板中央,小孔風(fēng)向與板垂直.反應(yīng)器的上下部位分別是沉降室和風(fēng)室,其截面呈上寬下窄的兩個倒梯形.沉降室的倒梯形截面使得床層上部自由空間的截面增大,氣流速度降低,有利于氣流攜帶顆粒重新回落到床層,降低出口氣流的含塵量,減輕布袋除塵器的負(fù)荷.風(fēng)室的倒梯形截面主要起導(dǎo)流和穩(wěn)流作用.實(shí)驗(yàn)采用離心式鼓風(fēng)機(jī)將環(huán)境中的空氣通過進(jìn)風(fēng)管道引入風(fēng)室,引入的空氣流將置于布風(fēng)板上的床料鼓動,使其進(jìn)入流化狀態(tài).鼓風(fēng)機(jī)聯(lián)接有高性能矢量變頻器,變頻器通過控制鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變引入風(fēng)室的空氣流量,并通過LUGB-65渦街流量計對空氣流量進(jìn)行監(jiān)控.此外,實(shí)驗(yàn)過程中床層的高度以及床層壓降分別由米尺和壓差變送器測定.

圖1　實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)簡圖

1.2實(shí)驗(yàn)原理

固體流態(tài)化現(xiàn)象是一種由于流體向上流過固體顆粒堆積的床層,使得固體顆粒具有一般流體性質(zhì)的現(xiàn)象[12].本實(shí)驗(yàn)研究氣-固流化過程,圖2畫出了實(shí)驗(yàn)中4種具有代表性的流型示意圖.隨著氣流速度從零開始逐步升高,固體顆粒床層發(fā)生一系列流態(tài)變化.當(dāng)氣體通過床層的氣流速度較低時,物料顆粒靜止不動,床層高度不變,這種狀態(tài)稱為固定床.固定床壓降非常穩(wěn)定,波動極小,并且壓降隨氣流速度的增加而增加.繼續(xù)增加氣流速度,直到顆粒開始被流體吹起并懸浮于流體中作自由運(yùn)動,顆粒間相互碰撞,床層高度上升,顆粒開始進(jìn)入流化狀態(tài),相應(yīng)的速度稱為臨界流化速度umf.若繼續(xù)增加氣流速度,床層壓降幾乎保持不變,額外的流化氣體將作為氣泡進(jìn)入顆粒床層,這些氣泡在布風(fēng)板上開始形成小氣泡,之后很快合并,并且向上穿過顆粒層,引起流化床粒子的強(qiáng)烈混合[13],顆粒進(jìn)入鼓泡流化狀態(tài).若進(jìn)一步增大氣流速度,就會出現(xiàn)騰涌現(xiàn)象.通常騰涌使出口氣體含塵量加劇,氣固接觸效率和操作穩(wěn)定性降低.

圖2　氣固流態(tài)化不同階段的狀態(tài)

1.3實(shí)驗(yàn)方法及臨界流化速度理論值的計算

實(shí)驗(yàn)煤種選用煙煤,用規(guī)格分別為300,500 μm、1.0,1.4,2.0,2.8 mm的篩子篩分煤料.具體的寬篩分煤料粒度分布如表1所示.取一定量的寬篩分煤料,加入一定質(zhì)量的水,攪拌使兩者完全混合,提取煤樣將其置于45 ℃干燥箱干燥8 h來測取煤的外水,進(jìn)而求得煤中的含水率,實(shí)驗(yàn)制得含水率分別為13.7 %和17.8 %的兩種濕煤.本實(shí)驗(yàn)中煤的含水率主要指煤的外水分,因該流化實(shí)驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行,煤的內(nèi)水分不會逸出,不會對煤流化造成影響.將兩種含水率不同的濕煤倒入流化床實(shí)驗(yàn)臺中進(jìn)行流化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程中改變氣流速度,記錄不同氣流速度下的床層阻力和床層高度.

表1　寬篩分煤料的粒度分布

流化床的顆?？偸切螤罡鳟惽掖嬖谝欢ǖ牧６确植?在實(shí)際計算時要采用平均當(dāng)量直徑.對于本實(shí)驗(yàn),床層顆粒的比表面積起重要作用[14],選用比表面積平均直徑dp作為煤料平均當(dāng)量直徑的計算公式.

根據(jù)表1得到寬篩分煤料的粒度分布情況,計算得到寬篩分煤料的平均當(dāng)量直徑dp=0.82mm,如表2所示.d為粒徑.

表2　寬篩分煤料的平均當(dāng)量直徑

本文選擇了滿足實(shí)驗(yàn)條件的Wen和Yu經(jīng)驗(yàn)公式作為實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型[7],通過對其進(jìn)行重新整合，得到

(1)

由于煤料實(shí)密度ρp遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣密度ρg,因此,式(1)簡化為

(2)

由式(1)計算得到臨界流化速度的理論值umf=0.34 m/s.計算所需寬篩分煤料和氣體的物性參數(shù)如表3所示.

表3　寬篩分煤料和氣體的物性參數(shù)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1床層阻力ΔP與氣流速度u的特性曲線

床層阻力直接影響顆粒流化狀態(tài).在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中,采用床層阻力與氣流速度的關(guān)系曲線來確定臨界流化速度[15].

如圖3(a)所示,氣-固系統(tǒng)的流化狀態(tài)呈現(xiàn)固定床和流態(tài)化這2個基本狀態(tài).由圖中可直接讀出,在流化過程中,含水率13.7 %的煤料的最小流化速度umf為0.31 m/s,其床層阻力ΔP在1 970～2 060 Pa范圍內(nèi)波動.流化后煤料含水率降至12.4 %.

如圖3(b)所示,氣-固系統(tǒng)的流化狀態(tài)呈現(xiàn)固定床和流態(tài)化這2個基本狀態(tài).由圖中可直接讀出,在流化過程中,含水率17.8 %的煤料的最小流化速度umf為0.37 m/s,床層阻力ΔP在2 060～2 210 Pa范圍內(nèi)波動.流化后煤料含水率降至16.3%.與低水分(含水率為12.4%～13.7%)煤相比,高水分(含水率16.3～17.8 %)煤的臨界流化速度增加了20%.

圖3　床層阻力ΔP與氣流速度u的特性曲線

對比圖3的2條流化曲線,高水分的煤較低水分的煤達(dá)到流化狀態(tài)所需的最小流化速度增大,床層阻力增加,可見煤中水分阻礙了煤的流化.一方面,煤料表面含水量增大,粘度增大,會增加煤料運(yùn)動阻尼；另一方面,由于料層的重力作用,底部料層還會結(jié)塊,顆粒也會粘附于壁面和布風(fēng)板形成死區(qū),致使床層阻力增大,加大流化的難度,臨界流化速度增大.

2.2床層高度H與氣流速度u的特性曲線

隨著氣流速度的增大,流化床高度逐漸增加,結(jié)合ΔP-u特性曲線,H-u的特性曲線為判斷流化狀態(tài)的又一判據(jù).

如圖4所示,當(dāng)氣流速度小于0.31 m/s時,煤顆粒處于固定床階段,床層高度基本不變,隨著氣流速度的進(jìn)一步增大,床層高度開始隨氣流速度的增加不斷增高,因此,該煤料的臨界流化速度umf為0.31 m/s,與圖3(a)相符.

圖4　低水分煤料床層高度H與氣體流速u的特性曲線

實(shí)驗(yàn)未能測得高水分煤的H-u特性曲線.因?yàn)?煤料中水分過高,使顆粒粘性過大,煤料流化困難,增大氣流速度,出現(xiàn)騰涌現(xiàn)象,難以得到平穩(wěn)的流化操作狀態(tài).所以,當(dāng)煤料含水率過高時,不宜直接進(jìn)行流化，應(yīng)采用合理手段降低其含水率,再進(jìn)行流化.

3結(jié)論

通過床層阻力ΔP與氣流速度u的特性實(shí)驗(yàn)研究,可知平均粒徑為0.82 mm的寬篩分煤料的臨界流化速度范圍可確定為0.3～0.4 m/s,理論計算值為0.34 m/s.實(shí)驗(yàn)值和理論值相差不大,所以,Wen和Yu的經(jīng)驗(yàn)公式可以對內(nèi)置熱流化床煤調(diào)濕裝置內(nèi)流化煤料的臨界流化速度進(jìn)行合理預(yù)測.

結(jié)合ΔP-u和H-u特性曲線分析,若要求煤料在該實(shí)驗(yàn)裝置中得到很好的流化效果,必須保證煤料的含水率小于14 %.煤料的含水率是影響其流化行為的一個關(guān)鍵因素,含水率的增加會加大顆粒的流化難度.因此,若煤料含水率過高(大于14%),應(yīng)采用合理的手段降低煤料的含水率,再進(jìn)行流化.

綜上所述,本文對煤流動特性的研究為操作內(nèi)置熱流化床煤調(diào)濕裝置提供理論參考.

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(編輯:石瑛)

Flow Characteristics of Wet Coal in Fluidized Bed of Coal Moisture Control Device with Internal Heat

MAO Honglei,YU Hongling,YANG Dongwei,LIANG Yong,YU Hongxia

(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：Selecting bituminous coal with average particle size of 0.82 mm as bed material and investigating the influence of the moisture of coal (namely,moisture content of materials) on its flow characteristics in a fluidized bed experiment rig,the relationship curves of fluidizing velocity vs bed height and bed pressure drop were drawn and analyzed.The results show that the critical fluidizing velocity of the coal is 0.3～0.4 m/s;compared with low moisture coal material (moisture content of the coal is 12.4%～13.7%),the critical fluidizing velocity of high moisture coal material (moisture content of the coal is 16.3%～17.8%) increases by 20%,namely,high moisture content is bad for the fluidization of coal;even the slugging phenomenon a high moisture coal may appear in the process of fluidization,which worsens the fluidization.Therefore,the moisture content of coal material should be controlled under 14 %.

Keywords：coal moisture control; moisture content; flow characteristic; critical fluidizing velocity

中圖分類號：TQ 051.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：郁鴻凌(1953-),男,研究員.研究方向:熱能工程、節(jié)能技術(shù).E-mail:yuzhenyk@163.com

收稿日期：2015-08-08

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.02.007

文章編號：1007-6735(2016)02-0137-05

第一作者： 毛紅蕾(1990-),女,碩士研究生.研究方向:節(jié)能技術(shù).E-mail:maohonglei1062@sina.cn