褐煤過熱蒸汽氣流干燥過程動(dòng)力學(xué)模型研究.pdf

1、我國褐煤資源相對比較豐富，己探明的保有儲(chǔ)量就達(dá)1303億噸，占全國煤炭儲(chǔ)量的13％。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的煙煤和無煙煤等優(yōu)質(zhì)煤炭資源已被充分利用。因此，褐煤已經(jīng)成為我國能源生產(chǎn)和供應(yīng)的重要組成部分。但褐煤是煤化程度較低的煤種，具有高水分、高灰分、高揮發(fā)分、低發(fā)熱量和低灰熔點(diǎn)的特征，從而導(dǎo)致褐煤直接燃燒效率低、溫室氣體排放量大等問題。同時(shí)也造成其單位能量的運(yùn)輸成本高，不利于長途運(yùn)輸和儲(chǔ)存的缺點(diǎn)。我國褐煤的開發(fā)利用遇到了嚴(yán)重的瓶頸。褐煤

2、的利用，如液化、干餾和氣化都需要把煤中水分降至10％以下。而迄今為止，褐煤的開發(fā)利用在我國還沒有實(shí)際工業(yè)化展開。其主要原因在于缺乏一套有效的工藝和技術(shù)以滿足褐煤干燥的安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的要求。而有效的干燥工藝及其相關(guān)裝備的形成在很大程度上依賴于對其機(jī)理的深入了解和設(shè)計(jì)、技術(shù)方法的可靠。
　　 本文以極具能源戰(zhàn)略意義的褐煤作為對象，分析了褐煤的特性及國內(nèi)外褐煤干燥技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。分析表明雖然國內(nèi)外學(xué)者正積極研究開發(fā)各種褐煤干燥

3、技術(shù)和工藝，但其研究仍未取得較大的進(jìn)展，相關(guān)成果也并不充裕。尋找安全、節(jié)能、環(huán)保的先進(jìn)褐煤干燥技術(shù)及建立實(shí)用、完整、可靠的相關(guān)理論仍是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。過熱蒸汽干燥由于具有安全、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適用于褐煤的干燥。雖然一些學(xué)者針對褐煤的過熱蒸汽干燥開展了實(shí)驗(yàn)研究和模型研究，但這些研究僅處在起步階段。描述物料在干燥過程中的水分、溫度的變化規(guī)律，預(yù)測和優(yōu)化物料的干燥效果一般通過建立干燥熱、質(zhì)傳遞模型并進(jìn)行數(shù)值模擬來實(shí)現(xiàn)。目前，過熱蒸

4、汽干燥動(dòng)力學(xué)特性通常由干燥曲線的測試結(jié)果建立的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠矸从?。但這種干燥模型與干燥條件、物料特性等密切相關(guān)。而絕大部分實(shí)際干燥過程中的干燥條件卻隨時(shí)處于變化當(dāng)中?，F(xiàn)有形式的干燥模型在干燥過程計(jì)算的應(yīng)用中受到了嚴(yán)重的制約，其理論亟待補(bǔ)充、完善并使之實(shí)用化。
　　 與煙煤和無煙煤相比，褐煤在物理、化學(xué)及熱特性等方面均有所不同，而褐煤干燥過程中的熱、質(zhì)傳遞與這些特性卻密切相關(guān)。因此，本文對褐煤的物理、化學(xué)和熱特性進(jìn)行了分析，并對以儲(chǔ)

5、量較大的內(nèi)蒙古赤峰褐煤為煤樣，對其其孔徑分布、工業(yè)分析（水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳）、元素分析（C、H、O、N和S）和發(fā)熱量等進(jìn)行了測試，為褐煤過熱蒸汽干燥的工藝的選擇及其干燥理論的進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，褐煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與常見的大孔徑多孔介質(zhì)相同，其水分傳遞過程遵循多孔介質(zhì)的規(guī)律。
　　 基于褐煤的理化特性及工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，褐煤干燥提質(zhì)首先需要綜合考慮安全、能耗、水耗、環(huán)保、產(chǎn)能、運(yùn)行費(fèi)用等指標(biāo)。干燥方式的選擇對這些指

6、標(biāo)的影響是至關(guān)重要的。本文對常用的包括轉(zhuǎn)筒干燥、回轉(zhuǎn)管式干燥、流化床干燥和氣流干燥等干燥工藝進(jìn)行了分析，討論了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。鑒于氣流干燥方式結(jié)構(gòu)簡單、各種參數(shù)易于測量、易于大型化和工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，且其熱、質(zhì)傳遞過程與其它流態(tài)化干燥方式（如流化床干燥、旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥、噴霧干燥等）具有相同的特點(diǎn)和相同的數(shù)學(xué)描述。因此，本文選定氣流干燥方式作為代表性的研究對象。在同時(shí)吸收了過熱蒸汽干燥的安全、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套適用于褐煤干燥的安

7、全、節(jié)能的名為“循環(huán)分級(jí)粉碎氣流”的獨(dú)特的過熱蒸汽流態(tài)化干燥系統(tǒng)，并對其工藝技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，為中試試驗(yàn)研究和模擬研究提供了方向。
　　 為實(shí)現(xiàn)褐煤過熱蒸汽氣流干燥工藝，驗(yàn)證其工業(yè)生產(chǎn)的可行性，本文按上述設(shè)想建立了一套獨(dú)特的測試功能齊全的中試試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的處理能力為20～300kg/h，氣流管風(fēng)速為10～30m/s，進(jìn)氣溫度為400～650℃。試驗(yàn)物料選用初始含水量為30～50％、原煤平均粒徑為0～3mm的赤峰平莊褐煤。在

8、試驗(yàn)系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵位置設(shè)置了一系列的測試孔，用于測量該處的溫度、靜壓、顆粒速度、氣體流速等參數(shù)，并可通過特制的取樣裝置采集該測試孔處的物料樣品完成其水分、成分、溫度等指標(biāo)的測試。通過對顆粒的停留時(shí)間、含水量分布、氣流和顆粒的溫度分布等進(jìn)行測量，獲得了大量可用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)和理論模型驗(yàn)證的具有較高參考價(jià)值的運(yùn)行和過程參數(shù);通過對干燥管內(nèi)顆粒及氣流的運(yùn)動(dòng)特性和傳熱特性進(jìn)行了分析，掌握了大量的干燥過程參數(shù)，為下一步過熱蒸汽干燥過程的模型建立及

9、數(shù)值模擬提供了參考和驗(yàn)證依據(jù)，也為褐煤過熱蒸汽氣流干燥工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，且干燥后產(chǎn)品的品質(zhì)能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，可以應(yīng)用于實(shí)際工程的工藝選擇之中。
　　 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的褐煤過熱蒸汽氣流干燥過程預(yù)測的前提是建立精確的數(shù)學(xué)模型，以描述褐煤顆粒的含水率、溫度以及氣體的流速、溫度等參數(shù)變化規(guī)律。從本質(zhì)而言，過熱蒸汽流態(tài)化干燥過程是干燥機(jī)內(nèi)氣流與被干燥物料的動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞的耦合。在組分傳遞方面，目

10、前普遍采用的是不考慮物料顆粒內(nèi)部含水量差異的集總參數(shù)模型。雖然該模型具有形式簡單、便于工程計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于表面水分蒸發(fā)的干燥過程。而在用于以內(nèi)部水分遷移為主要因素的干燥過程的描述時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的失真。本文在分析了干燥管中褐煤顆粒和過熱蒸汽兩相流狀況的基礎(chǔ)上，利用N-S方程，采用離散相模型(Discrete Phase Model)描述顆粒行為，并先忽略褐煤顆粒的內(nèi)部傳質(zhì)阻力，建立了面向過熱蒸汽流態(tài)化干燥的基礎(chǔ)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型

11、。通過建立物理模型，進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，并確定進(jìn)口條件、出口條件和邊界條件和求解及控制條件等工作，對褐煤過熱蒸汽氣流干燥過程進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果顯示，對于褐煤過熱蒸汽干燥，忽略褐煤顆粒的內(nèi)部傳質(zhì)阻力會(huì)導(dǎo)致其干燥過程模擬的嚴(yán)重失真，對干燥動(dòng)力學(xué)理論的補(bǔ)充和完善是非常必要的。
　　 雖然國內(nèi)外學(xué)者對于如褐煤等的多孔介質(zhì)的組分傳遞進(jìn)行了大量的研究，建立了大量的干燥動(dòng)力學(xué)的理論模型。但由于這些模型的表達(dá)方式過于復(fù)雜，且其中的孔隙率分布、

12、平均空隙尺寸等仍需實(shí)驗(yàn)確定，將其應(yīng)用于實(shí)際工程計(jì)算尚需極大的研究進(jìn)展和巨大的研究努力。目前，對干燥動(dòng)力學(xué)的研究仍以實(shí)驗(yàn)的方法為主，而干燥動(dòng)力學(xué)特性主要由干燥特性曲線來體現(xiàn)。為此，本研究建立了一套獨(dú)特的可用于熱風(fēng)干燥和過熱蒸汽干燥機(jī)理研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過進(jìn)行了大量的過熱蒸汽干燥機(jī)理及其干燥曲線的實(shí)驗(yàn)研究與測試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與熱風(fēng)干燥不同，過熱蒸汽干燥存在三個(gè)階段:冷凝段，含水率增加，物料溫度同時(shí)升高;恒速段為物料顆粒表面水的蒸發(fā)過程，含水

13、率直線下降;降速段為物料內(nèi)部水分遷移至顆粒表面擴(kuò)散的過程，含水率呈指數(shù)規(guī)律下降。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了過熱蒸汽作為干燥氣流介質(zhì)的干燥動(dòng)力學(xué)特性，建立了一套能夠描述過熱蒸汽干燥全過程包括蒸汽冷凝和物料內(nèi)部傳質(zhì)阻力在內(nèi)的干燥動(dòng)力學(xué)模型，使得干燥動(dòng)力學(xué)理論更加完整和準(zhǔn)確。
　　 在上述過熱蒸汽干燥的三個(gè)明顯的干燥階段中，冷凝段和恒速段僅與物料顆粒表面水分相關(guān)，采用集總參數(shù)模型可以獲得較高的計(jì)算精度。而內(nèi)部傳質(zhì)阻力的影響主要呈現(xiàn)于

14、降速干燥段。本文對干燥動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)的分析發(fā)現(xiàn)，對于特定的物料和一定的粒徑范圍，在不同的干燥條件下，其干燥曲線具有相同的變化規(guī)律，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o量綱處理后，這些降速段的干燥曲線可為同一數(shù)學(xué)表達(dá)式。該表達(dá)式獨(dú)立于干燥條件之外?；谠撎攸c(diǎn)，為將恒定干燥條件下獲得的干燥曲線引入干燥條件處于變化中的干燥過程的計(jì)算和模擬中，本文首次提出了通用干燥動(dòng)力學(xué)模型。而運(yùn)用通用干燥動(dòng)力學(xué)模型的要點(diǎn)是:確定一定干燥條件下恒速段的干燥強(qiáng)度、臨界含水量及臨界含

15、水量隨恒速段的干燥強(qiáng)度的變化關(guān)系;以臨界含水率為節(jié)點(diǎn)，含水率大于此節(jié)點(diǎn)的干燥過程可用成熟且簡便的集總參數(shù)模型進(jìn)行描述，而進(jìn)入降速干燥段后，干燥過程則運(yùn)用通用干燥模型進(jìn)行預(yù)測。
　　 為褐煤過熱蒸汽氣流干燥過程進(jìn)行預(yù)測，并對褐煤干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，本文在建立了上述基礎(chǔ)流體力學(xué)計(jì)算模型和過熱蒸汽干燥動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了針對以氣流干燥為代表的褐煤過熱蒸汽流態(tài)化干燥過程的CFD模型，并進(jìn)行了模擬。與中試試驗(yàn)結(jié)果比較顯示該模型滿足工程