煤炭干燥系统优化研究

根据空气重介流化床干法选煤对入选原煤水分的控制要求，结合50~6mm粒级煤粒的粒度组成特性和水分分布特性，通过小试及中间试验，研究开发了振动穿流床煤炭干燥新方法，其工作原理是：在激振器的作用下，薄层煤炭在布风板上从入料端快速地移向出料端，热气流自下而上穿过布风板和煤层，与煤粒发生强烈的热质交换，使煤粒的表面自由水快速蒸发。该方法具有快速、均匀干燥和煤粒本身吸热少的特性。为使干燥费用低，本文讨论该干燥方法的系统优化问题。
1部分废气循环干燥系统煤炭干燥的热源采用燃煤炉。燃煤炉的炉膛出口温度通常在800°C左右，而干燥机进气温度为450e左右，因而炉子出口热烟气需要掺入大量冷空气使热烟温度降至干燥机所需进气温度。与洗精煤相比，50~6mm原煤水分低，干燥过程中吨煤脱水量少，热气流经过干燥机后湿不大，排出干燥机的废气尚有较强的干燥能力，因此，将温度较高、湿度较小的部分废气循环到炉子出口，替代冷空气与热烟气混期§介日项简稿金者收基作杨国华等：煤炭干燥系统优化研宄合，构成部分废气循环干燥系统。与无废气循环系统相比，部分废气循环干燥系统有如下特点：①提高了系统热效率，降低了燃料费用；②循环废气从第2级除尘器前抽出，减少第2级除尘器的废气处理量及系统电耗；③废气代替冷空气与炉子出口的热烟混合，可降低干燥系统内氧气浓度，提高干燥系统的防爆安全性。但循环废气携带大量水汽，使干燥机进气湿度大，干燥过程传热传质推动力下降，干燥速率降低，使干燥吨煤所需气流量大，设备尺寸和投资费用大，影响干燥经济性。因此部分废气循环干燥系统需要优化。
2干燥系统优化模型2.1优化目标干燥系统的经济性涉及到投资费用和运行费用，为使问题简化，引入系统热效率、面积干燥强度和介质干燥强度3个概念来表征干燥系统的各项费用。
（1）干燥系统热效率Gs定义为用于水分蒸发的热量Qh2与从燃烧炉所取热量Qo之比，即=Qh2/Q干燥系统热效率反映干燥系统热能利用水平。系统热效率与燃料费之间的关系为ciq/Gs，其中Zr为干燥1kg煤（干基）所需燃料费，元/kg；q为每kJ热量燃料费，元/kJ；q为1kg煤（干基）干燥蒸发热，kJ/kg.（2）面积干燥强度指单位时间单位床面积的干燥处理量，即ma=（Hx1-3/Ts，其中ma为单位时间单位床面积的干燥处理量，kg/（m2s）；P为煤层密度，kg/m3；Ho为煤层厚度，mm；Ts为特征干燥时间，s，指将煤的表面自由水含量干燥到每kg干煤只含10g水所需要的干燥时间。
面积干燥强度可间接反映干燥机投资费用的大小。通常干燥机的投资费用随着干燥机尺寸的大而大，床面积越大，投资费用也越大。干燥机费用与面积干燥强度的关系为Zgt=c2/ma，其中Zgt为干燥机干燥lkg煤所需投资折旧费用，元/kg；C2为干燥机单位床面积的投资折旧系数，元/（m2s）。
（3）介质干燥强度指每kg热气流的干燥处理量，即mc=p/x1-3/TsG，其中为1kg热气流干燥煤量，kgg；G为干燥机进口热气流质量流量，kg/（m2s）。
干燥系统的电耗主要是循环风机和引风机电耗。风机的运转电费与风量和风压之积成正比，因此干燥系统的运转电费与介质干燥强度的关系Zc=得Gsmax比无废气循环时的Gsmi高出3.8个百分点，若燃烧炉燃烧效率按85计，可节约燃料6.39. 4.2R与ma和mc的关系如所示，图中虚线表示R与ma的关系，实线表示R与mc的关系。曲线1，2、曲线3，4、曲线5，6、曲线7，8的干燥条件分别与中曲线1~ 4相同。由干燥系统热效率与废气循环比的关系可见，面积干燥强度ma和介质干燥强度mc都随废气循环比的大而降低，这是因为循环废气带回一些水汽，使干燥机进气湿度和湿球温度大，例如，对应中曲线1的干燥条件，当废气循环比R由0变为0.5时，干燥机进气湿度由0.0219kg/kg变为0.1603kg/kg，进气湿球温度由61.7*C变为73. 0*C，废气湿2815kg/kg，导致干燥过程传热传质推动力下降，干燥速率降低，使干燥吨煤所需气流量大，导致面积干燥强度ma和介质干燥强度mc降低，但降低幅度并不大，在所有所示的条件下，ma和mc的降低幅度都在3以内。介质干燥强度的降低，意味着流经干燥系统各设备的气流量加，使各设备尺寸和投资费用略有加。但要指出的是，由于废气大量循环，投资较大的第2级除尘器的尺寸反而可大幅度减小，干燥系统总投资费用将可能随R的大而下降。此外，介质干燥强度的降低，虽然使流经引风机和循环风机的总气流量略有加，但由于循环废气不需要克服第2级除尘器的阻力，两台风机的总电耗将随R的加而降低，对此，4.3R与Zc的关系下面结合R与Zc的关系作进一步讨论。
考虑到引风机和循环风机均为离心风机，费用C3和C4可视为相同，即费为由式（14）可得则两台风机的总电由前述耦联方程组的求解结果可知，对于不同的干燥条件及R，m/mc均在1.01~1.03小范围变化，0.375R，即系统运行电费随R呈线性降低，如R=0. 45，运行电耗可减少16.88. 5结引入系统热效率、面积干燥强度、介质干燥强度，表征干燥系统各项费用，构建干燥系统总费用小的优化模型，为干燥系统优化设计提供了定量分析方法。
采用部分废气循环可以提高干燥系统燃料费6以上，节约运行电费16以上。