基于某礦余熱利用的低溫煤泥干燥系統(tǒng)設計與應用

陳 路，胡文全，張昌建，劉小溪

（1.泰山科學技術研究院，山東 泰安 271000；2.河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院，河北 邯鄲 056000；3.河北省暖通空調創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056000）

煤泥作為煤炭生產過程中的副產物，因其中灰分含量不同，熱值在1 200～1 800 kcal/kg 左右，有一定的利用價值[1]。因具有水分大、灰分高和粘度大的特點，難以直接利用[2]。燃燒利用作為最有效的煤泥利用方式，卻因為其過高的含水量（約30%）受到阻礙[3]，濕煤泥直接燃燒過程中會出現(xiàn)凝聚結團現(xiàn)象，影響鍋爐運行[4]。目前一般采用煤泥干燥技術將煤泥中的水分下降至15%左右后方可用于燃燒。

目前常見的煤泥熱傳遞法干燥技術包括以熱風爐作為熱源的煙氣干燥技術和以電廠余熱蒸汽作為熱源的低溫干燥技術。熱風爐干燥系統(tǒng)系統(tǒng)簡單，維護成本低，在傳統(tǒng)工藝中被廣泛應用[5]。蒸汽干燥技術因其節(jié)約能源，相對安全且污染較少，近年來得到推廣應用[6]。然而蒸汽干燥系統(tǒng)干燥煤泥后的排氣為80℃以上的高濕氣體，仍有回收利用價值。若將這部分余熱回收，建造煤泥干燥子系統(tǒng)，可在不附加額外熱源的前提下，提高能源利用效率，增加干燥系統(tǒng)產量，進一步帶來經濟和環(huán)境效益。

本文依托某洗煤廠蒸汽回轉煤泥干燥系統(tǒng)，設計了以原有煤泥干燥系統(tǒng)排氣余熱作為熱源的余熱回收煤泥干燥系統(tǒng)。

1 某洗煤廠煤泥處理現(xiàn)狀

某煤礦洗選廠目前存在兩個問題：

（1）煤泥干燥處理能力無法滿足濕煤泥產量需求。濕煤泥產量為30 t/h，現(xiàn)有煤泥干燥系統(tǒng)處理能力為20 t/h，仍有煤泥10 t/h 需要處理。

（2）煤泥處理后的乏氣余熱被浪費。目前的煤泥干燥系統(tǒng)為蒸汽回轉干燥系統(tǒng)，以發(fā)電廠產生的160℃蒸汽作為熱源用于煤泥干燥。蒸汽與煤泥進行熱濕交換后成為溫度80～85℃、濕度90%的氣體排入大氣中。

若將乏氣中的熱能提取，將室外空氣加熱用于干燥煤泥，處理剩余10 t/h 的煤泥，可在不附加額外熱源的同時，解決產能不足的問題，帶來較高的經濟效益。

2 煤泥樣品實驗分析

為確保煤泥干燥效果，從某洗煤廠獲取樣品，進行了煤泥干燥實驗。

在送檢煤泥樣品的上表面、中心、底部各取約5 g泥樣（至少3 個平行樣），用含水率測試儀測試，結果見表1。

表1 煤泥樣品含水率

在實驗用污泥成型機上，對送檢煤泥采用6×6 mm2、10×10 mm2切槽進行成型測試，其中，經6×6 mm2切槽手動進樣，小顆粒較少，成型后易斷裂成約4～8 cm長的條狀，不易松散，成型、斷裂后不會重新黏連；經10×10 mm2切槽手動進樣，小顆粒較少，成型后易斷裂成約4～6 cm 長的條狀，不易松散，成型、斷裂后不會重新黏連。如圖1 所示。

圖1 煤泥樣品成型

采用小型低溫干化試驗設備（JKFF-60）對送檢污泥進行蒸發(fā)效率測試，每隔1 min 取樣檢測含水率變化情況。

送風溫度65℃，濕度20%。運行5 min 后，6×6 mm2樣品含水率為20.63%，10×10 mm2樣品含水率為22.43%；運行10 min 后，6×6 mm2樣品含水率為13.37%，10×10 mm2樣品含水率為16.58%，煤泥含水率與干化時間關系如圖2 所示。

圖2 煤泥含水率與干化時間關系圖

可知6×6 mm2煤泥樣品可滿足產品要求，本系統(tǒng)煤泥具有良好的可行性。

同時，實驗發(fā)現(xiàn)，干化過程中隨著含水率不斷降低，泥條會逐漸變硬且易斷裂，當風速高于1.5 m/s 時，斷裂泥條易產生粉塵。

3 熱能計算

干燥煤泥所需熱量，煤泥初始溫度30℃，含水率28%（樣品測試含水率為27.65%），產品溫度60℃，含水率14%（樣品測試含水率為14.3%）。

3.1 顯熱量計算

每千克煤泥由30℃加熱至60℃所需的熱量QX可由公式（1）計算：

其中Q1為煤泥中固體成分所需的熱量，Q2為殘余水分所需的熱量。

Q1=c1m1（t2-t1）=1.3 kJ/kg·℃×0.72 kg×（60℃-30℃）=28.08 kJ，

Q2=c2m2（t2-t1）=4.2 kJ/kg·℃×0.14 kg×（60℃-30℃）=17.64 kJ，

其中c1為煤泥比熱，1.3 kJ/kg·℃；m1為每千克煤泥中固體成分的質量，0.72 kg；c2為水的比熱，4.2 kJ/kg·℃；m2為每千克煤泥中固體成分的質量，0.14 kg；t1為煤泥初始溫度，30℃；t2為產品溫度，60℃。

故QX=45.72 kJ。

3.2 潛熱量計算

每千克煤泥中蒸發(fā)14%的水分所需的熱量Qq可由公式（2）計算：

其中：m 為蒸發(fā)水分的質量，0.14 kg；r 為1 個標準大氣壓下每千克水的汽化潛熱，2 257.6 kJ/kg。

3.3 總熱量計算

烘干每千克煤泥所需的熱量Q=QX+Qq=361.78 kJ。

剩余煤泥總量為10 t/h，所需熱量為10 t/h×361.78 kJ=1004.9 kW。考慮到系統(tǒng)的熱量損失，增加10%的富余量，為1 105.4 kW。

4 余熱回收干燥系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)原理

在低溫蒸汽回轉干燥室排風管道上開設支路，將80℃的高濕廢氣引入熱管換熱設備，與低溫低濕的新鮮空氣換熱，使其溫度降低到65℃，再回到原有的除塵系統(tǒng)。

同時，新鮮空氣被加熱到60～65℃，均勻輸送至干燥室，與煤泥充分進行熱濕交換，使煤泥中的水分降低至14%以下，滿足出料要求。最后將用于干燥煤泥的空氣經除塵器除塵后排入大氣。

相比于一般換熱裝置，熱管換熱器換熱效率更高，傳播過程更快，熱能損耗更小，占用設備空間也只有一般換熱器的1/3[7-8]。利用熱管相變技術回收原有煤泥烘干系統(tǒng)的余熱再次用于煤泥烘干，可以大大提高能源的利用效率，其系統(tǒng)原理圖，如圖3 所示。

圖3 余熱回收干燥系統(tǒng)原理圖

4.2 烘干系統(tǒng)布置

4.2.1 煤泥烘干室

烘干室是整個系統(tǒng)的核心設備，關系到整個系統(tǒng)的成功與否，本次選用烘干室一臺，尺寸22 m×2 m×3 m，三層布置，運行時煤泥從一端進入，烘干后從另一端輸出，如圖4 所示。

圖4 煤泥烘干室

煤泥由頂部送入，底部送出，烘干熱風由底部進入，頂部送出，逆流干燥。風速控制在1.5 m/s 以下，防止煤泥烘干時有揚塵產生。采用引風機，設置在烘干室頂部。相比鼓風機，引風機的優(yōu)勢在于：

（1）使烘干室內保持微負壓，利于煤泥內部水分蒸發(fā)；

（2）保障烘干室內空氣流速分布均勻。

4.2.2 煤泥輸送系統(tǒng)

從原有煤泥輸送皮帶，利用刮板裝置將煤泥分流到無軸式輸料機，然后送至干燥設備的濕泥緩沖儲存槽，再將煤泥輸送至干燥室均料斗。用均料機壓成6×6 mm2的條狀煤餅，進入烘干房輸送網帶，經過三層輸送網帶，最后從烘干室另一端出料，成品接入出料倉，通過有軸式螺旋輸送機，導入原有出料系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖5 煤泥輸送系統(tǒng)示意圖

4.3 余熱回收系統(tǒng)參數(shù)設計

4.3.1 熱量參數(shù)設計

某洗煤廠蒸汽回轉干燥系統(tǒng)排氣溫度80℃，濕度90%，經過余熱回收后，溫度35℃，濕度95%。回收的熱量為2 506 kW。考慮到系統(tǒng)10%的熱損失，熱管換熱器換熱后可得到的熱量為2 255 kW，考慮到熱管換熱器的熱效率為65%，熱管換熱器換熱后可得到的熱量為1 466 kW，考慮干燥室5%的熱損失，用于烘干煤泥的熱量為1 392 kW，大于烘干10 t 煤泥需要的總熱量1 105.4 kW，可滿足需求。

故選用換熱量1 500 kW 的熱管換熱器。

4.3.2 風量參數(shù)設計

熱管干燥風量夏季至少需要：1105.4/（60-30）/1.01/1.2*3600=109445 m3/h，才可以滿足脫水要求，漏風損失10%，所需風量為120 390 m3/h。

新風風機選型：選5 臺高壓風機，風量為30 000 m3/h，風壓為1 500 Pa。

增壓風機選型：選取1臺，風量150 000～180 000 m3/h，風壓為560 Pa。

5 投資概算

（1）設備投資：包括逆流烘干室、熱管換熱器、風機、煤泥輸送裝置、配電箱以及PLC 等，合計318 萬元。

（2）基建投資：包括設備基礎、鋼結構等，合計88萬元。

（3）施工費用：包括原有系統(tǒng)改造、管道、設備和電氣安裝等，合計135 萬元。

（4）總計541 萬元。

6 經濟效益分析

6.1 原系統(tǒng)運行費用

某洗煤廠煤泥烘干系統(tǒng)運行費用為55 元/t。每年按330 d 計算，負荷百分數(shù)按70%，烘干10 t 煤泥的運行費用：55*10*24*330*0.7=305 萬元。

6.2 本系統(tǒng)運行費用

若采用本系統(tǒng)，額外設置的輸料系統(tǒng)、干燥室和風機總電功率為150 kW，電費按0.6 元/kW·h 計算，每年運行費用：24*330*150*0.6=71.3 萬元。折合每噸煤泥運行費用為13 元。

6.3 系統(tǒng)節(jié)能收益

每年實際節(jié)約費用：305-71.3=233.7 萬元。采用本系統(tǒng)不僅可處理剩余煤泥，且單位產量成本比原有系統(tǒng)更低，說明本系統(tǒng)在經濟方面是可行的。

6.4 經濟回收期

系統(tǒng)投資541 萬元，每年節(jié)能收益233.7 萬元，經濟回收期為2.3 年。

7 結論

（1）回收蒸汽烘干系統(tǒng)排氣余熱用于煤泥干燥是可行的。

（2）本系統(tǒng)作為蒸汽烘干系統(tǒng)的子系統(tǒng)，無須額外熱源即可運行，提高了能量利用效率。

（3）相較于低溫蒸汽烘干系統(tǒng)，本系統(tǒng)每烘干1 t煤泥的運行成本降低了76%，若某煤礦采用本系統(tǒng)，每年可節(jié)約運行費用233.7 萬元。經濟回收期2.3 年。