熱管熱泵一體化低溫煤泥干燥系統關鍵設備技術研發

劉昌豪，史樹君

（1.國能朗新明環保科技有限公司，北京 100039；2.北京中科天一環境技術有限公司，北京 100044）

煤泥是煤炭生產過程中的一種伴生固廢產品，粒度細、含微粒多、持水性強、含水分多。全國每年的煤泥存量高達3 億t 以上，大量堆積在洗煤廠內，煤泥經過壓濾機壓濾后仍然含水30%左右，煤泥中的水分每降低1%，發熱量就可提高1.4%以上，低灰煤泥水分在12%以下，發熱量可達20.934×103kJ/kg 以上，符合電煤用戶需求，可摻入電煤中混合銷售，產品價格高，可提高經濟效益。煤泥干燥后有利于儲存、運輸，并有效提高了熱值，可實現完全燃燒，便于后期資源化，煤泥中普遍水分較高，目前煤泥干化處理方法普遍采用燃煤鍋爐煙氣余熱利用法、燃煤鍋爐動力蒸汽干化法和尾煤（煤漿）加壓壓濾法等3 種方法。當前，國內外均未檢索到類似本項目熱管技術相關方面的研究。傳統的煤泥干化過程中，存在污水、灰塵、場地嚴重污染的問題，處理工藝難度大、不連續、勞動強度大、運行成本高、能量消耗大。同時由于干化溫度較高，還容易引起煤泥的自燃等現象，存在安全隱患。

利用熱泵技術進行低溫干化方法具有一定節能功效，干化過程中排出的乏汽中存在非常巨大的潛能，如果采用熱管熱泵一體化新技術就能夠深入且有序地回收利用這些潛能來產生更高的能效。熱管熱泵一體化低溫煤泥干化技術是創新專利技術，優勢為能耗低、無污染，通過熱管熱泵一體化回收尾部乏氣余熱，用于預熱新風及為低溫煤泥烘干用熱泵機組蒸發器提供熱源，系統只需要少量的電能即可實現煤泥烘干，二次粉塵污染少，經濟成本和運行管理上具有優勢，烘干后的煤泥含水率符合要求。采用熱管熱泵一體化技術，開發低溫煤泥干化系統，形成關鍵技術，解決行業共性難題。通過熱管技術深度利用乏汽，主動、有序、定額地形成2 種可利用能源， 通過熱管熱泵技術回收利用礦井回風中的熱量，既可以解決進風井井口防凍的問題，又可以節約能源，減少環境污染[1]。此技術不僅可以運用在煤炭行業的固液廢棄區的有效處理領域，也可以拓展到多個能耗大、固液干化的行業和領域，具有共性和普適性。

1 課題重點研究方向

1.1 煤泥干燥后性能指標

提出煤泥干燥后的產品性能指標，對干燥設備系統進行工況調節。一是研究干燥系統工況調節參數對末煤產品含水率的影響；二是末煤產品含水率與熱值之間的關系；三是開展末煤產品燃燒特性研究，包括自燃、回吸、粉塵等特性；四是評估含水率等性能指標對后續儲運的影響；五是干燥系統熱管設備結構及有關參數。

1.2 主要集成系統研究

超導熱管是依靠其內部工質在一個抽成一定真空的封閉殼體中循環相變而傳遞熱量的裝置[2]。研究低溫煤泥干燥理論，解決煤泥低溫干燥換熱計算，熱平衡計算、流體輸配計算，開發熱管熱泵一體化技術，低溫煤泥干燥設備布置及設備制造技術，干燥過程煤泥粉碎、粉塵處理等技術，最終研發熱管熱泵一體化煤泥樣機一套并應于與示范項目。一是濕煤泥低溫（60～70 ℃）螺旋干燥多物理場耦合傳熱、傳質技術研究；二是60～70 ℃干燥熱介質的低能耗獲取技術研究；三是熱管熱泵一體化低溫熱管熱回收傳熱傳質耦合技術研究；四是熱管熱泵一體化技術研究。

2 技術工藝方案

2.1 煤泥干化系統

搭建靜態煤泥烘干實驗系統，找出風溫、風量、初始含濕量等對煤泥最優烘干工藝參數的影響，涉及烘干時間、烘干速率和出口含濕熱風的運行結果。了解煤泥的成型特性、干燥速率、能耗指標及干燥后的低位熱值，為煤泥低溫干化系統的設計提供依據。項目申請在前期小試實驗的基礎上，創新性地提出一種以熱泵主動能源提升能量品位、熱管熱泵一體化深度余熱利用、高效液-氣換熱以及自動控制反饋的耦合協同技術系統。

新型的超低能耗低溫煤泥干化系統如圖1 所示，煤泥低溫烘干工藝流程涉及到智能控制系統、高溫熱風循環系統、低溫預熱熱風循環系統、熱泵系統以及輔助的風機和泵等。

圖1 超低能耗低溫煤泥干化系統

2.2 主要設備選型情況

熱管熱泵一體化深度余熱利用換熱系統是將從煤泥低溫干燥器中排出的含濕熱風作為熱源，供應給兩路流體。一是預熱低溫空氣，尤其是冬季的寒冷空氣，可以最大程度地節約空氣在高溫空氣換熱系統的能耗；二是持續產生供應給蒸發器的低溫熱源，并大量儲存在低溫儲熱系統中[3]。在夏季，供應給煤泥低溫干燥器的空氣溫度較高，熱管熱泵一體化換熱系統的氣-氣換熱可以關閉，直接進入高溫空氣換熱系統，產生高溫熱風，輸送到煤泥低溫烘干器中。例如，規模為50 000～80 000 t/年的示范運行項目主要設備選型如表1 所示。

表1 主要設備選型表

2.3 烘干爐高能效比優化設計

2.3.1 濕煤泥多物理場耦合傳熱技術

初始入口的含濕煤泥溫度低，對應此時的傳質能力低，本項目提出大風量含濕介質高效傳熱提升煤泥主體溫度的思路。強化風場與煤泥的流動、傳熱，提升風場與煤泥的對流換熱能力，增大傳熱溫差，利用煤泥自身的多孔介質擴展傳熱面積的特性，主動利用場系統理論，實現煤泥在入口附近段的快速提溫目的。

實驗研究風量、風溫及其含濕量，風場等對低溫煤泥的升溫效應。建立多物理場耦合傳熱模型，理論分析多個獨立參數對煤泥升溫效應的影響，并進行數值仿真和實際效果驗證。歸納無因次關聯準則，形成具有借鑒意義的經驗公式。借助實驗定量測試結果，將它作為理論計算的初始邊界條件，進行系統優化，分析出關鍵影響因素以及影響程度。

2.3.2 高脫濕煤泥熱質傳遞優化

較高溫度的含濕煤泥與較高溫度、含濕量低的熱介質接觸，具有較大的傳質能力，能夠實現高脫濕率，換熱在軸向方向上溫度變化比較大[4]。實驗研究風速、風溫、初始含濕率等獨立物理量對較高溫度的含濕煤泥在移動速率的作用下的脫濕率影響。歸納實驗定量數據，形成具有借鑒意義的傳質擴散經驗關聯式。建立風場、風溫及初始含濕率，含速度平移的較高溫度的含濕煤泥，煤泥的多孔效應等多物理量場的耦合傳質模型，依據動網格、多孔介質模型、傳熱傳質模型，分析多物理量場的耦合關聯效應，數值仿真，優化各個物理量場的關聯性和貢獻率。

2.3.3 脫濕升溫同步一體化干燥模型

針對煤泥低溫干燥系統的烘干爐結構及其實際處理能力和外界輸入輸出條件，基于風場、煤泥輸運、脫濕等流動、傳熱、傳質、動邊界的干燥模型微分方程，根據進出口邊界條件和初始狀態，數值仿真，獲得本項目中的含濕煤泥低溫干燥的多因次關聯準則。

在此基礎上，通過對實際含濕煤泥低溫干燥系統的運行參數進行驗證，最終實現對其的運行和推廣。

2.4 熱風爐介質的低能耗優化技術

2.4.1 熱管熱泵一體化傳熱傳質耦合傳遞模型及優化

含濕煤泥低溫干燥爐排出的含濕熱風，風溫不高，含濕量適中，風量大，但潛在的能量較大，回收意義較大，回熱難度較大。本項目創新性地設計了一種熱管熱泵一體化系統，是能將大量無用的低溫熱能變為有用的高溫熱能的新型、節能環保型節能技術[4]。也實現了熱泵從蒸發器處吸收低溫熱源的必須能量。更為重要的是降低了脫濕介質的初始含濕量，增強了脫濕能力。

創新性設計的一體化蒸發器是一種熱管熱泵一體化耦合傳熱模型（1 個熱源，2 個冷源），同時，對于熱源側，針對排風側的含濕量，存在著傳質過程。熱源在二側冷源同時作用下的傳熱、傳質的耦合傳遞過程中還伴隨著壓降的損失。3 種流體介質相互傳熱過程的耦合關聯需要通過實驗方法獲得定量宏觀參數的傳熱關系和壓降關系。并在實驗測量的基礎上，建立宏觀的熱管熱泵一體化傳熱模型和理論方程，數值求解，獲得經驗關聯式。分析熱管熱泵一體化耦合傳熱模型的系統最優解作為存在能量利用最大化的參考和佐證。

2.4.2 熱管熱泵一體化的高溫低濕系統

技術的核心設備是新型熱管換熱裝置[5]。應用熱管技術對含濕空氣的顯熱、潛熱進行回收，使熱泵蒸發器內的低溫低壓液態工質受熱蒸發，吸收了熱泵蒸發器端的低溫熱源；同時，熱泵系統內的低溫冷媒使得含濕空氣內的蒸汽大量冷凝，除濕效果明顯。熱管換熱器的冷端吸收了含濕空氣的能量，對經過除濕的空氣進行高效回熱，提升溫度后輸送到熱泵系統的冷凝端加熱升溫，成為高溫低濕熱介質，用于含濕煤泥低溫干燥的傳熱、傳質驅動力。本系統巧妙地將熱管技術應用到熱泵系統中，形成了一種熱管熱泵一體化的高溫低濕系統，實現無動力功率加載保護恒溫熱源[6]，系統結構緊湊，傳熱能力高效，運行安全可靠，是煤炭行業低碳發展的一種有效途徑[7]。

熱管熱泵一體化高溫低濕系統是根據實際運行工況定制的設備，因此需要首先建立熱管熱泵一體化高溫低濕系統模型；然后數值仿真，獲得每個分器件的進出口參數和幾何布局；再組建成系統運行。運行工況是對設計工況的反演和驗證。通過實際測量數據，進一步完善熱管熱泵一體化的高溫低濕系統，形成煤炭領域的核心系統和關鍵設備。

2.4.3 高溫低濕熱介質的低能耗獲取技術的運行評價

高溫低濕熱介質的低能耗獲取技術，直接表觀為熱管熱泵一體化的高溫低濕系統。其實際運行受到一年四季氣候條件的影響，同時也受到含濕煤泥的成分、含水率以及干燥爐的保溫等條件的影響，因此需要建立一個預測該技術的評價模型。本項目擬從宏觀的能量守恒、物料平衡、組分守恒等方程入手，結合對流干燥技術的微分方程，構建運行評價模型，分析四季變化時的影響因素和權重，加以改進和優化。高溫低濕熱介質的獲取系統實際運行的結果佐證了運行評價機制；模型中存在不合理的地方可以進行修正和完善，從而真正形成有指導價值的評價體系。該技術節能、經濟、環境和社會效益顯著[8]。

3 建立系統模型

3.1 主要設備性能參數選擇

搭建靜態煤泥烘干實驗系統，找出風溫、風量、初始含濕量等對煤泥最優烘干工藝參數的影響。煤泥低溫干化系統的烘干爐，除了設備機械結構之外，更主要的是系統的運行參數，包括煤泥運行時的溫度，在該溫度下進行的傳熱、傳質的耦合過程[5]。同時，最優化的風溫、風量、含濕量也需要進行實驗探索和理論推導。確定以下數值：干燥設備的尺寸、干燥介質和被干燥物料進出口的參數值、干燥介質和熱量的需求量。在此基礎上，確定熱交換器、風機、除塵器以及各種預處理設備等輔助設備的性能參數。熱管以環保型氟利昂為導熱介質，以碳鋼鋼管加鋁翅片為結構的熱管裝置[9]。

在干燥設備設計中涉及的最重要參數如圖2所示，干燥器的形式已選定，通常已知下列數據：①以絕干物料計的產量Gs；②物料的進、出口濕比例x1、x2；③物料的進、出口溫度Tm1、Tm2；④干燥空氣進入干燥器的濕度y1。圖2 中，所有帶*的參數均為未知數。

圖2 干燥過程計算的基本參數和準則

干燥器的設計在選定了“目標函數”后，是一個復雜的選優過程。目的是求出主要參數的最佳值，如單位產品的干燥價格為最低等，也可采用多目標優化方法。在實踐中，常因假設了某些參數而忽略了優化，這些參數為氣流速度、進口氣體溫度、干燥介質（空氣）氣體流量等。干燥器的設計過程通常包括下列計算步驟：由熱、質衡算確定出口干燥介質（空氣）的溫度和濕度；由干燥介質（空氣）的進出口溫濕度、被干燥物料的溫濕度及其他有關參數確定干燥操作的平均推動力；確定熱量、質量傳遞系數；以傳熱、傳質動力學方程為基礎確定傳熱傳遞面積，并進而確定干燥器操作室的尺寸。

在干燥曲線基礎上直接計算時，采用實驗時的參數值做放大的設計步驟與上述步驟不同，其較為簡單。干燥過程的能量消耗對干燥室的設計和操作影響很大，有多種技術經濟指標可作為依據。

將分離式熱管換熱系統吸熱部分和放熱部分按單元逆流布置，各單元換熱互不干擾[10]。

3.2 能量平衡校核

在對干燥器的各個物性參數和運行參數分析后，進行熱管熱泵一體化換熱器的能量深度回收利用的平衡分析，如圖3 所示。

圖3 總能量利用系統示意過程

熱管熱泵一體化換熱器在整個系統中起到兩重作用：一是深度回收干燥器的余熱，作為進入干燥器內干空氣的第一級預熱器；二是最大程度地除濕，通過熱泵系統的低溫熱源的本身特點，將含濕空氣中的濕汽冷凝下來。將大量不能直接利用的低溫熱能轉變為有用高溫熱能的裝置[11]。

由于熱管熱泵一體化換熱器的特殊換熱方式，熱泵的能效比COP 將增大到4.0 左右，而且熱泵的使用壽命、穩定性得到加強。熱管熱泵一體化換熱器不同于傳統的分離式熱管換熱器復合空氣源熱泵的工作原理，結構設計和位置布置簡單靈活[12]。具體表現為：分離式熱管從蒸發段到冷凝段的溫度是單一的，不同于熱管換熱器每一排具有一個蒸發溫度，導致換熱效果不佳；當蒸發溫度確定時，含濕空氣最大降溫應該是蒸發溫度以上5 ℃左右，此時，還需要兼顧到低溫空氣被加熱的效果，冷流體被加熱的溫度最高為蒸發器溫度以下5 ℃[6]。這樣，采用分離式熱管的弊端就出來了，含濕空氣降溫降不下來，冷流體升溫升不上去。

熱管熱泵一體化換熱器流克服了這個弊端，它采用熱管式逆流換熱操作方式，冷流體能得到高效預熱，含濕熱流體能高效降溫。分離式熱管換熱器與熱泵的組合難以保證預熱和低溫熱源的能量配合關系。分離式熱管單獨成系統，難以精確把握對含濕空氣的溫度控制，實現第一級能量回收；在第二級能量深度利用過程中，受熱泵蒸發溫度的影響。熱管熱泵一體化換熱器的另一個好處在于，可以靈活調配預熱負荷跟熱泵熱源之間的比例關系。

4 結束語

煤泥是煤炭行業的伴生產品，存在污水、固廢堆積、環境污染等嚴重的環保難題，對其進行處理則需要投入大量的初始設備、場地，隨后需要連續不斷的運行費用。煤泥經過熱管熱泵一體化技術干化后，煤泥的低位熱值得到了提高，能夠產生適當的經濟附加值，既能徹底解決環保難題，又能給企業帶來良好的經濟和社會效益，可為中國煤炭能源高效、綠色利用提供借鑒，實現全國范圍內的產業化推廣。

技術依據傳熱、傳質原理，采用低溫高效熱泵技術和低溫熱管技術、對流烘干原理和技術，形成具有連續自動運行的、深度余熱利用的熱管熱泵一體化利用的含濕煤泥烘干系統。熱泵系統低溫熱源連續、穩定可靠；熱管回熱系統能夠實現預熱、除濕集熱一體化，實現深度能源利用，大幅降低運行成本。低溫干燥杜絕了煤粉爆炸的可能性；降低了對環境、操作人員的危險性程度。含濕煤泥的高能效比，可以極大地降低含濕煤泥低溫干燥的運行成本，節約能源，使得煤炭行業的尾廢物料變廢為寶真正成為可能。高能效比的含濕煤泥低溫干燥技術為煤炭清潔、高效利用提供了技術支撐。課題創新性地提出了一種熱管熱泵一體化的高效高溫低濕熱介質獲取系統，并應用于含濕煤泥的低溫烘干領域，既解決了煤泥對環境的污染和破壞，又體現了含濕煤泥的市場化價值，綜合效益顯著。這種具有能源利用率高、結構緊湊的熱管熱泵一體化系統，能夠提升中國煤炭干燥技術在國際上的學術地位，同時也能贏得國際市場占有率。