劉　波,李自光,達昀峰(長沙理工大學汽車與機械工程學院,湖南長沙　410076)

煤轉氣攪拌設備干燥滾筒熱力學分析

劉波,李自光,達昀峰
(長沙理工大學汽車與機械工程學院,湖南長沙410076)

闡述了煤轉氣瀝青攪拌設備干燥滾筒的結構特點及煤氣化技術,通過對煤轉氣瀝青攪拌設備干燥滾筒的熱力學分析,得出干燥滾筒熱效率、熱平衡計算過程;結合實際生產,以600型瀝青攪拌設備為例,分析了影響干燥滾筒熱效率的主要因素,為煤轉氣瀝青攪拌設備干燥滾筒的熱能利用、結構優(yōu)化提供參考.

煤轉氣;干燥滾筒;熱力學分析;熱效率

0　引　言

隨著公路建設的發(fā)展,瀝青混凝土攪拌設備產量不斷增加,同時人們對瀝青混合料的質量以及節(jié)能環(huán)保的要求也越來越高.干燥滾筒作為瀝青混凝土攪拌設備烘干加熱系統(tǒng)的核心結構,能耗和污染物排放量最大,其熱能利用效率直接影響設備的生產成本、干燥能力、骨料加熱質量[1].本文對干燥滾筒進行熱力學分析,結合煤氣化技術確定干燥滾筒多個階段的燃燒熱量,從而得出干燥滾筒的熱效率,并采取有效措施提高其熱交換能力,減少環(huán)境污染.

1　煤轉氣攪拌設備干燥滾筒結構分析

1.1煤氣化原理

煤轉氣瀝青攪拌設備是將傳統(tǒng)攪拌設備的燃煤型燃燒器或重油燃燒器改裝成煤氣燃燒器,在原有的基礎上加裝一個煤氣發(fā)生裝置,將原來的燃油或燃煤變?yōu)槿細?煤轉氣即煤炭氣化,指在特定的設備里加熱、加壓,使燃煤中的有機質與氣化劑(水蒸氣、空氣)發(fā)生一系列復雜的物理、化學反應,將固態(tài)煤轉化為含有CO、H2、甲烷等氣態(tài)產物的過程[2].煤氣化技術的應用是瀝青混凝土攪拌設備的一項技術革新,打破了傳統(tǒng)的燃料燃燒方式,將固態(tài)煤轉化為氣體燃料進行加熱,煤中的硫、灰分在氣化過程中或之后得到脫出,有效控制了污染物的排放,從根本上解決了煤炭燃燒產生的環(huán)境污染與成本高的問題.

1.2煤轉氣攪拌設備干燥滾筒的結構特點

干燥滾筒作為瀝青混凝土攪拌設備烘干加熱系統(tǒng)的核心結構,在烘干加熱過程中是影響骨料干燥質量最重要的因素.其主要工作原理是:與燃燒器進行熱交換,用較低能耗使冷骨料中的水分在最短時間內蒸發(fā),完成烘干,并且將骨料加熱至所需的攪拌溫度[3].本文以湖南某機械公司生產的MQB HJ600煤轉氣廠拌熱再生攪拌設備為例進行研究.該設備烘干加熱系統(tǒng)的突出特點是雙滾筒(一個加熱新料,一個加熱舊料),兩個滾筒通過連接法蘭形成一個密封結構;煤氣發(fā)生裝置產生的煤氣經過除塵后在燃燒器作用下給干燥滾筒提供熱量;雙滾筒正反轉,使新舊骨料在不同溫度的滾筒內烘干加熱,避免了舊料與火焰接觸而發(fā)生燒焦、變質、二次燃燒等問題,充分利用了熱煙氣對舊料進行預熱,同時降低了廢氣的排放溫度,提高了干燥滾筒的熱能利用.煤轉氣攪拌設備干燥滾筒結構如圖1所示.

圖1　煤轉氣攪拌設備干燥滾筒結構

2　干燥滾筒的熱力學分析

2.1干燥滾筒骨料加熱分析

在不考慮進料口二次進風的前提下,骨料加熱分為三個階段.第一階段為冷骨料預熱,冷骨料主要集中在干燥滾筒進料區(qū),在抄板與螺旋葉片作用下自由跌落;新骨料預熱產生的煙氣用來加熱舊骨料.第二階段為新骨料進入到烘干區(qū),舊骨料中的水分被蒸發(fā),并且被加熱到煙氣溫度,此過程中骨料在抄板作用下上升、下落,新舊骨料充分吸收熱量.第三階段為新舊骨料被同時加熱到攪拌所需的溫度,此過程中熱煙氣被不斷地傳給舊料.通過對干燥滾筒骨料加熱分析可知,新骨料充分加熱產生的熱煙氣對舊料進行預熱,避免了舊料與燃燒火焰直接接觸而發(fā)生舊料瀝青燒焦、變質、二次燃燒等問題,同時舊料輕質油被蒸餾出來而產生的“藍煙”直接導入除塵設備,使新骨料不被廢舊煙氣影響,保證了新骨料的烘干質量,提高了干燥滾筒骨料的加熱性能.

2.2干燥滾筒熱力學分析

通過骨料加熱分析可知,骨料在進入滾筒之前暴露在空氣中的溫度為T0,首先冷骨料中的水分被預熱到可以蒸發(fā)的溫度T2,同時對舊料瀝青預熱;其次舊料中的水分被汽化,且舊料加熱到煙氣溫度;最后新骨料加熱到攪拌溫度T3,舊料加熱到攪拌溫度T3,在加熱過程中產生尾氣溫度為T4.

2.2.1加熱冷骨料需要的熱量Q1

新料烘干筒的生產能力為G1(t·h－1),冷骨料中水分含量為p,加熱冷骨料所需熱量包括水分預熱消耗熱量、加熱石料熱量和汽化熱量3個部分,這3個部分每小時所消耗的熱量如下.

(1)冷骨料水分預熱所消耗的熱量Q1,1

式中:Cw為水的比熱(kJ(kg·℃)－1).

(2)加熱石料所消耗的熱量Q2,2

式中:Cg為石料的比熱(kJ(kg·℃)－1).

(3)冷骨料中水分被汽化所消耗的熱量Q1,3

式中:Cs為水蒸氣的比熱(kJ(kg·℃)－1);γ為水蒸氣的汽化熱(kJ·kg－1).

那么加熱冷骨料總共需要的熱量為

2.2.2加熱舊瀝青料需要的熱量Q2

舊料烘干筒的生產能力為G2(t·h－1),混合料中石料含量為p1,含水量為p2,瀝青含量為p3,則p1＋p2＋p3＝1.加熱舊瀝青料需要的熱量包括舊料水分預熱所需的熱量、加熱石料熱量、汽化熱量以及加熱舊料中瀝青所需的熱量.這4個部分每小時消耗的熱量如下.

(1)舊料水分預熱消耗的熱量Q2,1

(2)加熱石料所消耗的熱量Q2,2

式中:CR為舊石料的比熱[kJ(kg·℃)－1].

(3)舊料中水分被汽化消耗的熱量Q2,3

(4)加熱舊料中瀝青消耗的熱量Q2,4

式中:C1為瀝青的比熱[kJ(kg·℃)－1].

那么加熱舊瀝青料所需要的熱量為

2.2.3干燥滾筒筒壁損失的熱量Q3

干燥滾筒筒壁損失的熱量包括2個部分,即新料滾筒筒壁損失的熱量與再生滾筒筒壁損失的熱量.

式中:t0為大氣平均溫度(℃);t1為新、舊滾筒筒壁平均溫度(℃);D為干燥滾筒內徑(m);L為干燥滾筒長度(m);h為筒壁的傳熱系數(shù)(kJ(m2·℃)－1).

2.2.4煤氣燃燒熱值

煤氣燃燒總熱量

式中:Ma為燃料的熱值(kJ·m－3);V為煤氣的產量(m3·h－1).

煤轉氣600型廠拌熱再生攪拌設備的煤氣熱值計算公式為

式中:ωCO、ωH2、ωCH4、ωH2S為煤氣中各成分所占的體積分數(shù).

通過以上熱力學分析可知,干燥滾筒的熱效率

2.2.5干燥滾筒熱平衡分析

整個干燥滾筒的熱效率為η,那么其所需要的總熱量

可以計算出煤氣消耗量

根據(jù)以上分析可以得出該干燥滾筒熱平衡方程

3　影響干燥滾筒熱效率因素的分析

通過對干燥滾筒進行熱力學分析,得出了干燥滾筒的熱平衡方程,為煤氣發(fā)生裝置與干燥滾筒的匹配設計研究提供了參考.結合MQBHJ600煤轉氣廠拌熱再生攪拌設備的各項參數(shù),可計算出干燥滾筒的熱效率在80%左右,這符合交通行業(yè)JT/T 207—2002規(guī)定的“烘干效率不低于70%”的要求,與某些干燥滾筒熱效率高達90%相比,依舊還有10%的上升空間,基于這點對干燥滾筒熱效率的影響因素進行分析.

3.1骨料的含水量

通過熱力學分析可知,骨料含水量對干燥滾筒干燥能力的影響非常大[4].數(shù)據(jù)表明,骨料含水量每增加1%,干燥滾筒的干燥能力下降約10%,相應的排氣中水蒸氣增加10%～15%[5].水的含量越高,燃燒煙氣中的水蒸氣含量就越高,所需要的燃料也就越多,干燥滾筒的熱能利用效率也就越低.降低骨料含水量,減少水蒸氣的體積,可使更多的熱煙氣與舊骨料接觸,提高干燥滾筒的干燥能力與熱效率.

3.2干燥滾筒尾氣溫度

干燥滾筒尾氣溫度的高低直接影響干燥滾筒的加熱效率.尾氣溫度越低,熱損失就越少,干燥滾筒的熱效率就越高[6].針對該設備,尾氣溫度最理想控制在110℃～120℃,最低不能低于100℃.因為如果尾氣溫度低于結露溫度,會在除塵設備上產生凝結現(xiàn)象,將腐蝕性的物質殘留在設備上,嚴重影響其使用壽命;若尾氣溫度過高,大量熱量被帶走,同樣降低了干燥滾筒的熱效率.尾氣溫度須根據(jù)實際生產情況控制在合理范圍內,從而減少干燥滾筒尾氣帶走的熱量.

3.3過量空氣系數(shù)

過量空氣系數(shù)是實際空氣量與理論空氣量的比值,是影響煤氣加熱干燥滾筒的主要性能指標之一.根據(jù)煤轉氣燃燒器實測所得數(shù)據(jù)繪制了過量空氣系數(shù)與燃燒器排煙熱損失的關系曲線,如圖2所示.

圖2　過量空氣系數(shù)與排煙熱損失的關系曲線

由圖2可知,隨著過量空氣系數(shù)的增大,煙氣帶走的熱量增多,干燥滾筒熱能損失相應變大;相反,過小的過量空氣系數(shù)使煤氣燃燒不充分,產生黑煙,加大熱量損失,同樣影響熱能利用.

因此,在燃料充足的前提下,根據(jù)實際情況適當降低過量空氣系數(shù),可降低排煙溫度,減少排煙損失,提高干燥滾筒熱效率.綜合考慮燃料種類、燃燒系統(tǒng)、熱能利用等因素,煤轉氣攪拌設備燃燒系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)一般取1.05～1.10.

3.4干燥滾筒抄板

從干燥滾筒的結構分析,抄板數(shù)量與安裝角度也是影響烘干筒熱效率的主要因素.骨料在干燥滾筒內翻轉主要靠抄板的不斷提升、下落以及周期性的運送,使冷骨料達到均勻、快速加熱烘干的效果.圖3為干燥滾筒抄板的分布及結構.

圖3　干燥滾筒抄板的分布及結構

干燥滾筒骨料烘干主要靠熱煙氣加熱,當滾筒轉速一定時,抄板越多,骨料提升次數(shù)就越多,增加了骨料與熱煙氣的接觸時間,有利于骨料形成均勻料簾,提高熱能利用效率.抄板安裝角直接影響料簾的形成與出料快慢.通過煤轉氣瀝青攪拌設備干燥滾筒內葉片分布正交試驗可知,安裝角在45°左右時出料最快,可在進料口形成均勻料簾,使骨料與熱煙氣充分進行熱交換,避免了干燥骨料回流到滾筒內,造成熱量損失.

4　結　語

本文以MQBHJ600煤轉氣廠拌熱再生攪拌設備為例,對干燥滾筒進行了熱力學分析,得出了該設備干燥滾筒熱效率與熱平衡計算方程,為研究骨料烘干加熱系統(tǒng)匹配設計研究提供了參考.結合實際生產情況,分析了影響該設備干燥滾筒熱效率的幾個主要因素,對提高瀝青攪拌設備干燥滾筒的熱能利用效率具有指導意義.

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[6]張瑞芳.瀝青混凝土攪拌站烘干加熱系統(tǒng)熱力學分析與計算[J].建設機械技術與管理,2013,26(4):108-113

[責任編輯:王玉玲]

圖8　清掃后效果

3　結　語

環(huán)保、文明、高效、安全的機械化清掃逐步取代人工清掃已成為社會發(fā)展的必然趨勢.通過對清掃車進行科學的選型,加強操作使用環(huán)節(jié)的探索和管理,實施有針對性的技術創(chuàng)新,可以有效降低吸掃式清掃車的運行成本和故障率,進一步提升吸掃式清掃車的作業(yè)效能、清掃效果和適用性,從而加快推進機械化清掃的發(fā)展進程.

參考文獻:

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[責任編輯:譚忠華]

Thermodynamic Analysis of Drying Drum of Gas generator Mixing Plant

LIU Bo,LI Zi-guang,DA Yunfeng
(School of Automobile Engineering and Mechanical,Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076,Hunan,China)

The structural characteristics of drying drum of the gas-generator mixing plant and the gas-generator technology were introduced.Through the thermodynamic analysis of drying drum of gas-generator mixing plant,the calculation process of thermal efficiency and thermal equilibrium of drying drum was obtained.Combined with actual production,600-type asphalt mixing plant was taken as an object to analyze the main factors that affect the thermal efficiency of drying drum,which provides reference for energy utilization and structural optimization of the drying drum of gas-generator mixing plant.

gas generator;drying drum;thermodynamic analysis;thermal efficiency

U415.52

B

1000-033X(2015)01-0099-04

2014-10-12