趙孟浩，張守玉，董建勛，李尤，丁艷軍，呂俊復(fù)（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院熱能工程研究所，上海 0009；中電投蒙東能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 08000；清華大學(xué)熱能工程系，北京 00084）

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單顆粒褐煤高溫?zé)煔飧稍镞^(guò)程數(shù)值模擬

趙孟浩1，張守玉1，董建勛2，李尤1，丁艷軍3，呂俊復(fù)3
（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院熱能工程研究所，上海 200093；2中電投蒙東能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；3清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084）

摘要：褐煤干燥對(duì)于提高其品質(zhì)具有重要意義。為了模擬高溫?zé)煔飧稍镞@一高溫差、變溫差非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)過(guò)程中褐煤內(nèi)水分蒸發(fā)過(guò)程，采用有限體積法建立了一維球坐標(biāo)系下蒸發(fā)界面向內(nèi)遷移的單顆粒褐煤干燥數(shù)學(xué)模型，并利用該模型分析了初始煙氣溫度和顆粒粒徑對(duì)單個(gè)褐煤顆粒干燥特性的影響。模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明二者變化趨勢(shì)一致，所建模型能較好地反映出高溫?zé)煔飧稍镞^(guò)程中褐煤內(nèi)水分蒸發(fā)過(guò)程。結(jié)果表明，初始煙氣溫度越高，顆粒粒徑越小，蒸發(fā)界面向內(nèi)遷移速度越快，水分脫除越快，干燥時(shí)間越短；蒸發(fā)界面平均遷移速度均與初始煙氣溫度和顆粒粒徑呈線性關(guān)系；在初始煙氣溫度700℃下，較短的停留時(shí)間使得顆粒表面溫度未達(dá)到揮發(fā)分析出溫度，本研究中不同粒徑褐煤顆粒在干燥過(guò)程中基本沒(méi)有揮發(fā)分的析出。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)晤w粒; 褐煤; 高溫?zé)煔? 干燥; 傳熱; 傳質(zhì); 數(shù)值模擬

2015-07-27收到初稿，2015-09-16收到修改稿。

聯(lián)系人：張守玉。第一作者：趙孟浩（1992—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-07-27.

Foundation item: supported by the National Science & Technology Pillar Program (2012BAA04B01).

引　言

我國(guó)褐煤資源十分豐富，占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的13%，具有儲(chǔ)量大、埋藏淺、開(kāi)采成本低等特點(diǎn)[1-2]。然而褐煤中水分含量高達(dá)40%以上，直接用于燃燒發(fā)電可導(dǎo)致鍋爐火焰溫度偏低、燃盡困難、熱效率低等問(wèn)題[3-5]，因此褐煤干燥脫水處理對(duì)于提高褐煤品質(zhì)和高效利用有著重大意義。

目前褐煤干燥工藝多采用低溫?zé)釟饬骰蜻^(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)[6-8]，但如果干燥介質(zhì)采用高溫?zé)煔?，一可避免低溫?zé)煔飧稍镞^(guò)程中人為地將高品位能量變成低品位能量，二可避免使用空氣作為干燥介質(zhì)時(shí)由于含氧量高導(dǎo)致爆炸等安全事故，三可避免采用水蒸氣作為干燥介質(zhì)時(shí)需要解決水的來(lái)源與處理等難題。由于采用高溫?zé)煔猓稍锝橘|(zhì)用量減少，還可避免提質(zhì)褐煤與空氣接觸后發(fā)生爆炸與自燃現(xiàn)象[9-11]。

單顆粒干燥過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，也是研究褐煤干燥過(guò)程的基礎(chǔ)。然而干燥過(guò)程中顆粒內(nèi)部溫度和水分含量測(cè)定比較困難，成為制約顆粒干燥研究的因素之一，因此建立單顆粒干燥模型是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)[12]。國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，在建模過(guò)程中，采用等效球體表征顆粒，簡(jiǎn)化干燥過(guò)程，考慮各參數(shù)影響，從而建立一維球坐標(biāo)系下的傳熱、傳質(zhì)方程[13-15]。Hager 等[16]建立單顆粒多孔介質(zhì)干燥模型并與陶瓷干燥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，獲得了干燥速率和顆粒含水量隨干燥時(shí)間的變化規(guī)律。Komatsu等[17]研究了過(guò)熱蒸汽下單顆粒褐煤的干燥過(guò)程，考察了褐煤顆粒在干燥過(guò)程中的形態(tài)變化并研究了含水量、干燥速率和顆粒溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。孫曉林等[18]研究了低溫條件下煤粉的等溫干燥過(guò)程，分析了溫度、粒徑對(duì)煤粉干燥特性的影響。郝正虎等[19]通過(guò)建立的單顆粒模型模擬了高溫?zé)煔飧稍镞^(guò)程中煙氣溫度、顆粒含水量、顆粒內(nèi)部溫度分布等變化規(guī)律。

大多數(shù)單顆粒模型僅研究穩(wěn)定邊界條件下的干燥過(guò)程，且假定蒸發(fā)界面在顆粒表面，適用于顆粒內(nèi)水分流動(dòng)性較好的情況。而對(duì)于褐煤這種含濕非飽和多孔介質(zhì)來(lái)說(shuō)，顆粒內(nèi)部水分與孔隙結(jié)構(gòu)之間存在較強(qiáng)結(jié)合力，且易與親水性含氧官能團(tuán)以氫鍵方式結(jié)合，流動(dòng)性較差[20]。高溫?zé)煔庾鳛楦稍锝橘|(zhì)，在較為短暫的時(shí)間內(nèi)使得褐煤中水分迅速大量脫除，顆粒內(nèi)水分的流動(dòng)無(wú)法彌補(bǔ)表面水分的散失，這種情況下蒸發(fā)界面會(huì)隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行向顆粒內(nèi)部發(fā)生遷移[10,19]。而且，隨著干燥過(guò)程的不斷進(jìn)行，干燥介質(zhì)不斷將熱量傳遞給顆粒使得自身溫度降低，因此需要考慮干燥介質(zhì)的變化才能較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際干燥過(guò)程。目前褐煤高溫?zé)煔飧稍锓矫娴难芯枯^少，且主要集中于根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)擬合干燥動(dòng)力學(xué)模型，不能較好地反映出顆粒的干燥特性，應(yīng)用局限性較大[9,11]。本文基于蒸發(fā)界面向顆粒內(nèi)部遷移的假設(shè)，建立一維球坐標(biāo)下單顆粒褐煤干燥數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對(duì)高溫?zé)煔飧稍镞@一高溫差（干燥介質(zhì)溫度與顆粒表面溫度之差）、變溫差（兩者溫差不斷變化）非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)過(guò)程中褐煤內(nèi)水分蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了研究，并分析了初始煙氣溫度和顆粒粒徑對(duì)單個(gè)褐煤顆粒干燥特性的影響。

1　顆粒干燥模型

1.1干燥過(guò)程分析

單顆粒褐煤高溫?zé)煔飧稍镞^(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程包含氣、液、固多相流動(dòng)以及顆粒內(nèi)部和顆粒表面與煙氣之間存在的復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象[19,21-22]。褐煤類似多孔介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是非常復(fù)雜、多樣的[23]。因此，較難建立一個(gè)能夠依據(jù)褐煤本身的性質(zhì)并能準(zhǔn)確描述其實(shí)際干燥過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。

顆粒內(nèi)部水分包含氣態(tài)、液態(tài)兩種。在干燥過(guò)程中液態(tài)水分不斷吸熱蒸發(fā)為氣態(tài)，同時(shí)氣態(tài)水分經(jīng)干區(qū)擴(kuò)散到顆粒外部。隨著干燥的進(jìn)行，當(dāng)顆粒內(nèi)部向表面擴(kuò)散輸送的水分不足以維持表面水分的蒸發(fā)時(shí)，蒸發(fā)界面向顆粒內(nèi)部遷移。以蒸發(fā)界面為界，將顆粒內(nèi)部分為干區(qū)和濕區(qū)兩部分，在干區(qū)考慮傳熱、傳質(zhì)，濕區(qū)僅考慮傳熱。當(dāng)蒸發(fā)界面遷移到顆粒中心時(shí)，干燥過(guò)程結(jié)束。整個(gè)干燥過(guò)程是蒸發(fā)界面不斷向內(nèi)遷移收縮、干區(qū)和濕區(qū)通過(guò)動(dòng)態(tài)的蒸發(fā)界面相耦合的過(guò)程。顆粒干燥模型示意圖[19]如圖1所示，干區(qū)、濕區(qū)代表體積單元示意圖[23]如圖2所示。

1.2模型假設(shè)

通過(guò)對(duì)干燥過(guò)程的分析，結(jié)合高溫?zé)煔飧稍锏奶攸c(diǎn)，本文對(duì)單顆粒褐煤干燥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行以下假設(shè)，以便于方程建立和分析求解。

（1）褐煤顆粒為各向同性的球體，內(nèi)部水分均勻分布。

（2）褐煤顆粒在干燥過(guò)程中不發(fā)生破碎、膨脹或收縮等形變，且顆粒粒徑為常數(shù)。

（3）煙氣不與褐煤發(fā)生反應(yīng)。

（4）褐煤顆粒內(nèi)水分不區(qū)分內(nèi)在水和外在水，將干燥過(guò)程中濕區(qū)看作一個(gè)半徑不斷收縮的液滴，蒸發(fā)界面隨著干燥的進(jìn)行不斷向內(nèi)遷移。

（5）干燥過(guò)程中煙氣與褐煤顆粒表面發(fā)生對(duì)流換熱，不考慮輻射換熱。熱量以導(dǎo)熱方式從顆粒表面?zhèn)鬟f到蒸發(fā)界面。水分在蒸發(fā)界面上吸熱蒸發(fā)變?yōu)樗魵?，然后?jīng)干區(qū)擴(kuò)散到顆粒外部。

1.3守恒方程

基于以上干燥過(guò)程分析和模型假設(shè)，根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定則，采用有限體積法，建立如下傳熱、傳質(zhì)方程來(lái)描述單顆粒褐煤高溫?zé)煔飧稍镞^(guò)程。

圖1　顆粒干燥過(guò)程示意圖[19]Fig.1　Schematic diagram of lignite particle drying process[19]

圖2　干區(qū)、濕區(qū)代表體積單元示意圖[23]Fig.2　Schematic diagram of representative volume element of dry region and wet region[23]

傳熱方程

傳質(zhì)方程

其中，干區(qū)計(jì)算方程取

濕區(qū)計(jì)算方程取

初始條件

邊界條件

為了加速收斂，并保證迭代過(guò)程中有較大的穩(wěn)定域和較小的截?cái)嗾`差，采用Crank-Nicolson隱式差分格式對(duì)上述方程進(jìn)行離散求解。

1.4模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性，將模型模擬計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，考察不同初始煙氣溫度和顆粒粒徑下褐煤顆粒的干燥曲線，如圖3、圖4所示。

圖3　不同初始煙氣溫度下20 mm粒徑褐煤顆粒的干燥曲線Fig.3　Drying curves of lignite particle of 20 mm at different initial temperatures of flue gas(SV means simulated value，MV means measured value)

由圖3、圖4可看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所偏離，這主要是干燥裝置實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的影響因素復(fù)雜所致。但模擬結(jié)果整體趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)吻合度較好，模型結(jié)果基本反映了干燥過(guò)程中顆粒內(nèi)部含水量的變化趨勢(shì)，所建模型能較好地反映出高溫?zé)煔飧稍镞^(guò)程中褐煤內(nèi)水分蒸發(fā)過(guò)程。

2　結(jié)果分析與討論

2.1初始煙氣溫度對(duì)干燥特性的影響

圖4　初始煙氣溫度800℃下不同粒徑褐煤顆粒的干燥曲線Fig.4　Drying curves of lignite particle with different particle sizes at initial temperature of flue gas of 800℃ (SV means simulated value，MV means measured value)

隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，褐煤顆粒內(nèi)水分不斷脫除，煙氣溫度逐漸下降，顆粒表面溫度逐漸升高，干燥速率逐漸降低。這是由于煙氣與顆粒表面溫差不斷減小，蒸發(fā)界面向內(nèi)遷移，干區(qū)熱阻逐漸增大所致[17,21]。同時(shí)，在蒸發(fā)界面處生成的水蒸氣通過(guò)干區(qū)擴(kuò)散到外部的阻力也逐漸增加。因此，整個(gè)干燥期間主要是降速干燥階段，沒(méi)有出現(xiàn)恒速干燥階段[19,24]。

圖5　不同初始煙氣溫度下20 mm粒徑褐煤顆粒的干燥過(guò)程Fig.5　Drying process of lignite particle of 20 mm at different initial temperatures of flue gas

不同初始煙氣溫度下20 mm粒徑褐煤顆粒的干燥過(guò)程各參數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖5。由圖5(a)初始煙氣溫度800℃下不同時(shí)刻顆粒內(nèi)部溫度分布可知，顆粒內(nèi)部溫度隨半徑的減小而逐漸遞減至常溫，最高溫度出現(xiàn)在顆粒表面處。由圖5(b)顆粒干燥曲線隨時(shí)間變化可知，初始煙氣溫度越高，煙氣與顆粒表面溫差越大，水分脫除越快，顆粒完全干燥所需時(shí)間越短。若定義顆粒內(nèi)水分含量從36%降低至12%所需的時(shí)間為干燥時(shí)間。不同煙氣溫度下，20 mm粒徑顆粒的干燥時(shí)間和對(duì)應(yīng)時(shí)刻顆粒表面溫度見(jiàn)圖5(c)。由圖5(c)可知，初始煙氣溫度越高，干燥時(shí)間越短，顆粒表面溫度越高。當(dāng)初始煙氣溫度為800℃和900℃時(shí)，顆粒表面溫度已經(jīng)高達(dá)315℃和388℃，此時(shí)褐煤會(huì)有揮發(fā)分的析出，故在這兩個(gè)溫度下干燥效果不理想。而當(dāng)初始煙氣溫度為600℃時(shí)，水分脫除較慢，干燥時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)初始煙氣溫度為700℃時(shí)，顆粒經(jīng)183 s干燥后表面溫度達(dá)到247℃，不會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)分的析出。相比之下，700℃可以滿足褐煤干燥的基本要求。初始煙氣溫度的選擇對(duì)高溫?zé)煔飧稍锓浅Ｖ匾瑴囟冗^(guò)高會(huì)造成顆粒表面溫度上升較快使得揮發(fā)分析出，溫度過(guò)低則會(huì)增加顆粒水分脫除時(shí)間，導(dǎo)致處理量降低，或處理后褐煤水分含量較高[10]。

由圖5(d)蒸發(fā)界面半徑隨時(shí)間變化曲線可知，蒸發(fā)界面半徑隨干燥時(shí)間的增加基本呈線性遞減的趨勢(shì)。若定義蒸發(fā)界面平均遷移速度為從顆粒表面到顆粒中心距離與時(shí)間的比值，所得數(shù)據(jù)補(bǔ)充在圖5(c)中。由圖5(c)可知，初始煙氣溫度越高，蒸發(fā)界面平均遷移速度越快，且蒸發(fā)界面平均遷移速度與初始煙氣溫度呈線性關(guān)系。

2.2顆粒粒徑對(duì)干燥特性的影響

在初始煙氣溫度700℃下，不同粒徑褐煤顆粒的干燥過(guò)程各參數(shù)變化見(jiàn)圖6。由圖6(a)可知，相同初始煙氣溫度下，顆粒粒徑越大，水分脫除越慢，完全干燥所需時(shí)間越長(zhǎng)。這是因?yàn)?，隨著顆粒粒徑的增大，干區(qū)熱阻增大，水蒸氣向外擴(kuò)散的阻力也增大，阻礙了熱量傳遞和水分脫除。由圖6(b)可知，顆粒粒徑越大，顆粒表面溫度越高，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，蒸發(fā)界面平均遷移速度越慢，且蒸發(fā)界面平均遷移速度與顆粒粒徑基本呈線性關(guān)系。由圖6(c)也可觀察到蒸發(fā)界面半徑隨干燥時(shí)間的增加而線性遞減。10 mm、15 mm和20 mm粒徑的褐煤顆粒表面溫度較低，均無(wú)揮發(fā)分析出。當(dāng)顆粒粒徑為25 mm時(shí)，顆粒表面溫度最高，達(dá)到261℃，顆粒表面可能有少量揮發(fā)分析出，但內(nèi)部大部分未達(dá)到揮發(fā)分析出的溫度條件[11]。因此，在初始煙氣溫度700℃下，較短的停留時(shí)間使得顆粒表面溫度未達(dá)到揮發(fā)分析出溫度，本研究中不同粒徑的褐煤顆粒在干燥過(guò)程中基本沒(méi)有揮發(fā)分的析出。

圖6　初始煙氣溫度700℃下不同粒徑褐煤顆粒的干燥過(guò)程Fig.6　Drying process of lignite particle with different sizes at initial temperature of flue gas of 700℃

3　結(jié)　論

將高溫?zé)煔飧稍锖置侯w粒的物理過(guò)程簡(jiǎn)化為高溫差、變溫差這一非穩(wěn)態(tài)條件下的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，采用有限體積法建立了單顆粒褐煤干燥數(shù)學(xué)模型。模型中以蒸發(fā)界面為界，將褐煤顆粒分為干區(qū)和濕區(qū)，對(duì)干區(qū)求解傳熱、傳質(zhì)方程，對(duì)濕區(qū)求解傳熱方程。將模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并分析了初始煙氣溫度和顆粒粒徑對(duì)單個(gè)褐煤顆粒干燥特性的影響。

（1）模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)吻合度較好，表明所建模型基本反映出高溫?zé)煔飧稍镞^(guò)程中褐煤顆粒內(nèi)部含水量的變化規(guī)律，較好地反映出實(shí)際褐煤內(nèi)水分蒸發(fā)過(guò)程。整個(gè)干燥過(guò)程基本處于降速干燥階段，不存在恒速干燥階段。

（2）蒸發(fā)界面半徑隨干燥時(shí)間的增加而線性遞減，蒸發(fā)界面平均遷移速度與初始煙氣溫度呈線性關(guān)系。初始煙氣溫度越高，蒸發(fā)界面平均遷移速度越快，水分脫除越快，干燥時(shí)間越短，顆粒表面溫度越高。

（3）蒸發(fā)界面平均遷移速度與顆粒粒徑也基本呈線性關(guān)系。顆粒粒徑越大，蒸發(fā)界面平均遷移速度越慢，水分脫除越慢，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，顆粒表面溫度越高。

（4）在初始煙氣溫度700℃下，較短的停留時(shí)間使得顆粒表面溫度未達(dá)到揮發(fā)分析出溫度，本研究中不同粒徑的褐煤顆粒在干燥過(guò)程中基本沒(méi)有揮發(fā)分的析出。

符號(hào)說(shuō)明

cp——比熱容，J·kg-1·K-1

D ——擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

hm——對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，m·s-1

hs——對(duì)流傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

M ——含濕量，%

m——水分蒸發(fā)率，kg·m-3·s-1

R ——顆粒半徑，m

r ——半徑，m

T ——溫度，℃

U ——設(shè)定參數(shù)

u ——水蒸氣宏觀速度，m·s-1

g——?dú)饣瘽摕幔琂·kg-1

ε ——孔隙率

λ ——熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

ρ ——密度，kg·m-3

τ——時(shí)間，s

下角標(biāo)

eff——有效系數(shù)

f——煙氣

g——?dú)庀?/p>

l——液相

p——顆粒

s——固相

sr——表面

v——水蒸氣

0——初始

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Numerical simulation of single lignite particle drying process in high temperature flue gas

ZHAO Menghao1，ZHANG Shouyu1，DONG Jianxun2，LI You1，DING Yanjun3，Lü Junfu3
(1Department of Thermal Engineering，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;2CPI Mengdong Energy Group Co.，Ltd.，Tongliao 028000，Inner Mongolia，China;3Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Abstract:Lignite drying is very important for improvement of lignite quality. In order to simulate evaporation process of water in lignite particle during drying in high temperature flue gas，a mathematical model was established for the unsteady drying process of single lignite particle at high and variable temperature using finite volume method，and the fundamental assumption made was that the lignite particle was spherical and could be divided into two parts in one-dimensional spherical coordinate system by water evaporation interface that migrates inwards during drying. The model was used to analyze the drying behavior of lignite particle with time and the effect of initial temperature of flue gas and particle size. The variation trend obtained by numerical simulation was similar to that did by experiments for drying process. It was found that the higher initial flue gas temperature and the smaller particle size lead to the faster migration velocity of the water evaporation interface，the lower moisture content of lignite particle and the shorter drying time. There is a linear relationship between the interface migration velocity and the initial flue gas temperature and lignite particle size.

Key words:single particle; lignite; high temperature flue gas; drying; heat transfer; mass transfer; numerical simulation

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151207

中圖分類號(hào)：TQ 536.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）04—1534—07

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAA04B01)。

Corresponding author:Prof. ZHANG Shouyu，zhangsy-guo@163.com