李鶴, 魏林鑫，張華，劉心志，張后雷，張書平

(1.中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥 230601；2.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京 210094)

褐煤是一種典型的高水分低階煤，在我國主要褐煤產(chǎn)區(qū)，褐煤水分在17%～50%之間[1]。高水分會產(chǎn)生一系列不利結(jié)果，如增加運輸成本、引起冬季凍結(jié)和降低鍋爐燃燒效率等。褐煤預(yù)干燥是提升褐煤能源應(yīng)用系統(tǒng)性能的一項重要技術(shù)。

迄今為止，在褐煤干燥領(lǐng)域已有大量的研究與開發(fā)工作[2-3]，涉及到微波干燥機[4]、固定床干燥機[5]、流化床干燥機[6]、旋轉(zhuǎn)干燥機[7]和槳葉干燥機[8]等。移動床干燥可實現(xiàn)連續(xù)干燥過程，產(chǎn)量大、成本低，在生物質(zhì)(如谷物)顆粒干燥領(lǐng)域已應(yīng)用多年。ZHANG等[9]最近采用數(shù)值模擬方法研究了褐煤顆粒在水平輸送帶上的移動干燥過程，褐煤顆粒為20 mm和30 mm，熱風(fēng)速度為0.7～1.5 m/s。但是，原始的褐煤顆粒通常具有較寬的粒徑分布，褐煤顆粒粒徑分布如圖1所示，圖中φ為粒徑百分比。考慮到不同粒徑褐煤顆粒在干燥過程中對傳熱傳質(zhì)的需求不同，采用單一的干燥方法是不適合的，對此，國內(nèi)外相關(guān)的研究較缺乏。

圖1 褐煤顆粒粒徑分布

考慮到干燥方法和粒徑具有強相關(guān)性，本文作者提出了褐煤雙尺度分級干燥方法[10]：對細顆粒(粒徑0～6 mm)采用蒸汽做熱源的槳葉間接干燥，對粗顆粒(粒徑6～20 mm)采用垂直移動床干燥，其熱源可采用較低溫度的熱風(fēng)。粗細顆粒的界限可根據(jù)經(jīng)驗或?qū)嶒灤_定，粒徑特別大的褐煤可預(yù)先進行破碎。垂直移動床占地面積小，處理量大，熱源溫度要求低，對褐煤用量大的場合(如電廠)尤其合適。本文將采用數(shù)值模擬方法研究粗顆粒褐煤垂直移動床的干燥特性，為實際設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型

垂直移動床干燥裝置芯體如圖2所示，圖中空氣流向為坐標(biāo)x方向，褐煤流向為坐標(biāo)y方向(垂直向下)，坐標(biāo)z方向為長度方向。褐煤顆粒自頂向下緩慢移動，熱風(fēng)通過側(cè)壁百葉窗水平錯流通過顆粒床層，與顆粒進行熱質(zhì)交換，將褐煤蒸發(fā)出的水分帶出。在實際設(shè)計中，顆粒質(zhì)量流量Mlig(即處理量，kg/s)和去除的水分Mw(即除濕量，kg/h)是兩個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，當(dāng)固定Mlig，干燥過程的優(yōu)化目標(biāo)為最大化Mw。為建立干燥過程的傳熱傳質(zhì)模型，假設(shè)如下：流動過程為穩(wěn)態(tài)；長度L(m)遠大于寬度W(m)，過程為二維；顆粒間的固體導(dǎo)熱忽略不計；濕空氣為理想氣體，且入口風(fēng)速分布均勻；風(fēng)速較低，不考慮粉塵問題；垂直壁面(百葉窗)絕熱。

圖2 垂直移動床干燥裝置芯體

氣體和顆粒的質(zhì)量守恒方程分別為：

(1)

(2)

氣體和顆粒的能量守恒方程分別為：

(3)

(4)

公式(3)和(4)中，Tg和Tlig,s分別為為空氣和褐煤的溫度(℃)，ha為對流換熱系數(shù)[J/(m·K)]，cpa和cpv分別為干空氣和水蒸氣比熱[J/(kg·K)。

公式(1)、(2)和(4)中的氣體質(zhì)量流率如下計算：

(5)

公式(5)中K是干燥速率常數(shù)(1/s)，ρlig,s是褐煤的密度(kg/m3)，由實驗確定。本文僅討論低空氣流速設(shè)計，假設(shè)K只與空氣溫度和粒徑有關(guān)，采用如下關(guān)聯(lián)式：

K=c1(Tg)c2dc3

(6)

公式(6)中，c1、c2、c3是經(jīng)驗常數(shù), 本文作者根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)分別為1.37×10-5、1.66和-1.28,Tg為空氣溫度(℃)，d為粒徑(m)。

假設(shè)顆粒為球形，其比表面積為：

(7)

公式(7)中，ε是褐煤顆粒的孔隙率。

對流換熱系數(shù)h采用如下關(guān)聯(lián)式：

(8)

公式(8)中，Reh=Re/(1-ε)

(9)

空氣側(cè)流道壓降(ΔPg)為：

(10)

微元壓降為：

(11)

公式(11)中，ug是粘度[kg/(m·s)]，CF是無量綱系數(shù)，表達式為：

CF= 27Re-0.84

(12)

Pe為滲透率，采用Kozeny-Carmen方程：

(13)

上述模型的邊界條件為：

Mg|x=0=Mg0；Tg|x=0=Tg0；

Xg|x=0=Xg0；Pg|x=0=Pg0；

Mlig|y=0=Mlig0；Tlig|y=0=Tlig0

干燥過程的能耗包括熱耗和功耗，熱耗是指由常溫空氣加熱到移動床空氣入口溫度所需熱量，表示為：

Q=Hin-H0

(14)

垂直移動床為重力驅(qū)動，忽略出料機功耗，則功耗即驅(qū)動空氣流動所需，表示為：

(15)

總能耗為：

E=Q+Wf

(16)

本文采用扎賚諾爾褐煤，計算時所用物性為：褐煤中固相成分密度ρlig,s=424 kg/m3, 褐煤中固相成分比熱容cplig,s= 1 000 J/(kg·K), 褐煤中液相成分密度ρlig,l=1 000 kg/m3，褐煤中液相成分比熱容cplig,l=4 182 J/(kg·K)。濕空氣采用理想氣體假設(shè)，固定初始褐煤的質(zhì)量流量Mlig0=0.34 kg/s 和初始褐煤的含水量Xlig0= 0.5 kg/kg(干基)。前述模型求解時網(wǎng)格先進行獨立性校核，例如對參考結(jié)構(gòu)干燥機高度H=5 m，干燥機寬度W=0.2 m，網(wǎng)格單元數(shù)為1 000×80。

2 結(jié)果與討論

2.1 單程氣流

垂直移動床的體積為V(V=HWL)，L為干燥機長度(計算時為固定值)，在保證H×W不變的前提下定義形狀因子α(高寬比)為：

(17)

圖3為一個溫度和水分分布示例(np=1，α=25，d=15 mm，Mg0=0.618 kg/s，Tg0=150 ℃，水分單位：kg/kg)。由圖3可見：褐煤出口截面左側(cè)干燥最強，右側(cè)最弱，很容易由圖識別出干燥無效區(qū)，褐煤出口的不均性難以避免。干燥不均勻性對褐煤的后續(xù)應(yīng)用會產(chǎn)生不利影響，以燃燒為例，水分嚴重不均時，將導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定。

圖3 溫度和水分分布示例

圖4為α對干燥特性的影響。顯然，如圖4(a)所示，在出口處(y=H)褐煤水分布極不均勻，對固定的W(分別為0.1 m、0.2 m和0.3 m)，隨著x的增大，Xlig先快速增大，達到臨界值(xc，即飽和狀態(tài))后保持不變，Xlig=Xlig0，x>xc的區(qū)域稱為干燥無效區(qū)；對不同的W，臨界值和干燥無效區(qū)的范圍也不同。圖4(b)給出了不同α下的總除濕量Mw和能耗，由該圖可見：α越大(即H更高)，除濕量越大，由于假設(shè)入口空氣溫度和流量不變，因此熱耗Q不變，功耗Wf和能耗E會減小，這里熱耗遠大于功耗。

圖4 α對干燥特性的影響

圖5為粒徑對干燥特性的影響。小粒徑有更大的比表面積和更大的干燥速率，由圖5(a)可見，當(dāng)x<0.05 m時，小粒徑干燥更快，空氣很快達到飽和狀態(tài)，并失去吸濕能力，而大顆粒對應(yīng)的空氣尚未達到飽和狀態(tài)，尚有吸濕能力；當(dāng)x> 0.075 m時，大顆粒干燥更快，大顆粒對應(yīng)的飽和區(qū)也更窄。由圖5(b)可見，隨著粒徑的增大，除濕量下降，而能耗變化很小。需要說明的是：在工程實踐中，干燥之前需要篩分稱細顆粒和粗顆粒，以上所述小粒徑和大粒徑都屬于粗顆粒，即粗顆粒本身仍然存在分布。

圖5 粒徑對干燥特性的影響

提高空氣入口流量Mg0是提高吸濕能力的有效途徑。由圖6(a)可見，隨著Mg0的提高，干燥無效區(qū)減小甚至消失，褐煤出口水分均勻度也相應(yīng)提高；由圖6(b)可見，隨著Mg0的提高，總除濕量、熱耗和總能耗均增大。需要注意的是：隨著空氣入口流量的增大，除了流阻增加外，空氣有可能攜帶更多的褐煤粉塵到下游，嚴重時可能引起堵塞，因此一般以采用較低的流速為宜。

圖6 Mg0的影響

提高空氣入口溫度Tg0是提高吸濕能力的另一種有效途徑。由圖7(a)可見，隨著Tg0的提高，干燥無效區(qū)減小；由圖7(b)可見，隨著Tg0的提高，總除濕量、熱耗和總能耗均增大。需要注意的是：空氣入口溫度受到熱解溫度的限制，在設(shè)計時需要避免出現(xiàn)褐煤局部熱解(例如：Tlig>200 ℃時)。

圖7 Tg0的影響

2.2 多程氣流

為了減小干燥無效區(qū)和提高褐煤出口水分的均勻性，一種方法是采用多程氣流布置。圖8為雙程氣流布置圖。定義上下氣流流程高度之比為：

圖8 雙程氣流布置

(18)

圖9為雙程氣流布置的干燥特性。由圖9(a)可見，當(dāng)x較小時，如x< 0.075時，aH越大，褐煤出口截面水分越高；當(dāng)x較大時，趨勢則相反，如當(dāng)x>0.15時，aH越大，褐煤出口截面水分越低；在圖9(a)參數(shù)范圍內(nèi)，aH最大時，褐煤出口水分均勻度也最高。事實上，當(dāng)aH較大時，空氣在下部流程末端溫度仍較高，即具有較強的吸濕能力，這會導(dǎo)致空氣在x方向的兩側(cè)具有較強的干燥能力，因此在x方向的某個中間位置可能出現(xiàn)水分峰值(例如當(dāng)aH=2或4的例子)。由圖9(b)可見，在aH為0.25～4時，能耗E存在最小值，但aH對E的影響定量上較弱；此外，隨著aH的增大，除濕量下降，此結(jié)果提示設(shè)計者：在設(shè)計時應(yīng)兼顧除濕量和褐煤出口溫度均勻性。圖10為雙流程布置時的溫度和水分分布圖(np=2，aH=1，α=25，d=15 mm，Mg=0.618 kg/s，Tg0=150 ℃，水分單位：kg/kg)。

圖9 雙程氣流布置的干燥特性

圖10 雙程氣流布置時的溫度和水分分布

2.3 進一步討論

為了減小或消除干燥無效區(qū)，也可以采用多股氣流布置。圖11為單床雙股氣流布置圖。當(dāng)褐煤作為電廠燃料時，為了充分利用電廠不同品級的熱量，多股氣流布置中的氣流溫度Tg1和Tg2可以不同，其中上段為預(yù)干燥段，可采用較低品味的余熱，下段為主干燥段，可采用較高品級的熱量，如此設(shè)計有利于節(jié)省較高品級的熱能消耗。圖11的例子也可以采用雙床串聯(lián)來實現(xiàn)。圖12為單床雙股氣流布置y=H處褐煤水分圖，當(dāng)單床雙股氣流Tg1=Tg2時，該例中移動床出口不存在干燥無效區(qū)。

圖11 單床雙股氣流布置

3 結(jié)語

本文建立了褐煤顆粒垂直移動床干燥過程數(shù)值模型，對褐煤干燥特性進行了分析。研究結(jié)果表明：

1)對于單程氣流，移動床形狀因子對總除濕量、送風(fēng)功耗和干燥均勻性具有顯著影響；顆粒粒徑會影響到干燥飽和區(qū)的范圍，設(shè)計移動床時需統(tǒng)一考慮形狀因子和顆粒粒徑的影響；提高氣流流量或溫度有利于提高干燥性能，但同時需要考慮阻力的增加或溫度的上限。

2)采用多程氣流結(jié)構(gòu)有利于提高干燥均勻性，不同流程的高度比是影響干燥均勻性的重要參數(shù)；類似地，采用多股氣流布置也有利于減小或消除干燥無效區(qū)。