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基于某礦余熱利用的低溫煤泥干燥系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

2022-08-06 10:14:26胡文全張昌建劉小溪
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年22期
關(guān)鍵詞:煤泥熱管熱源

陳 路,胡文全,張昌建,劉小溪

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

煤泥作為煤炭生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)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(jié)團現(xiàn)象,影響鍋爐運行[4]。目前一般采用煤泥干燥技術(shù)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(shù)包括以熱風(fēng)爐作為熱源的煙氣干燥技術(shù)和以電廠余熱蒸汽作為熱源的低溫干燥技術(shù)。熱風(fēng)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(yīng)用[5]。蒸汽干燥技術(shù)因其節(jié)約能源,相對安全且污染較少,近年來得到推廣應(yīng)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(chǎn)量,進一步帶來經(jīng)濟和環(huán)境效益。

本文依托某洗煤廠蒸汽回轉(zhuǎn)煤泥干燥系統(tǒng),設(shè)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(chǎn)量需求。濕煤泥產(chǎn)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(zhuǎn)干燥系統(tǒng),以發(fā)電廠產(chǎn)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(chǎn)能不足的問題,帶來較高的經(jīng)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(jié)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(jīng)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(jīng)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(shè)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(fēng)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(guān)系如圖2 所示。

圖2 煤泥含水率與干化時間關(guān)系圖

可知6×6 mm2煤泥樣品可滿足產(chǎn)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(dāng)風(fēng)速高于1.5 m/s 時,斷裂泥條易產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)量,0.14 kg;t1為煤泥初始溫度,30℃;t2為產(chǎn)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(zhì)量,0.14 kg;r 為1 個標(biāo)準(zhǔn)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??紤]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(shè)計

4.1 系統(tǒng)原理

在低溫蒸汽回轉(zhuǎn)干燥室排風(fēng)管道上開設(shè)支路,將80℃的高濕廢氣引入熱管換熱設(shè)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(jīng)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(shè)備空間也只有一般換熱器的1/3[7-8]。利用熱管相變技術(shù)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(shè)備,關(guān)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(fēng)由底部進入,頂部送出,逆流干燥。風(fēng)速控制在1.5 m/s 以下,防止煤泥烘干時有揚塵產(chǎn)生。采用引風(fēng)機,設(shè)置在烘干室頂部。相比鼓風(fēng)機,引風(fēng)機的優(yōu)勢在于:

(1)使烘干室內(nèi)保持微負壓,利于煤泥內(nèi)部水分蒸發(fā);

(2)保障烘干室內(nèi)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(shè)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(wǎng)帶,經(jīng)過三層輸送網(wǎng)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(dǎo)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(shè)計

4.3.1 熱量參數(shù)設(shè)計

某洗煤廠蒸汽回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)排氣溫度80℃,濕度90%,經(jīng)過余熱回收后,溫度35℃,濕度95%?;厥盏臒崃繛? 506 kW??紤]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(fēng)量參數(shù)設(shè)計

熱管干燥風(fēng)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(fēng)損失10%,所需風(fēng)量為120 390 m3/h。

新風(fēng)風(fēng)機選型:選5 臺高壓風(fēng)機,風(fēng)量為30 000 m3/h,風(fēng)壓為1 500 Pa。

增壓風(fēng)機選型:選取1臺,風(fēng)量150 000~180 000 m3/h,風(fēng)壓為560 Pa。

5 投資概算

(1)設(shè)備投資:包括逆流烘干室、熱管換熱器、風(fēng)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(shè)備基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)等,合計88萬元。

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

(4)總計541 萬元。

6 經(jīng)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?jǐn)?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(shè)置的輸料系統(tǒng)、干燥室和風(fēng)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(chǎn)量成本比原有系統(tǒng)更低,說明本系統(tǒng)在經(jīng)濟方面是可行的。

6.4 經(jīng)濟回收期

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

7 結(jié)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(jīng)濟回收期2.3 年。

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