摘要：煤调湿技术应用越来越广泛，本文着力探讨了两种形式的流化床煤调湿装置对煤料流化状态的影响。方形腔体在低料层和高料层的情况下，流化状态都很好。而渐扩形腔体在2米高的料层下边壁会出现死区。通过对含水率6%、9%和13%煤的流化状态分析，得出含水率越高，流化状态越差，渐扩形腔体随着含水率的增加，边壁死区越大。流化速度越高，两种形式的调湿机流化状态越好。
关键词：煤调湿；流化床；渐扩式
Abstract：coal Moisture Control(CMC) technology has been widely used in many fields recently. The article focused on impact of two bed structure forms of CMC on the fluidized state of coal. This fluidized state was under good condition when rectangular chamber was located either in the low or high material layer. However, dead zone would appear below the wall of material layer when the height of diverging shaped cavity reached 2m. By analyzing of the fluidized state of coal with moisture content of 6%, 9% and 13%, conclusions had been drawn. The higher of the moisture content, the worse of the fluidized state. Besides, dead zone would grow with the increase of the moisture content of the diverging shaped cavity. And the greater of the fluidized speed, the better of the fluidized state of the two humidity state machines.
Keywords：coal moisture control; fluidized bed; the diverging shape
一、煤调湿技术简介
虽然近些年有一些新的煤矿、新的油田以及新的天然气田被发现，但是能源越来越紧张已经是一个不争的事实。据估计，未来世界煤的储量只够使用两百年，而石油天然气将会在50年左右消耗贻尽。在当今形势下，各种能被用来节能以及新能源开发的技术都被加以重视，尤其是煤的清洁以及高效利用上。
焦化行业在隔绝空气条件下将炼焦煤加热到1000℃左右（高温干馏），通过热分解和结焦产生焦炭、焦炉煤气和其他炼焦化学产品。在此工艺过程中，煤中的水分被气化到1000℃，水蒸气随焦炉煤气经上升管排出后，通过喷氨技术，直接将焦炉煤气温度降低到80℃左右，水蒸气中的大量能量被释放并且浪费。
煤调湿技术（Coal Moisture Control）是一种对炼焦煤在入炉前进行水分控制的一种技术，使入炉煤从原来的含水率11%以上调节到5%~6%。干熄焦蒸汽、低压蒸汽、焦炉烟道气都可以被用来提供干燥水分的热量[1]。煤调湿技术不仅可增加加装煤的堆密度，提高焦炭强度，提高炼焦生产能力，而且减少焦化废水排放量，降低成本并实现节能减排得目的[2]。
煤调湿技术的发展已经有几十年历史，第一代煤调湿技术是以导热油回收焦炉烟道气的余热和焦炉上升管显热，在多管回转式干燥机中对煤进行调湿，此技术在重钢得到应用。第二代煤调湿技术是利用干熄焦发电后的低压蒸汽或工厂内其他的蒸汽作为主要热源，在多管回转式干燥机中对煤进行加热，其与第一代煤调湿技术主要的区别在于热载体的不同。宝钢和太钢皆引进了此技术。第三代煤调湿技术是在流化床中，采用焦炉烟道废气对已经破碎过的配合煤进行直接换热，以降低湿度。第三代煤调湿技术由于是烟道气和煤直接接触换热，具有换热强度高，换热效果好等优点，且采用了流化床技术，容易扩大。马钢的煤调湿项目即采用了第三代技术[3]。第四代煤调湿技术在第三代煤调湿技术的基础上，增加了流化床粒度分级功能，对配合煤先进行粒度分级，粗颗粒进行破碎，细颗粒进行调湿。但第四代煤调湿技术还在进行中试试验，并未得到工业化[4]。第三代第四代煤调湿技术中，虽然流化床的使用能很好地降低煤的湿度等问题，但是一直没有相关文献报道流化床煤调湿腔体结构以及湿度对煤料流化的影响。流化床技术能很好地解决煤调湿技术大型化工业化的问题，由于炼焦煤的特殊性，煤在流化床中的流化状态决定了使用流化床技术能不能保证工艺的顺利贯通。本文设计了两种常见的流化床腔体结构，旨在探讨何种结构更利于煤调湿过程中煤料的流化。
二、试验装置简介
实验在国内某大型钢铁集团焦化厂进行，如下图1、图2所示，一号方形腔体的剖面图，底部宽1000mm，高4000mm，6000mm长度，底部布风板分成3个风室，每个风室1X2m2。2号渐扩形腔体底部布风板宽度1000mm，总高4000mm，长度6000mm，也分成3个风室，每个风室1X2m2。每个腔体顶部开3个350X350mm的人孔门，以用于观察调湿机内的工况。布风板上均匀布置了定向风帽，鉴于上海石洞口污泥干化焚烧的运行经验，将布风板的四周的风帽布置成风向和远离排料口布风风帽风向相同[6]。风帽中间，开有Φ273X10的粗颗粒落煤口。
采用原有厂内的高压变频风机接入两个实验装置中，变频风机风量33000Nm3/h,风压38000Pa。通过调节风门控制进入两个实验装置内的风量。控制流化风直接使用常温常压下的空气，以模拟实际状态下的流化工况。
为了模拟破碎后的工况，对调湿机直接进单种细颗粒配煤。配煤粒度如下：
图1 一号腔体剖面图 图2 二号腔体剖面图
三、试验结果
3.1进煤试验
在调湿机不供风的情况下，以30T/h的进煤速度对调湿机进煤，煤粉含水率9%（外水）左右，煤料颗粒度在3mm左右，煤满至1号风室顶部，则停止进煤，然后对1号风室送风，2、3号风室不送风，流化速度0.8m/s，流化5分钟后，急停供风，打开人孔门，进入调湿机，观察料层表面状况。发现沿长度方向上，调湿机料层出现图3所示堆积情况。
沿长度方向上，1号风室表面的料层很平，2号靠1号的部分料层高于1号料层，在达到最高点后，料层越来越低，平缓到底部。因为在此过程中，1号风室正常流化，所以表面平整。流化状态下，由于膨胀作用，料层高度高于静止料层高度，2号上部区域的煤是由1号风室在流化状态下抛过去，故而其高度应接近1号流化状态下料层的高度。因为2号没有进风，堆积在2号的料层自然就比1号风室静止料层高。后半部分煤由于重力作用向下滑动，因此出现一个斜坡。2种类型的腔体内部均出现相同的料层堆积情况。
图3. 物料沿长度方向剖面图 图4. 二号宽度方向剖面图
但是两种腔体的宽度方向的坡面却完全不同，2号腔体1号风室的剖面如图4所示，中间是一个平面，说明流化地很好，边部区域料层略高于中间，形成一个堆积角。而1号方形腔体却没有这种堆积角，整个宽度剖面都是很平整的表面。分析原因，2号渐扩形腔体边上出现堆积角的原因是由于边上的倾斜的扩角在停止鼓风后，煤颗粒直接堆积到侧壁上而不向下滑落，或者侧壁区域由于风量不够，使得煤料不流化造成的堆积。1号方形腔体由于是竖直壁面，各个区域布风均匀，边上就不会出现2号腔体明显的堆积角现象。
给1、2号风室鼓风，流化5分钟后停止进风，观察现象，发现情况和上述类似，1、2号风室表面很平整，在3号的前面部分也有一堆积起来的高于2号风室料层20cm高度的煤。
3.2 不同料层高度流化分析
以30T/h的进煤速度对调湿机连续进煤，煤粉含水率9%（外水）左右，煤料颗粒度在3mm左右。
保持两种腔体料层高度在1m左右，连续运行，可以清楚地看到，两种腔体里面的煤都能很好地流化，边壁无任何死区。此时整个料层布风均匀。观察半个小时后，关闭排料口，对两组腔体同时进煤，进煤速度为20吨/时，将煤的料层高度逐渐增加到2米，1号方形腔体整个床层表面能正常流化，无任何“死区”（即不流化区域，煤静止地停留在一定区域），流化状态均匀。而2号渐扩形腔体靠近壁面有10~20cm宽度的“死区”存在（如图5图6所示），边上的煤没有明显的运动趋势，静止在腔体的侧壁面上。只有中间的煤在流化。随着流化料层越高，边上死区越明显。
分析原因，1号方形腔体在料层逐渐增高后始终不出现死区，是由于整个床层表面布风均匀的结果。在2号渐扩性腔体中，当料层超过底部方形区域后，流化风上升到一定高度，均匀地继续向上运动，左右运动的趋势很小，在布风板上方，流化速度很高，所以该处的煤能流化地很好，而在渐扩区域，侧壁上的风速很小，以及煤的自然堆积角的作用，流化风不能很好地带动煤流化，煤便静止在斜侧壁上。在方形腔体中，由于整个床层上下布风都均匀，所以不会出现死区。
在循环流化床锅炉中，整个炉膛下部是一个渐扩型结构，颗粒在床层内却能流化剧烈。与此处不同的是，循环流化床锅炉床料料层高度不高，一般在1米左右，且流化床的流化速度高，正常运行时热态速度为5m/s左右。流化床锅炉炉内物料（底料灰）干燥，较湿煤容易流化。
图5 渐扩型腔体内部流化状态
图6 渐扩型腔体料层高度对死区的影响
3.3 煤湿度对流化状态的影响
采用三种不同湿度的煤进入两种调湿机，观察不同湿度的煤对流化状态的影响。已经调湿好的煤(含水率6%左右)，含水率9%的煤以及含水率13%的煤被用于实验。空床速度为0.8m/s。
如图7所示，试验发现，当入煤湿度在6%时，1号方形腔体在1米料层和2米料层的情况下都能正常流化，边上无死区，保持进煤1个小时，流化状态无变化。同样，2号渐扩形腔体在1米料层和2米料层下也都能流化良好，边上无死区。整个料层表面都很好流化。只是边上流化程度没有中间区域剧烈。保持进煤1个小时，流化状态无影响。
当入煤水分为9%左右时，1号方形腔体在1米料层和2米料层时也能正常流化，边上无死区，保持进煤一个小时，整个料层表面能保持很好的流化。2号渐扩形腔体在1米料层一直能很好流化，并无死区。当料层提高到2米时，一开始边上的死区很小，随着流化时间延续，边上死区渐渐扩大，最终有10cm左右的死区，。
进一步增加入煤水分至13%，1号方形腔体整个料层表面仍能正常流化，和含水率6%和9%不同的是，此时的流化状态没有前两个水分下剧烈。2号渐扩形腔体在1米料层时能正常流化，流化也没有低水分时剧烈。当料层从1米增加至2米的过程中逐渐出现死区，并渐渐扩大，当连续运行1个小时后，可以看到死区有15~20cm左右。死区面积明显比煤湿度在9%时多。
图7 渐扩型腔体料煤含水率对死区的影响
持续进煤12小时后，将调湿机里面的煤排干净，发现1号方形腔体边壁无任何煤颗粒，而2号渐扩腔体的斜壁上，堆了很厚的一层煤，无法排除。
实际运行中发现，当煤湿度达到13%时，很明显地能观察到煤颗粒中出现细颗粒煤的团聚现象。一些细颗粒煤粘结成团，大的直径有15mm，且数量多。烟煤中的气煤、肥煤、气肥煤、1/3焦煤、焦煤、瘦煤和贫瘦煤都属于炼焦煤，配煤车间根据需要，会将十几中煤按一定比例进行配置成最终的炼焦煤。炼焦煤粘度很大，在运输过程中，对不锈钢料仓落煤斗等都会有板结现象。湿度越高，煤的粘结性越大，板结，以及颗粒团聚现象越严重，当流化速度小于团聚后的颗粒的临界流化速度（颗粒床层从静止状态转变为流态化所需的最低速度）时，就会逐渐出现流化不良等现象，严重的出现死床。
3.4 流化速度对流化状态的影响
控制料层高度1米，流化速度从0.6m/s增加到1m/s，不管是1号方形腔体还是2号渐扩形腔体，流化状态随着流化速度的增加而越来越剧烈。整个床层的流化状态均良好，无任何边壁“死区”。控制料层高度2米时，流化速度从0.6m/s增加到1m/s，随着风速的提高，2号渐扩形腔体的边壁死区逐步松动瓦解，死区区域逐渐减小。
流化速度的选取是根据煤的平均粒径的临界流化速度而定，流化速度越高，气力输送越明显。煤向上运动的初始加速度越高。流化速度越高，流化风对倾斜截面上的煤的松动越明显。
3.5 煤的调湿效果
控制料层高度1米，流化速度1m/s，将1号方形腔体中布置了蛇形管受热面，管子为Φ32X4,横向节距为100mm,纵向节距为100mm,顺列布置。管内通有160度热水，流化床进料速度为15吨/时，进口煤的湿度为10%，出口煤的湿度为6.5%，调湿效果良好。
四、结论与展望
本文综合对比了方形腔体和渐扩形腔体在不同的料层高度，不同的煤湿度以及不同的流化速度下料层流化状况，观察发现，当流化料层较低时，两种腔体对流化状态无明显影响。但料层高度高于2米时，渐扩形腔体容易出现死区而造成边壁上流化恶劣。而方形腔体在高料层下也无明显的死区。增加流化速度可以使流化状态更加剧烈，并且能降低渐扩形腔体边壁死区的影响。
方形腔体煤调湿设备较渐扩形腔体更适合用于煤调湿以及煤颗粒的分级。特别是在处理量大、料层高度高，以及煤湿度大，粘度高的情况。在煤调湿过程中，特别是多雨的南方，煤的湿度很高，最高时有15%[5]，渐扩形腔体就不适宜于南方。
流化床煤调湿便于操作，且调湿效果良好，利于推广和工业化。
参考文献
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5、谭绍栋，施沛润，煤调湿技术在柳钢应用的思考[J]，柳钢科技，200937（2）:11~14。
6、于俊岭，董云彩，污泥流化床干化器换热器盘管磨损现象分析和对策[J]，环境科学与管理，2011，36（04）:79~81。
作者简介：马建炳，毕业于浙江工业大学，毕业后一直从事工程管理与锅炉设计安装相关工作。
论文作者:马建炳,吴健成
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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