Study on Coal Classifying Moisture Control in an Integrated Bed

Abstract

焦煤预热调湿、也称煤调湿 (CMC：Coal Moisture Control)是焦化过程重要的煤预处理技术和焦化行业的重要节能减排技术之一，通过利用过程余热调节进入焦炉的原料煤的水分和提升入料温度而降低焦化过程能耗、废水废气排放和提高焦炭质量，在焦化行业受到了普遍重视，具有重要意义。自上世纪80年代以来研发了三代煤调湿技术，分别以利用载体油加热回转窑、蒸汽载体加热回转窑和焦煤粉碎后的烟气流化床三种不同反应器为特点，其中前两代技术已在日本得到广泛应用，我国也引进了数套装置，但第三代技术仅在日本形成了实际应用，我国的济钢等大型钢铁公司近几年也研发了相应技术，但有待产业化。本文发现：原料焦煤的水分主要集中在不需要粉碎的粒径较小焦煤组分中，由此提出了以集成流化床和输送床而形成的复合床为反应器的新型焦煤预处理技术工艺：焦煤分级预热调湿技术(CCMC: Coal Classifying Moisture Control），在焦煤粉碎前同时实现分级和预热调湿，并针对粗细煤颗粒组分优化控制其调湿和分级行为，较传统CMC技术进一步提高预热调湿过程效率、并减少煤粉碎负荷量而增加焦煤预处理的节能与减排效果。以研发CCMC技术为目标，本文首先在实验室研究了宽粒度分布煤的分级特性和脱水升温特性，进而设计建设了煤处理量2.0 t/h的中试装置，开展了新技术的中试研究，验证了技术的可行性，揭示了技术优势，为其进一步放大与产业化提供了理论与数据依据。各部分研究的主要内容和结果如下： 1. 煤分级特性基础研究。通过冷态实验考察了煤分级行为随气速、加料速率等操作条件的变化的特性。气速是煤分级的决定性参数，不同切割粒径对应的操作气速可通过Richardson and Zaki公式计算。在一定范围内加料速率对分级效果影响不明显。研究溢流口、布气方式、流化床直径等结构参数的影响发现：较高床内物料层虽然有利于物料夹带，但不明显促进分级，表明溢流口应尽可能低；采用二次风可降低底部流化床内煤层中通过的气量，防止 (粗)煤的过度调湿，并确保分级效果，结果表明通过二次风可降低流化床内气体流量30.0%；减小底部流化床直径也可有效降低通过流化床内的气体量，并对分级效果影响不显著。 2. 煤预热脱湿基础研究。在实验室小型热态流化床(模拟流化床)和热气流(模拟输送床)中考察了装于小篮中的煤颗粒团的预热调湿行为随温度、气速和粒径的变化。煤颗粒团的调湿和预热升温速率（以气流对颗粒的传热速率表征）均随处理时间而变小，且其速率在热气流中比在流化床内快。对于热气流和流化热颗粒床两种情形，煤颗粒团的脱湿速率和升温速率随气温升高和气速增大而增大，对于热气流中的小粒径细煤而言，粒径越大，其预热升温速率越小，但煤粒径的作用中尚未分离不同粒径煤由于水分含量的差异导致的影响。针对煤预热升温及脱湿，温度作用最为显著，气速次之，粒径最小。相对流化颗粒床，在热气流中气温对脱湿和升温的作用更明显，而气速的作用在流化床内更强。在热气流和流化热颗粒床中的煤颗粒预热与脱湿行为均可用Newton热传递模型和Henderson and Pabis干燥模型描述。实验结果还表明：在模拟实际过程气体温度与速度条件时的煤颗粒调湿时间约为3-5s，煤温可升高10.0-20.0 K。 中试研究。基于实验室研究结果设计建造了煤处理量2.0 t/h、高25m的中试试验装置，开展了中试研究，考察了煤分级预热调湿效果随气温、气速、设备高度位置的变化。在433.2K和6.0 m/s的热气流条件下 (中试装置能提供的温度和气速限度)，可有效分级1.5 mm的细煤成为顶部收集的组分，将其湿度降低3-5个百分点，煤温提升15.0-40.0 K，与基础研究结果基本相符，证明了技术可行性，揭示了技术可能的效果。结果还表明：新技术的单位截面煤处理能力达5 t/(m2·h)以上，是传统CMC技术的2倍以上。中试研究奠定了进一步工业放大的基础