煤化工行业气化废渣脱水干化系统中的耗能分析.pdf

浙 江 工 贸 职 业 技 术 学 院 学 报JOURNAL OF ZHEJIANG INDUSTRY&TRADE VOCATIONAL COLLEGE第23卷第3期2023年09月Vol.23 No.3Sep.2023煤化工行业气化废渣脱水干化系统中的耗能分析王积建，龚洪胜（浙江工贸职业技术学院，浙江 温州 325003）摘 要：为了计算废渣脱水干化过程中所消耗的能量，以废渣脱水干化系统中的能量平衡为依据，建立了脱水干化耗能评估模型，稳健性分析表明该模型的误差只有7.2%。接着把该模型应用于某一实际案例，获得了该脱水干化项目所需要消耗的能量，为该项目的可行性论证提供了参考依据。关键词：废渣；脱水干化；耗能；数学模型中图分类号：O29文献标志码：A文章编号：1672-0105（2023）03-0056-03Analysis of Energy Consumption in Dewatering and Drying System ofGasification Waste Residue in Coal Chemical IndustryWANG Jijian,GONG Hongsheng(Zhejiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou 325003,China)Abstract:In order to calculate the energy consumed in the dewatering and drying process of waste slag,a model has beenestablished for evaluating the energy balance in the dewatering and drying system.The robustness analysis showed that the error of themodel was only 7.2%.Having been applied to a real case,the model obtained the energy consumption of the dehydration and dryingproject,which provides a reference for the feasibility demonstration of the project.Keywords:waste slag;dehydration and drying;energy consumption;mathematical model收稿日期：2023-07-04基金项目：浙江省高职教育“十四五”教学改革项目“基于高职数学CMP-CDIO教学模式的应用型数字化案例开发”（jg20230258）作者简介：王积建（1966），男，汉族，甘肃景泰人，硕士，教授，主要研究方向：应用数学、应用统计和数学建模。0 引言目前我国煤化工装置产生的带液废固（主要有气化灰渣、煤泥、生化污泥等）产量较大，含水率较高，极易造成环境污染；同时，煤化工业作为一个高耗水行业，水的回收再利用极为重要，降低带液废固的含水率是固废减量化、无害化、资源化的重要基础，因此对煤化工业带液废固进行深度脱水干化具有十分重要的意义。针对煤化工业带液废固的脱水干化技术，张庆金等1梳理了常用的几种气化滤饼脱水方式，有真空带式压滤机、离心式压滤机、陶瓷过滤机、烘干设备等。罗文保等2采用四种不同的脱水过滤技术（离心卧螺机、低温真空干化一体化脱水系统、陶瓷板过滤机、真空过滤机技术攻关改造）开展现场试验，通过综合比较得出结论：真空过滤机技术攻关改造能够将滤饼含水率降至45%。杜建鹏等3介绍了低温真空脱水干化一体化技术，能够实现煤化工带液废固的脱水干化，可将含水率降低至20%30%。低温真空脱水干化一体化技术作为固废脱水干化的一项成熟的新技术，已经广泛应用于城市污泥、污水的处理中4-8。然而，在实施任何一项固废脱水干化项目时需要提前评估该项目所消耗的能量（例如电能），现有研究文献中较少探讨这一问题。事实上，虽然固废脱水干化会达到减量化、无害化、资源化的目的，但不同组分的固废会消耗不同数量的能量（电能），而不同数量的耗能必然影响经济效益，甚至由于耗能过大而产生亏损。鉴于此，本文从热力工程学角度研究固废脱水干化技术所消耗的能量，为实施这一技术的企业在做可行性分析时提供参考。Doi:10.3969/j.issn.1672-0105.2023.03.012第23卷 第3期1 工程实际概况我国某煤化工集团气化分厂每天产生料浆（湿基细渣）400吨，含水率60%，干基细渣含残碳约40%。目前细渣处理方式是先堆放在暂存库，然后作为建材而出售。如果出现滞销就会引起满仓，还要把多余部分做填埋处理，因此存在处理量大、运输成本高、污染环境、浪费水资源等问题。为了实现节能减排、提质增效、保护环境的目的，气化分厂决定对料浆实施深度脱水干化项目，料浆经过脱水干化后，所提取的水分可被循环利用，产生的滤饼经过焚烧炉生产出蒸汽而被再利用，最终达到减量化、稳定化、无害化、资源化的目的。在实施本项目之前，需要分析料浆干化过程所消耗的能量，以及滤饼焚烧过程所释放的能量，通过比较二者的能量大小来确定本项目的可行性。鉴于篇幅限制，本文仅针对料浆干化过程所消耗的能量进行分析研究。2 料浆干化过程的能量平衡分析料浆干化系统中涉及的主要物料情况，如表1所示。料浆干化系统的能量平衡关系如图1所示。2.1 料浆干化系统能量平衡方程9-12对于料浆干化系统，其能量平衡关系为Qst=Qmst+Qad+Qs+Qhw+Qf（1）式中：Qst进入干化机的热水所带热量，kJ；Qmst料浆中水分蒸发所消耗的能量，kJ；Qad载气带走的显热，kJ；Qs干化料浆（滤饼）带走的显热，kJ；Qhw热水放热后变成冷水所带热量，kJ；Qf干化系统损失的热量，kJ；（1）计算Qmst料浆干化机需蒸发水分的质量为Wmst=Ws11-1-Ms01-Ms1（2）式中：Wmst料浆干化机需蒸发水分的质量，t；Ws1进入干化系统的料浆质量，t；Ms0、Ms1分别为料浆干燥前后的含水率。蒸发这些水分所需要的能量（kJ）为Qmst=1000Wmstw+()Ts1-T cw（3）式中：T环境温度，C；Ts1干化机出口料浆（滤饼）温度，C；w水的汽化潜热，kJ/kg；cw水的比热容，kJ/()kgC。（2）计算Qad料浆干化过程载气的用量与排气温度、排气湿度有关，排气空气中要控制其湿度不会在管道中结露，则干燥所需载气的量（t）为Wad0=Wmstdad1-dad0（4）式中：Wad0干燥所需载气的量，t；dad0 干 化 机 入 口 载 气 含 湿 量，kg水/kg干空气；dad1 干 化 机 出 口 载 气 含 湿 量，kg水/kg干空气。其中，载气含湿量为d=0.622ep-0.378e（5）式中：e对应温度下的蒸汽压，Pa；p大气压，Pa；查表得，当Ta0=40C时，e=7.3814103Pa，p=101.325103Pa，dad0=0.0466；当Ta1=90C时，e=84.529103Pa，dad1=0.7579。表1 料浆干化系统中的物料情况输入输出名称热水料浆入口载气冷水滤饼出口载气流量WstWs1Wad0WhwWs2Wad1性质温度Tst温度T温度Tad0温度Thw温度Ts1温度Tad1压力Pst含水率Ms0含湿量dad0压力Phw含水率Ms1含湿量dad1图1 料浆干化系统的能量和物料平衡图王积建，龚洪胜：煤化工行业气化废渣脱水干化系统中的耗能分析57浙江工贸职业技术学院学报2023年09月载气带走的热量（kJ）为Qad=1000Wad0()Tad1-Tad0ca（6）式中：Tad0干化机入口载气温度，C；Tad1干化机出口载气温度，C；ca空气的比热容，kJ/()kgC。（3）计算Qs干化料浆（滤饼）的产量（t）为Ws2=Ws11-Ms01-Ms1（7）式中：Ws2滤饼的产量，t。干化料浆（滤饼）带走的热量（kJ）为Qs=1000Ws2cs()Ts1-T（8）式中：cs 干 化 料 浆（滤 饼）的 比 热 容，kJ/()kgC；不同含水率料浆（滤饼）的比热容由绝干料浆（滤饼）的比热容与水分比热容加权平均，即cs=cdr()1-Ms1+cwMs1（9）式中：cdr绝干料浆（滤饼）的比热容，kJ/()kgC；（4）计算Qhw料浆干化机出口（热水变成）冷水所带能量（kJ）为Qhw=1000WstHhw（10）式中：Wst进入干化机的热水量，t；Hhw干化机出口冷水焓，kJ/kg；（5）计算Qf料浆干化系统的能量损失（kJ）为Qf=Qst（11）式中：料浆干化系统的能量损失率。（6）计算Qst干化机需要的能量（kJ）为Qst=Qmst+Qad+Qs+Qhw1-（12）（7）计算Ust如果干化机以蒸汽为热媒，则干化机需要的蒸汽量为Ust=Qst1000Hst（13）式中：Ust进入料浆干化机的蒸汽量，t；Hst干化机入口蒸汽焓，kJ/kg；式（12）即是料浆干化过程所需能量的表达式，该表达式的主要参数为料浆的进料量、含水率，出料温度以及载气的湿度等性质参数，可以根据各参数的实际值计算料浆干化所需的能量。2.2 料浆干化系统耗能的计算按以上建立的料浆干化能耗关系，以天为单位计算，料浆每天产生400t，为了避免料浆干化粘滞区对输送的不利影响，把料浆的75%送入干化机进行干化（剩余的25%送入焚烧炉与干化滤饼一起焚烧）。料浆干化计算中涉及的变量取值如表2所示。计算过程中的参数如表3所示。计算得，干化系统需要的能量为8.5048108（kJ），换算成蒸汽量为306.2043t。当然还可以换算为电能或电费，以作进一步分析。2.3 稳健性分析根据以上建立的耗能模型，以上海竹园污泥干化焚烧处理工程项目9为例计算得，干化系统耗能为8.5879107（kJ），而 原 文 中 的 耗 能 为8.0090107（kJ），二者相对误差约为7.2%，误差来源主要是原文中的某些参数没有交代清楚，本文只能使用估计值来计算所致。原文中未明确给出的参 数，一 是 大 气 压 强p(Pa)，本 文 估 计 值 为表2 模型中的变量及其取值输入变量物料（变量）热水热水温度料浆料浆温度料浆含水率符号WstTstWs1TMs0取值18903002096.5单位tt%输出变量物料（变量）入口载气温度滤饼温度滤饼含水率出口载气温度符号Tad0Ts1Ms1Tad1取值40953090单位%（下转 第66页)58浙江工贸职业技术学院学报2023年09月Flow，2013，43：26-3423Antipas G S E Review of gas atomization and spray forming phenomenologyJ Powder Metallury，2013，56（04）：317-33024 Mi J Grant P S，Fritsching U，eatl Multiphsics modelling of the spray forming processJ Materials Science and Engineering A，2008，477（1/2）：2-825 余勇，曾归余，肖明清，等 不同工艺对真空气雾化Ni粉粒度的影响研究J 粉末冶金工业，2015，25（01）：826 Strauss J T Hotter gas increases atomization efficiencyJ Metal Powder Report，1999，54（11）：24-2827 Jason Ting，Jeffery Connor，Stephen Ridder High-speed cinematography of gas-metal atomiaztionJ Mater Sci Eng A，2005，390：45228 尚峰，乔斌，李化强 MIM用粉末制备技术的研究J 煤矿机械，2007，28（08）：116-11829 刘宜汉，杨洪波 金属陶瓷材料制备与应用M 沈阳：东北大学出版社，2012：4630 Grenier S LENS Moves beyond RP to Direct Fabrica-tionJ Metal Powder Report，1998，53（11）：26-2831 Grenier S，Allaire F PlasmaAtomization Gives UniqueSpherical PowdersJ Metal Powder Report，1997，52（11）：34-37（责任编辑：李 勇）p=101.325103(Pa)；二是干化机入口载气温度对应的蒸气压e(Pa)，本文通过查表13得出。3 结束语本文针对煤化工行业气化废渣深度脱水干化一体化技术所消耗的能量进行了研究，建立了废渣脱水干化耗能评估模型，把该模型应用于上海竹园污泥干化焚烧处理工程进行了稳健性分析，相对误差非常小。使用该模型以我国某煤化工集团气化分厂的固废（料浆）脱水干化项目为例进行分析，获得了该项目所耗能量，为该项目的可行性论证提供了参考依据。表3 模型中的参数参数水的汽化潜热w水的比热容cw空气的比热容ca绝干料浆的比热容cdr入口热水焓Hst出口冷水焓Hhw系统热损失率单位kJ/kgkJ/（kg ）kJ/（kg ）kJ/（kg ）kJ/kgkJ/kg%取值22824.1871.021.330015010备注0.06MPa，90-常温条件下0.5MPa，800.5MPa，40参考文献：1 张庆金，曹真真，李红明 板框压滤机在气化煤灰脱水上的应用研究J 氮肥与合成气，2019，47（05）：13-162 罗文保，张保钢，范为鹏 气化滤饼脱水改造技术方案比选应用及资源化利用J 山东化工，2020，49（24）：112-1163 杜建鹏，郭伟，卢宇飞 煤化工带液废固低温真空脱水干化一体化技术研究及应用分析J 广东化工，2021，48（13）：305-3074 黄申斌，曲献伟，匡毅，等 污泥低温真空脱水干化一体化技术装备大型城市污水处理厂的应用J 中国市政工程，2020（04）：131-1325 赵旭远，张露，冒小丹 堆存污泥深度脱水及其干化泥饼焚烧特性研究J 环境科学研究，2021，34（04）：1015-10226 李亮，史慧婷 污泥低温真空脱水干化工艺的工程应用J 中国给水排水，2017，33（12）：71-747 徐佳媚，黄瑛，姚一思，等 南京市污泥深度脱水-干化-焚烧处置规划研究J 环境工程，2015（S1）：515-5198 许太明，孙洪娟，曲献伟，等 污泥低温真空脱水干化成套技术J 中国给水排水，2013，29（02）：106-1089 朱小玲 竹园污泥干化焚烧厂运行技术优化研究D 浙江大学，201310 程晓波，李博，王飞，等 上海市竹园污泥干化焚烧系统的能量平衡分析J 节能，2011，30（10）：15-1811 韩吉兵，田贯三，王德林，等 市政污泥干燥焚烧联合运行分析J 可再生能源，2006（06）：63-6612 王彬全，麻红磊，金余其，等 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