Một nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành đối với than non có nguồn gốc khác nhau, tức là Ba Lan, Hy Lạp, Romania và Úc, bằng cách sử dụng máy sấy tầng hình xuyến. Tác động của nhiệt độ đến hiệu quả sấy, bao gồm cả việc mất độ ẩm theo thời gian trong điều kiện sấy cố định là chủ đề của cuộc điều tra. Mục tiêu chính là xác nhận khả năng sử dụng tầng hình xuyến làm cơ sở cho hệ thống sấy có thể sử dụng nhiệt chất lượng thấp từ các nguồn như khí thải từ lò hơi và xác định các thông số tối ưu cho hệ thống như vậy. Nghiên cứu được tiến hành đã chứng minh một cách thuyết phục tính khả thi của việc sử dụng các nguồn nhiệt nhiệt độ thấp để sấy than non trong tầng hình xuyến. Có thể đạt được độ ẩm 20% đối với hầu hết các loại than non được thử nghiệm, bằng cách sử dụng tầng hình xuyến, với thời gian lưu trú khá ngắn (khoảng 30 phút) và nhiệt độ không khí thấp tới 60 °C. Hơn nữa, sự thay đổi trong phân bố kích thước hạt, ở một mức độ nào đó, đã ảnh hưởng đến độ ẩm cuối cùng do sự cuốn theo các hạt ướt, mịn. Nghiên cứu cũng xác định rằng sự mài mòn của các hạt trong lớp nghiền cũng là một phần nguyên nhân tạo ra các hạt mịn.
Từ khóa:
sấy khô;than non;giường hình xuyến;sự hao mòn;hiệu quả năng lượng
Lignite là nhiên liệu hóa thạch rắn chủ yếu được sử dụng để phát điện. Mặc dù nguồn năng lượng tái tạo được lắp đặt gần đây đã tăng lên, việc sử dụng lignite vẫn đáng kể trên toàn thế giới. Năm 2015, khai thác lignite trên toàn thế giới đạt gần 811 triệu tấn [1], bao gồm 399 triệu tấn được khai thác trên khắp EU [2]; tỷ lệ sản xuất điện có nguồn gốc từ than non vượt quá 20% ở một số quốc gia như Úc, Bulgaria, Séc, Đức, Hy Lạp, Ba Lan, Romania, Serbia và các quốc gia khác [2]. Than non là nhiên liệu rắn có thứ hạng thấp [3], đặc trưng bởi hàm lượng ẩm cao. Giảm hàm lượng ẩm của than non trước khi sử dụng có thể làm tăng giá trị nhiệt của nó, giảm chi phí vận chuyển đường dài và giảm lượng khí thải nhà kính từ việc sử dụng nó. Sấy khô cũng là một điều kiện tiên quyết điển hình cho các công nghệ nhằm sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng cao từ than non, chẳng hạn như chất cải tạo đất [4]. Do đó, một cuộc điều tra nhằm hợp lý hóa việc sử dụng than non và đồng thời tận dụng nhiệt lượng cấp thấp, vốn bị lãng phí nếu không có than non, có vẻ là hoàn toàn hợp lý.
Gần đây, nhiều công trình đã được thực hiện về các khía cạnh cơ bản của quá trình sấy lignit. Park và cộng sự đã nghiên cứu tác động của thời gian sấy, nhiệt độ và vận tốc của tác nhân sấy đến hiệu quả sấy lignit của Indonesia và phát triển một mô hình toán học cho phép dự đoán hàm lượng ẩm tùy thuộc vào thời gian lưu trú và điều kiện sấy [5]. Si et al. đã nghiên cứu quá trình sấy tầng sôi bằng lò vi sóng 3 giai đoạn của than non Shengli và xác định rằng độ xốp của than non khô giảm khi công suất lò vi sóng tăng [6]. Song et al. xác định rằng hàm lượng ẩm tổng thể của than non từ phía đông Nội Mông giảm nhanh hơn ở công suất vi sóng cao hơn [7]. Pusat và Herdem đã xác định đặc tính sấy của than non Konya-Ilgin của Thổ Nhĩ Kỳ trong máy sấy cố định [8]. Nghiên cứu xác định rằng thời gian sấy cần thiết tăng lên khi chiều cao của luống tăng và ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sấy tăng lên khi chiều cao của luống tăng [8]. Yang và cộng sự đã thử nghiệm khả năng hấp thụ lại độ ẩm của than non sau khi sấy khô trong một lớp cố định và xác định được sản lượng độ ẩm hấp thụ lại cao nhất đối với than non sấy khô ở 100 °C do tỷ lệ thể tích tương đối cao của các lỗ mesopore [9]. Feng et al. đã nghiên cứu tác động của Biểu hiện nhiệt cơ học lên cấu trúc của than non và xác định những thay đổi về thể tích lỗ rỗng giữa than non thô và than non được sấy khô ở nhiệt độ sấy từ 120 °C đến 150 °C dưới áp suất lần lượt là 10 MPa và 30 MPa [10]. Wen et al. đã nghiên cứu động học sấy của than non thô và than non được làm ẩm lại và xác định tốc độ sấy của than non thô chậm hơn so với than non được làm ẩm lại [11]. Hơn nữa, nghiên cứu phát hiện ra rằng hệ số khuếch tán hiệu quả đối với than non ẩm cao hơn giá trị tương ứng đối với than non thô [11].
Pawlak-Kruczek và cộng sự đã tiến hành một nghiên cứu bao gồm cả điều tra thực nghiệm và mô phỏng số quá trình sấy than non trong lò lưu hóa, sử dụng tác nhân sấy nhiệt độ thấp (không khí, tối đa 50 °C) [12]. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi tổng thể của khái niệm sử dụng nguồn nhiệt nhiệt độ thấp. Hơn nữa, nghiên cứu đã chỉ ra tầm quan trọng của các yếu tố như đặc tính cấu trúc của than non cùng với sự co ngót của nó trong quá trình sấy [12]. Agraniotis và cộng sự đã so sánh các mô phỏng CFD với kết quả thử nghiệm từ cơ sở đốt nhiên liệu nghiền công suất 1 MWth [13]. Kết quả cho thấy sự phù hợp tốt giữa mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Nhiệt độ đo được dọc theo trục lò, đặc biệt là ở phần dưới cùng của lò, cao nhất đối với trường hợp đốt than non khô, trong đó hơi và khí mang không được tuần hoàn trở lại lò [13]. Điều này có vẻ phù hợp với kết quả của một nghiên cứu khác do Tahmasebi và cộng sự thực hiện, trong đó nghiên cứu mối quan hệ giữa hàm lượng ẩm và quá trình đánh lửa của các hạt than non Trung Quốc và Indonesia [14]. Nghiên cứu này xác định rằng việc tăng hàm lượng ẩm của than non được thử nghiệm đã làm chậm đáng kể quá trình đánh lửa của chúng [14]. Các mô phỏng số do Drosatos và cộng sự thực hiện đã chứng minh rằng việc sử dụng than non sấy khô trước có thể cải thiện tính linh hoạt của lò hơi và cho phép lò hoạt động ở mức tải cực thấp, bằng 35% tải danh nghĩa [15]. Komatsu và cộng sự đã tiến hành các thí nghiệm liên quan đến việc sấy khô các hạt than non thô, sử dụng hơi nước quá nhiệt ở nhiệt độ 110 °C đến 170 °C [16]. Nghiên cứu kết luận rằng giá trị tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và kích thước hạt của than non, trong khi mối quan hệ trong giai đoạn tốc độ sấy giảm phức tạp hơn nhiều do các vết nứt bắt đầu hình thành trên bề mặt của hạt đã sấy [16]. Pusat et al. đã nghiên cứu quá trình sấy than non Thổ Nhĩ Kỳ trong một lớp cố định, sử dụng không khí sấy ở nhiệt độ từ 70 °C đến 130 °C và vận tốc từ 0,4 đến 1,1 m/giây [17]. Kích thước hạt của than non thay đổi từ 20 đến 50 mm và đối với các hạt thô như vậy, không quan sát thấy thời gian sấy khô không đổi trong các thí nghiệm đã thực hiện [17]. Sciazko và cộng sự đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của các đặc tính thạch học đến đặc tính sấy của than non Turoszów trong quá trình sấy hơi nước quá nhiệt [18]. Cuộc điều tra đã được thực hiện, sử dụng các hạt hình cầu 5 mm và 10 mm, với nhiệt độ dao động từ 110 °C đến 170 °C [18] và kết luận rằng thời gian sấy, tốc độ sấy, độ dốc nhiệt độ, hiện tượng nứt và co ngót phụ thuộc vào kiểu đá của than non được thử nghiệm [18].
Sự vỡ vụn và mài mòn trong quá trình sấy than non Úc trong lớp cố định và lớp sôi ở nhiệt độ 130 °C là chủ đề của một nghiên cứu mở rộng do Stokie và cộng sự thực hiện. [19]. Nghiên cứu kết luận rằng lý do chính gây ra sự vỡ là sự chuyển đổi giữa nước dạng khối và nước không đóng băng [19]. Những thay đổi về kích thước hạt giữa lớp cố định nhỏ và lớp lưu hóa nhỏ (mẫu 10 g), được biểu thị bằng đường kính d50, là không đáng kể. Tuy nhiên, một sự khác biệt đáng kể về sự thay đổi kích thước hạt đã được ghi nhận đối với lớp lưu hóa lớn (kích thước mẫu 3 kg) cho thấy ảnh hưởng lớn của hiệu ứng quy mô của lớp.
Lò phản ứng tầng sôi hình xuyến là một loại lò phản ứng tầng sôi đặc biệt, có hệ thống phân phối khí bao gồm các cánh nghiêng, nằm ở đáy lò phản ứng [20]. Sự sắp xếp này cho phép tăng cường hiệu suất của giường [21,22], tức là tăng cường sự truyền nhiệt và truyền khối [20,21] cũng như cải thiện việc trộn [21,23,24]. Điều này là do mô hình dòng xoáy và đặc trưng cho tất cả các lò phản ứng xoáy [24,25,26,27]. Về mặt hiệu suất của lò phản ứng, nó cho phép tăng thông lượng (tăng năng suất) với thời gian lưu trú giảm [28]. Hầu hết các công trình được công bố cho đến nay về các loại giường như vậy đều liên quan đến nhiều loại xử lý nhiệt khác nhau [29,30], quá trình nung [31] hoặc tăng cường hấp phụ để thu giữ carbon [32]. Có rất ít thông tin về việc sấy khô trong các lớp lưu hóa có mô hình dòng chảy hình xuyến [33]. Nghiên cứu này nhằm mục đích giải quyết khoảng cách kiến thức này.
Như thể hiện trongMục 1.1, sấy than non là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều thông số (nhiệt độ, thời gian lưu trú, tác nhân sấy, phương pháp sấy và tính chất của than non). Có một khoảng cách kiến thức liên quan đến động học sấy và mức tiêu thụ năng lượng để sấy trong các lớp hình xuyến có độ nhiễu loạn cao. Hơn nữa, đây là điều kiện tiên quyết cho bất kỳ nghiên cứu nào nhằm tích hợp các máy sấy như vậy, sử dụng nhiệt thải chất lượng thấp, vào các nhà máy điện than non. Điều này sẽ cho phép người ta so sánh khả năng tiết kiệm năng lượng khi sử dụng các giải pháp mới với khả năng tiết kiệm năng lượng đã được chứng minh đối với các giải pháp sấy than non hiện có, sử dụng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao hơn [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46].
Nghiên cứu này nhằm mục đích lấp đầy khoảng trống đó bằng cách điều tra quá trình sấy lignit có nguồn gốc khác nhau trong một lớp hình xuyến, sử dụng không khí làm tác nhân sấy. Người ta mong đợi rằng cấu hình như vậy sẽ làm tăng cường khối lượng và truyền nhiệt, sau đó cho phép sử dụng tác nhân sấy ở nhiệt độ tương đối thấp. Một nghiên cứu thực nghiệm, sử dụng máy sấy lớp hình xuyến, đã được thực hiện đối với lignit có nguồn gốc từ các quốc gia khác nhau, tức là Ba Lan, Hy Lạp, Romania và Úc. Tác động của nhiệt độ đến hiệu quả sấy, bao gồm cả việc mất hàm lượng ẩm theo thời gian ở các điều kiện sấy cố định là chủ đề của cuộc điều tra. Động học của quá trình sấy và mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình sấy ở các nhiệt độ trung bình khác nhau đã được xác định và so sánh. Nghiên cứu này nhằm xác định thông số tối ưu của quy trình sấy, tức là nhiệt độ và thời gian lưu, có tính đến tốc độ sấy và mức tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, các yếu tố khác, chẳng hạn như độ ẩm tương đối của tác nhân sấy cùng với các đặc tính vốn có của nguyên liệu đầu vào cũng có ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình sấy. Phương pháp luận được sử dụng trong nghiên cứu này có thể áp dụng chung cho các quy trình sấy nói chung. Về mặt đó, bộ thí nghiệm đã thực hiện có thể được coi là một nghiên cứu điển hình chứng minh tính ứng dụng rộng rãi của phương pháp thử nghiệm.
Mục đích chính của nghiên cứu được thực hiện là xác nhận khả năng sử dụng một lớp lò hình xuyến làm cơ sở cho một hệ thống sấy có thể sử dụng nhiệt chất lượng thấp từ các nguồn như khí thải từ lò hơi. Một loại máy sấy tầng sôi như vậy chưa bao giờ được sử dụng để sấy lignit, cùng với khả năng sử dụng nhiệt chất lượng thấp, nhấn mạnh tính mới lạ của nghiên cứu được thực hiện. Hơn nữa, nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra các thông số máy sấy hiệu quả nhất, tức là các thông số cho phép đạt được mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu để loại bỏ 1 kg H2O chứa trên bề mặt và các lỗ rỗng của các hạt lignit.
Các mẫu than non Ba Lan được lấy từ mỏ lộ thiên Sieniawa. Than non từ Sieniawa chủ yếu bao gồm các mẫu thạch bản xylodetritic và detroxylytic [47]. Than non Hy Lạp được lấy từ mỏ South Field cung cấp cho nhà máy điện Agios Dimitrios do Tổng công ty Điện lực Công cộng điều hành. Một mẫu than non Romania được lấy từ mỏ Peșteana, nơi cung cấp nhiên liệu cho nhà máy điện Rovinari của Tổ hợp Năng lượng Oltenia. Than non Úc được lấy từ mỏ Yallourn ở Thung lũng Latrobe, nơi cung cấp nhiên liệu cho nhà máy điện Yallourn của Energy Australia. Tất cả than non đã được nghiền trước đến kích thước danh nghĩa là 8 mm trước khi tiến hành các thử nghiệm.
Đặc tính cơ bản của than non được sử dụng cho nghiên cứu này được thực hiện bằng phương pháp phân tích gần đúng và cuối cùng, đây là cách điển hình để phân tích nhiên liệu rắn. Phân tích gần đúng của than non (Bảng 1) được thực hiện bằng cách sử dụng Perkin Elmer Diamond TGA (331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, Hoa Kỳ). Chương trình sau đây đã được áp dụng trong các thử nghiệm này:
Bảng 1.Phân tích gần đúng và phân tích nguyên tố của than non đã thử nghiệm.
(1) Giai đoạn đầu
∘
Làm nóng đến 105 °C; tăng dần 10 °C/phút
∘
Giữ 10 phút
(2 a) Để thu được hàm lượng tro, người ta đã sử dụng không khí:
∘
Làm nóng đến 815 °C; tăng dần 50 °C/phút
∘
Giữ 15 phút
(2 b) Để thu được hàm lượng vật chất dễ bay hơi, người ta đã sử dụng argon:
∘
Làm nóng đến 850 °C; tăng dần 50 °C/phút
∘
Giữ 15 phút
Giá trị nhiệt cao hơn được xác định bằng cách sử dụng nhiệt lượng kế bom cơ bản IKA C2000 (KA®-Werke GmbH & Co. KG, Janke & Kunkel-Str. 10, 79219 Staufen, Đức), tuân thủ tiêu chuẩn ISO 1928. Phương pháp isoperibolic đã được sử dụng. Giá trị nhiệt thấp hơn được tính toán bằng cách sử dụng độ ẩm và hàm lượng hydro. Phân tích cuối cùng (Bảng 1) được thực hiện bằng máy phân tích Perkin Elmer 2400 (331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, Hoa Kỳ), theo tiêu chuẩn PKN-ISO/TS 12902:2007 của Ba Lan. Phân bố kích thước hạt được xác định bằng cách sử dụng một bộ sàng đã hiệu chuẩn, tuân thủ ISO 3310-1.
Trong bộ thí nghiệm được mô tả trong nghiên cứu này, một giàn lò lưu hóa hình xuyến đã được sử dụng để thực hiện quá trình sấy khô. Sơ đồ lắp đặt được hiển thị trongHình 1. Thiết bị thử nghiệm hoạt động theo chế độ hàng loạt. Một mẻ khoảng 2,5 kg than non được nạp thủ công qua phễu nạp liệu (E4 trongHình 1) trong mỗi lần thử nghiệm. Nhiệt độ của không khí sấy được duy trì bằng cách sử dụng hai bộ gia nhiệt có hệ thống kiểm soát nhiệt độ, mỗi bộ có công suất danh định là 3 kW (E20 và E17 trongHình 1). Không khí sấy được cung cấp bởi một máy thổi (E3 trongHình 1) với lưu lượng khí nóng khoảng 130 m3/h để đạt được cùng một vận tốc cho mỗi lần thử nghiệm. Lưu lượng được kiểm soát bằng van (E7 trongHình 1).
Hình 1.Sơ đồ lắp đặt Torbed.
Máy sấy giường hình xuyến, được hiển thị trongHình 1, là một cột trụ thẳng đứng được đóng ở phía trên bằng một hình nón cụt ngược, trong đó quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí và vật liệu sấy diễn ra trực tiếp. Ở phía dưới của buồng lưu hóa, các cánh xoáy được lắp đặt để tạo ra một dòng xoáy bên trong buồng sấy.
Trong quá trình thực hiện bộ thí nghiệm, các thông số sau đã được đo: nhiệt độ, độ ẩm tương đối, lưu lượng không khí và mức tiêu thụ điện của từng thiết bị. Các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đã được lắp đặt tại đầu vào của không khí nóng vào máy sấy (T4 và Rh1 trongHình 1) và tại đầu ra của lắp đặt (T2 và Rh2 trongHình 1). Nhiệt độ được đo bằng cảm biến Pt1000 tiêu chuẩn, với thông số kỹ thuật tuân thủ các yêu cầu loại A được định nghĩa trong EN 60751. Độ ẩm tương đối (RH), là thể tích hơi nước trong không khí chia cho thể tích hơi nước tối đa, ở nhiệt độ và áp suất nhất định, được đo bằng cảm biến HC1000-400 và máy phát EE31 với phạm vi hoạt động từ 0 đến 100% RH, phạm vi nhiệt độ nằm trong khoảng -40 đến 80 °C, thời gian phản hồi < 15 giây và độ chính xác đạt 2,4% (với khoảng tin cậy là 95%). Lưu lượng khí sấy được đo bằng lưu lượng kế khối lượng FCI ST-50 với độ chính xác ±2% giá trị đọc. Tải điện của quạt gió được đo bằng đồng hồ đo Watt sử dụng đồng hồ mạng ND20 do Lumel sản xuất, với độ chính xác ±1% phạm vi đo (1,65 kW). Tất cả các giá trị được ghi lại với khoảng thời gian lấy mẫu là 1 giây.
Sơ đồ mô hình máy sấy không có chiều, được sử dụng cho nghiên cứu này, được thể hiện trongHình 2. Mô hình mô tả một máy sấy một giai đoạn với một bộ gia nhiệt tác nhân sấy bên ngoài bổ sung. Mô hình bao gồm một vài thành phần phụ. Nó được sử dụng để tính toán năng lượng tiêu thụ của máy sấy trong toàn bộ thí nghiệm, cũng như để tính toán khối lượng nước được loại bỏ, dựa trên độ ẩm tương đối của không khí tại đầu ra của máy sấy. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng enthalpy đi vào máy sấy phải bằng tổng enthalpy rời khỏi máy sấy. Phương trình của mô hình máy sấy tương ứng là:
��1+��2=��3+��4+��5�1+�2=�3+�4+�5
(1)
Ở đâu:
Hình 2.Sơ đồ máy sấy một giai đoạn có thêm bộ gia nhiệt tác nhân sấy bên ngoài.
��1�1 là nhiệt lượng của không khí sấy ở đầu ra của bộ trao đổi nhiệt;
��2�2 là nhiệt lượng của than non ướt đi vào máy sấy, có thể tách thành nhiệt lượng của nước trong vật liệu và nhiệt lượng của vật chất khô;
��3�3 là nhiệt lượng của không khí ẩm thoát ra khỏi máy sấy;
��4�4 là nhiệt lượng của than non khô ra khỏi máy sấy;
��5�5 biểu thị lượng nhiệt bị mất ra môi trường xung quanh bởi vỏ máy sấy.
Theo tiêu chuẩn EN ISO 13788:2001, áp suất hơi bão hòa được tính toán như sau:
��������=610·��17,269 ·��237,5+�� ������ �� ≥0 °������=610·�17,269·�237,5 +� ��� � ≥0 °�
(2)
Ở đâu:
Pđã ngồi—áp suất hơi bão hòa, Pa;
T—nhiệt độ, °C.
Độ ẩm tuyệt đối trong không khí, có tính đến độ ẩm tương đối được đo:
��=0,622��·���������100·��−������������=0,622�·����100·�−������
(3)
Ở đâu:
X—độ ẩm tuyệt đối trong không khí, kg·m−3 (không khí khô);
φ—độ ẩm tương đối của không khí, %;
P—áp suất không khí ẩm (môi trường xung quanh), Pa;
Pđã ngồi—áp suất hơi bão hòa, Pa.
Sự gia tăng độ ẩm trong không khí tương ứng với sự mất độ ẩm trong than non:
Δ��=0,622(��2·��������2100·��−��2·��������2−��0·���������0100 ·��−�� 0·��������0)Δ�=0,622(�2·����2100·�−�2·����2−�0 ·����0100·�−�0 ·����0)
(4)
Ở đâu:
ΔX—tăng độ ẩm tuyệt đối của tác nhân sấy (không khí), kg·m−3;
Lượng nước được loại bỏ khỏi than non trong một khoảng thời gian nhất định tương ứng với sự khác biệt về lượng nước chứa trong không khí ở đầu vào và đầu ra của máy sấy. Giá trị tức thời của lượng nước bị mất đi bởi than non (giữa hai thời điểmt1 vàt2) được xác định từ công thức:
�����������=Δ����������·�������������������(��2−��1)� ����=Δ�����·����·����(�2−�1)
(5)
Ở đâu:
Tôibốc hơi—lượng nước mất đi trong than, kg;
ΔX—tăng độ ẩm tuyệt đối của tác nhân sấy (không khí), kg·m−3;
������������—mật độ của không khí ẩm, kg·m−3;
������������—mật độ của không khí khô, kg·m−3;
Vướt—lưu lượng không khí ở đầu vào của máy sấy, m3·h−1.
Các thử nghiệm sấy khô đã được thực hiện trên giá đỡ được trình bày trongHình 1đối với luồng không khí nóng 130 m3·h−1 ở nhiệt độ 35 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C và 80 °C. Các thử nghiệm được thực hiện cho đến khi sự thay đổi độ ẩm của không khí sấy, giữa đầu vào và đầu ra của máy sấy, được coi là không đáng kể (xemHình 3). Khi đạt đến điểm đó, lignit đã đạt được trạng thái cân bằng với không khí khô đi vào, do đó không thể sấy khô thêm nữa. Việc máy sấy đạt đến trạng thái này được gọi là đạt được hàm lượng ẩm cuối cùng và thời gian để đạt được giá trị này được gọi là thời gian sấy. Khi nhiệt độ chất làm khô tăng lên, hàm lượng ẩm cuối cùng thấp hơn thường đạt được trong thời gian sấy tương đối ngắn hơn.Hình 3hiển thị các giá trị đo được và ghi lại trong quá trình thử nghiệm sấy than non Ba Lan ở nhiệt độ 50 °C. Biểu đồ chỉ hiển thị các thông số được sử dụng để tính toán động học sấy và xác định mức tiêu thụ năng lượng của quá trình sấy, tức là lưu lượng không khí, nhiệt độ và độ ẩm ở đầu vào và đầu ra của máy sấy).
Hình 3.Một ví dụ về thử nghiệm sấy khô đối với than non Ba Lan ở nhiệt độ 50 °C.
Các thử nghiệm sấy khô cho máy sấy Torbed đã được thực hiện, sử dụng than non từ Ba Lan, Hy Lạp, Romania và Úc. Kết quả phân tích nguyên tố và gần đúng được trình bày trongBảng 1.Hình 4trình bày sự phân bố kích thước hạt, là giá trị trung bình của tất cả các thử nghiệm được thực hiện trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ.
Hình 4.Phân bố kích thước hạt của than non có nguồn gốc khác nhau trước và sau khi sấy trong hệ thống Torbed.
Hình 5so sánh kích thước hạt trung bình của lignit ướt và khô và so sánh kết quả thu được trong nghiên cứu này với kết quả được công bố trong một nghiên cứu khác về sấy trong lò lưu hóa. Nó mô tả những thay đổi tương ứng của kích thước hạt trung bình (d50) cho mỗi loại lignit do quá trình sấy được thực hiện. Nó mô tả sự khác biệt giữa lignit Ba Lan và các loại lignit khác được sử dụng cho nghiên cứu này. Nó cũng cho thấy rằng những thay đổi về kích thước hạt trung bình khác nhau giữa các loại lignit. Những thay đổi về đường kính d50 khác nhau giữa các loại lignit khác nhau (Hình 5), trong đó sự thay đổi tương đối cao nhất là đối với than non Úc và thấp nhất là đối với than non Romania.
Hình 5.Kích thước hạt trung bình (d50) đối với than non ướt và khô (* kết quả của Stokie et al. [19] để so sánh).
Xét đến nguyên lý hoạt động của máy sấy giường hình xuyến, có vẻ hợp lý khi cho rằng sự mài mòn của các hạt cũng có thể được coi là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi phân bố kích thước hạt sau khi sấy. Bằng chứng về cấu trúc nứt, yếu của các hạt được sấy khô trong giường hình xuyến được chứng minh trong các hình ảnh SEM hiển thị trong Hình 8.
Hình 6VàHình 7hiển thị các ví dụ về sự phân bố khác nhau của hàm lượng ẩm giữa các hạt có kích thước khác nhau. Hai hình này chứng minh rõ ràng rằng các hạt mịn bị cuốn ra khỏi lớp hình xuyến trước thời hạn. Điều này dẫn đến hàm lượng ẩm cao hơn của các hạt mịn bị cuốn ra, tại đầu ra của máy sấy.Hình 8cho thấy sự khác biệt về mặt bề mặt của hai hạt than non, một hạt được sấy khô trong lò nung ở nhiệt độ 100 °C và hạt còn lại được sấy khô trong lò hình xuyến ở nhiệt độ 50 °C.
Hình 6.Sự khác biệt giữa hàm lượng ẩm của các hạt có kích thước khác nhau đối với than non ướt và than non khô—một ví dụ về than non Hy Lạp ở nhiều nhiệt độ khác nhau của quá trình sấy.
Hình 7.Sự khác biệt giữa hàm lượng ẩm của các hạt có kích thước khác nhau đối với than non ướt và than non khô—một ví dụ về than non Úc đối với các nhiệt độ khác nhau của quá trình sấy. Động học sấy, đối với than non Sieniawa, trong quá trình lắp đặt lò nung và tổng mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kg nước loại bỏ được trình bày trongHình 9VàHình 10, tương ứng.Hình 9cho thấy các đường cong biểu diễn sự mất độ ẩm của than non từ mỏ Sieniawa. Dưới độ ẩm cuối cùng là 15%, tốc độ sấy giảm đáng kể đối với mọi nhiệt độ của tác nhân sấy. Giá trị này được gọi là độ ẩm tới hạn và phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc của than non và tính chất hóa học của nó. Đây là một chỉ số hữu ích cho phép xác định tỷ lệ nước được giữ vật lý trong cấu trúc của than non thông qua lực mao dẫn và lượng nước liên kết hóa học, ví dụ như bằng liên kết hydro yếu với nhóm chức OH. Bản thân thông số này không đưa ra điểm cắt sắc nét và phụ thuộc đôi chút vào điều kiện sấy.
Hình 8.Hình ảnh SEM của than non Úc được sấy khô trong lò nung phòng thí nghiệm ở nhiệt độ 100 °C (MỘT,C,E) và máy sấy xoắn ở 50 °C (B,D,F)—độ phóng đại ×300 (MỘT,B), ×750 (C,D) và ×1500 (E,F); mẫu được sàng qua lưới có lỗ 0,4 mm.
Hình 9.Động học sấy trong quá trình lắp đặt lò nung để sấy than non Ba Lan.
Hình 10.Tổng mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kg nước loại bỏ trong quá trình sấy than non Ba Lan trong hệ thống lò nung.
Theo cách tương tự, động học sấy đối với than non Hy Lạp trong hệ thống lò nung và tổng mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kg nước loại bỏ được trình bày trongHình 11VàHình 12, tương ứng. Than non Hy Lạp cần thời gian lưu trú cao hơn nhiều để đạt được cùng hàm lượng ẩm, so với than non Ba Lan. Năng lượng sấy khô cụ thể, được hiển thị trongHình 12, tương tự như các mức đã đăng ký đối với than non của Ba Lan. Tuy nhiên, mức tiêu thụ năng lượng riêng tăng nhanh bắt đầu sớm hơn nhiều đối với than non của Hy Lạp. Khi tính đến hàm lượng ẩm ban đầu gần như giống hệt nhau của than non của Ba Lan và Hy Lạp, có vẻ hợp lý khi kết luận rằng than non của Hy Lạp có hàm lượng ẩm tới hạn cao hơn—tức là quá trình sấy khô khó khăn hơn.
Hình 11.Động học sấy trong quá trình lắp đặt lò nung để sản xuất than non ở Hy Lạp.
Hình 12.Tổng mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kg nước loại bỏ trong quá trình sấy than non Hy Lạp trong hệ thống lò nung.
Hình 13VàHình 14hiển thị, tương ứng, động học sấy trong hệ thống lò nung và tổng mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kg nước loại bỏ, đối với than non Romania. Về mặt động học sấy của than non Romania (Hình 13) có thể được coi là loại trung gian khô nhanh hơn so với than non Hy Lạp và chậm hơn so với than non Ba Lan. Mẫu than non Romania có hàm lượng ẩm ban đầu thấp nhất trong tất cả các mẫu được thử nghiệm. Về mức tiêu thụ năng lượng riêng, than non Romania thể hiện hành vi tương tự như than non Hy Lạp liên quan đến thời điểm bắt đầu tăng mạnh (Hình 14). Động học sấy, trong quá trình lắp đặt lò nung và tổng mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kg nước loại bỏ, đối với than non Úc được trình bày trongHình 15VàHình 16.
Hình 13.Động học sấy trong quá trình lắp đặt lò nung để sản xuất than non ở Romania.
Hình 14.Mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kg nước loại bỏ trong quá trình sấy than non Romania trong hệ thống lò nung.
Hình 15.Động học sấy trong quá trình lắp đặt lò nung để sấy than non tại Úc.
Hình 16.Mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi kg nước loại bỏ trong quá trình sấy than non Úc trong hệ thống lò nung.
Dữ liệu được trình bày trongHình 17đưa ra chỉ dẫn về thời gian lưu trú cần thiết để đạt được hàm lượng ẩm 20%, ngoại trừ than non Úc. Trong trường hợp đó, thời gian sấy cần thiết để đạt được hàm lượng ẩm cuối cùng là 35% được hiển thị. Than non Úc thường cần thời gian lưu trú cao hơn đáng kể so với các mẫu khác.
Hình 17.Thời gian sấy cần thiết để đạt được độ ẩm cuối cùng cho các loại than non được thử nghiệm có nguồn gốc khác nhau trong quá trình đốt lò.
Hình 18tóm tắt mức tiêu thụ năng lượng trung bình cần thiết để đạt được hàm lượng ẩm 20% đối với các loại than non được thử nghiệm trong hệ thống lò nung (ngoại trừ than non của Úc, trong đó năng lượng để sấy khô tới 35% hàm lượng ẩm được đưa ra). Dữ liệu được trình bày trongHình 18cung cấp một chút hiểu biết có thể giúp tối ưu hóa quá trình sấy cho máy sấy lignit dựa trên thiết kế giường hình xuyến. Nó cho thấy tổng mức tiêu thụ năng lượng trung bình trên mỗi kg nước được loại bỏ trong quá trình sấy. Một mức trung bình được lấy, vì mức tiêu thụ năng lượng của toàn bộ quá trình là điều đáng quan tâm theo quan điểm thực tế. lignit Úc không giống như các loại lignit khác được thử nghiệm, với hàm lượng ẩm ban đầu gần 65% và hàm lượng tro cực kỳ thấp, thấp hơn 2% một chút (xemBảng 1). Loại than non này tỏ ra là khó sấy nhất (xemHình 15) và cần thời gian dài nhất để đạt được hàm lượng ẩm cuối cùng tương đương với hàm lượng ẩm đạt được bởi các loại than non khác. Nhìn chung, hàm lượng ẩm cuối cùng (tương ứng với giá trị độ ẩm cân bằng ở nhiệt độ không khí sấy) đối với mỗi nhiệt độ sấy là cao nhất trong trường hợp than non Úc.
Hình 18.Mức tiêu thụ năng lượng trung bình cần thiết để đạt được độ ẩm 20% đối với các loại than non được thử nghiệm trong hệ thống lò nung (* mức tiêu thụ năng lượng đối với than non của Úc được đưa ra cho độ ẩm cuối cùng là 35%, do độ ẩm ban đầu tương đối cao).
Việc sấy khô than non, trong máy sấy giường hình xuyến, được tiếp nối bằng việc giảm kích thước của từng hạt, dẫn đến sự thay đổi đáng kể về phân bố kích thước. Rõ ràng là, khi nhìn vàoHình 4, rằng một lượng nhất định các hạt mịn hơn đang được tạo ra trong quá trình sấy khô. Kết quả thu được bởi Stokie và cộng sự đối với cùng loại than non hơi khác nhau, tức là độ mài mòn thấp hơn nhiều (Hình 5). Trong tầng sôi, theo Stokie et al. [19], tác động của quy mô là đáng kể, vì các thí nghiệm với mẫu 10 g không dẫn đến sự mài mòn, trong khi các thí nghiệm với mẫu 3 kg cho thấy một số khác biệt giữa d50 của mẫu than non ướt và khô (Hình 5). Vì kích thước mẫu được sử dụng cho nghiên cứu này tương tự (2,5 kg) nên có thể nói rằng tác động của sự mài mòn trong quá trình sấy trong lớp hình xuyến cao hơn nhiều so với lớp lưu hóa thông thường. Điều này có thể được sử dụng để xác nhận mức độ nhiễu loạn cao hơn diễn ra trong lớp hình xuyến.
Nhìn vào các ví dụ về hiệu ứng sấy khô than non của Hy Lạp và Úc (Hình 6VàHình 7, tương ứng) tương đối dễ quan sát thấy rằng nhìn chung các hạt mịn thể hiện hàm lượng ẩm tương đối cao hơn sau khi sấy trong lớp hình xuyến. Có vẻ hợp lý khi cho rằng điều này là do các hạt mịn bị cuốn ra khỏi lớp hình xuyến, khi mật độ của hạt giảm khi sấy, do đó làm giảm vận tốc cuối cùng của hạt cụ thể. Sự khác biệt cao nhất thu được đối với than non Úc, cũng có hàm lượng tro thấp hơn nhiều, so với các loại than non khác. Có vẻ hợp lý khi cho rằng hàm lượng tro thấp tương ứng với mật độ thực thấp hơn của các hạt. Sự cuốn quan sát được làm giảm thời gian lưu trú của các hạt, cản trở quá trình sấy các hạt mịn. Rõ ràng là nhiệt độ đủ thấp của tác nhân sấy trong lớp hình xuyến, giảm do bay hơi, làm giảm vận tốc của nó đủ để giảm thiểu sự mất mát của các hạt mịn ướt, điều này được chứng minh rõ ràng tạiHình 7.
Trong một số trường hợp (Hình 7) các hạt than non Úc có đường kính tương đối gần với kích thước đỉnh cũng thể hiện hàm lượng ẩm cao hơn mức trung bình của toàn bộ mẫu. Mặt khác, điều này có thể được quy cho thời gian sấy không đủ, là hậu quả của hàm lượng ẩm ban đầu của than non cao đáng kể. Trong trường hợp các hạt thô, cần có thời gian lưu trú cao hơn để đạt được hàm lượng ẩm tương tự như các hạt có kích thước trung bình.
Một yếu tố khác đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi phân bố kích thước hạt của mẫu khô là sự co lại của các hạt trong quá trình sấy khô—như đã mô tả trongHình 4. Hành vi đó có thể khiến các hạt lớn hơn co lại, do đó làm tăng tổng lượng hạt mịn khi xem xét phân bố kích thước tích lũy. Mặt khác, có lý khi mong đợi sự co lại của hạt sẽ cân bằng với tác động đã đề cập ở trên của sự cuốn theo sớm các hạt mịn, do mật độ tăng lên đối với cùng một khối lượng khô của hạt, do thể tích của hạt giảm.
Các vết nứt của cấu trúc có thể nhìn thấy rõ trong các hình ảnh SEM có độ phóng đại cao hơn (×1500). Các vết nứt này không xuất hiện khi cùng một mẫu được sấy khô trong lò nung muffle trong phòng thí nghiệm (trên khay). Do đó, có vẻ hợp lý khi đưa ra kết luận rằng các vết nứt không phải do sự bốc hơi của chính nước mà là do nguyên lý hoạt động của lớp nền. Do đó, sự mài mòn và vỡ vụn của các hạt có thể được coi là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi trong phân bố kích thước hạt của lignit khô. Do sự suy yếu đã đề cập ở trên của cấu trúc các hạt khô, có thể mong đợi một cách hợp lý rằng khả năng nghiền của lignit khô chắc chắn sẽ tăng lên so với nguyên liệu ướt tương ứng. Hơn nữa, mức độ thay đổi giữa các loại lignit có nguồn gốc khác nhau thay đổi đáng kể đối với cùng một điều kiện sấy (Hình 4), ngụ ý một số khác biệt về cấu trúc giữa tất cả các loại than non khác nhau trong phạm vi nghiên cứu này. Tuy nhiên, không nên bỏ qua các tác động tiêu cực, vì việc tạo ra lượng bột mịn bổ sung có thể đưa hỗn hợp chất làm khô và than non khô vào giới hạn nồng độ nổ, kết hợp với ma sát cao có thể gây ra phóng tĩnh điện và nổ. Do đó, phần lớn sự chú ý của nhà thiết kế nên hướng đến việc nối đất các bộ phận trong máy sấy và ống dẫn tiếp xúc với lớp vật liệu được chất làm khô cuốn theo. Hơn nữa, tải trọng rắn (tỷ lệ lưu lượng khí thể tích và lưu lượng khối lượng của nguyên liệu đầu vào) nên được xem xét cẩn thận để đạt được nồng độ bột mịn dưới giới hạn nổ dưới (LEL) của nguyên liệu đầu vào cụ thể.
Năng lượng cụ thể tiêu thụ để loại bỏ một kilôgam nước, được mô tả trongHình 10, bao gồm nhiệt cần thiết để làm nóng tác nhân sấy (không khí) từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ sấy và điện năng tiêu thụ của quạt gió. Điện năng sau thay đổi đôi chút do áp suất giảm qua lớp hình xuyến, do khối lượng giảm, do quá trình sấy dần dần. Tuy nhiên, sự thay đổi lớn về năng lượng sấy riêng là do cùng một lượng nhiệt năng đầu vào của không khí được tiêu thụ bởi một lượng nhỏ hơn độ ẩm được loại bỏ khỏi vật liệu—tức là, lượng khối lượng bị mất do quá trình loại bỏ độ ẩm dần dần nhỏ hơn (dm/dt nhỏ hơn). Có thể thu được thông tin tương tự từHình 3, tại đó độ ẩm tương đối của tác nhân sấy ở đầu ra của máy sấy đạt mức tối đa rõ ràng và bắt đầu giảm dần sau điểm đó.
Tổng năng lượng riêng để sấy có thể thấp hơn đáng kể trong trường hợp thu hồi nhiệt từ không khí đầu ra, đặc biệt là đối với nhiệt độ không khí đầu vào cao hơn. Các quan sát đều giống nhau đối với tất cả các mẫu lignit đã thử nghiệm. Tuy nhiên, bản thân các kết quả lại khác nhau, mặc dù có chung một mô hình. Những khác biệt này cho thấy sự khác biệt về cấu trúc giữa các loại lignit có nguồn gốc khác nhau.
Một hiện tượng thú vị là mức tiêu thụ năng lượng cao hơn khi sấy than non Romania ở 35 °C và 50 °C. Điều này có thể được giải thích bằng điện trở tương đối cao của lớp than non so với các loại than non khác. Hơn nữa, sự thay đổi trong phân bố kích thước hạt giữa than non Romania ướt và khô là một trong những thay đổi thấp nhất trong số tất cả các loại than non (xemHình 4). Điều này có thể cho thấy rằng sự mài mòn chỉ trở nên đáng kể hơn sau khi sấy ở nhiệt độ cao hơn 50 °C. So sánh với mức tiêu thụ năng lượng để sấy than non của Hy Lạp (Hình 12) có lý khi kết luận rằng ngưỡng hao mòn cao hơn trong trường hợp than non Romania (Hình 4). Trong trường hợp của than non Hy Lạp, chỉ có thử nghiệm được thực hiện ở 35 °C cho thấy mức tiêu thụ năng lượng cao hơn khi so sánh với việc sấy cùng một loại than non ở nhiệt độ cao hơn. Trong trường hợp của cả hai loại than non, sự khác biệt về cấu trúc dường như là lời giải thích hợp lý duy nhất cho hành vi này. Hơn nữa, hành vi như vậy không được quan sát thấy trong các thử nghiệm được thực hiện với than non Ba Lan. Một chỉ số chung về sự tương đồng về cấu trúc có thể là hàm lượng tro vì nó tương tự đối với cả than non Hy Lạp và Romania (khoảng 40%), khác với cả than non Ba Lan (hàm lượng tro khoảng 20% đối với cả hai).
Việc lựa chọn đúng các thông số sấy tối ưu nên được lựa chọn cho từng loại lignit riêng lẻ, do các đặc tính riêng biệt của nó, được xác định bởi cấu trúc của nó. Hơn nữa, ước tính đầu tiên về các thông số sấy cũng có tầm quan trọng sống còn đối với việc xác định kích thước phù hợp của máy sấy, đáp ứng các kỳ vọng cần thiết về công suất và chất lượng sản phẩm, được xác định bởi hàm lượng ẩm cần thiết của lignit đã sấy. Tóm tắt dữ liệu được trình bày trongHình 17VàHình 18. Kết quả thu được cho thấy rõ ràng rằng sự thay đổi thời gian lưu trú cần thiết mất đi ý nghĩa đối với nhiệt độ sấy cao hơn 60 °C, điều này ngụ ý rằng nhiệt độ sấy cao hơn sẽ không cho phép đạt được bất kỳ lợi ích đáng kể nào về mặt thu nhỏ thiết bị sấy. Dữ liệu cũng có thể được sử dụng để tối ưu hóa đơn vị hiện có, với giả định rằng quy trình thử nghiệm tương tự sẽ được áp dụng cho từng loại than non. Dữ liệu được trình bày cũng có thể hữu ích trong việc quản lý kỳ vọng về hàm lượng ẩm có thể đạt được trong thực tế đối với từng loại than non riêng lẻ. Bộ thử nghiệm đã thực hiện cho phép chúng tôi xác định rằng đối với hầu hết các loại than non, hàm lượng ẩm khả thi có thể đạt được sau khi sấy là 20%. Ngoại lệ duy nhất là than non từ Úc, trong trường hợp này hàm lượng ẩm khả thi sau khi sấy được đánh giá là 35%. Than non từ Sieniawa được chọn làm mẫu đại diện chung cho than non của Ba Lan.
Độ ẩm ban đầu cao và cấu trúc vật lý của than non Úc gây ra những khó khăn thực tế do các cục vật liệu nền dính vào thành và rơi trở lại nền do mài mòn, làm sai lệch các phép đo mức tiêu thụ năng lượng cụ thể (xemHình 16). Các cục bám vào thành máy sấy tại một thời điểm nào đó rơi xuống, có thể là do sự mài mòn, gây ra bởi lớp hình xuyến. Tuy nhiên, có thể nói rằng mức tiêu thụ năng lượng cụ thể để sấy than non Úc cao hơn nhiều so với tất cả các loại than non khác để đạt được độ ẩm cuối cùng ở mức 10%.
Nhìn chung, tất c
