تجفيف الفحم البني من مختلف المنشأ في مجفف مائع حلقي على نطاق تجريبي باستخدام حرارة منخفضة الجودة

أملخص

أجريت دراسة تجريبية على الليجنيت من أماكن مختلفة المنشأ، أي بولندا واليونان ورومانيا وأستراليا، باستخدام مجفف سرير حلقي. كان تأثير درجة الحرارة على كفاءة التجفيف، بما في ذلك فقدان محتوى الرطوبة بمرور الوقت في ظل ظروف تجفيف ثابتة، موضوع التحقيق. كان الهدف الرئيسي هو تأكيد إمكانية استخدام سرير حلقي كقاعدة لنظام تجفيف يمكنه الاستفادة من الحرارة منخفضة الجودة من مصادر مثل غازات المداخن من الغلايات وتحديد المعلمات المثلى لمثل هذا النظام. أثبتت الدراسة التي أجريت بشكل قاطع جدوى استخدام مصادر الحرارة منخفضة الحرارة لتجفيف الليجنيت في سرير حلقي. يمكن تحقيق محتوى رطوبة بنسبة 20٪ لمعظم الليجنيت المختبرة، باستخدام السرير الحلقي، مع أوقات إقامة قصيرة بشكل معقول (حوالي 30 دقيقة) ودرجة حرارة هواء منخفضة تصل إلى 60 درجة مئوية. علاوة على ذلك، أثر تغيير توزيع حجم الجسيمات، إلى حد ما، على محتوى الرطوبة النهائي بسبب جر الجسيمات الرطبة والدقيقة. وتوصلت الدراسة أيضًا إلى أن تآكل الجسيمات داخل الفراش مسؤول جزئيًا عن تكوين الغرامات.

الكلمات المفتاحية:

تجفيف؛الليجنيت؛سرير حلقي؛الاستنزاف؛كفاءة الطاقة

1. المقدمة

1.1. تجفيف الفحم البني

الليجنيت هو وقود أحفوري صلب يستخدم في الغالب لتوليد الطاقة. وعلى الرغم من الزيادات الأخيرة في طاقة مصدر الطاقة المتجددة المثبتة، فإن استخدام الليجنيت لا يزال كبيرًا في جميع أنحاء العالم. في عام 2015، بلغ استخراج الليجنيت في جميع أنحاء العالم ما يقرب من 811 مليون طن [1]، بما في ذلك 399 مليون طن تم استخراجها في جميع أنحاء الاتحاد الأوروبي [2]؛ تتجاوز حصة إنتاج الطاقة الناتجة عن الليجنيت 20% في العديد من البلدان مثل أستراليا وبلغاريا وجمهورية التشيك وألمانيا واليونان وبولندا ورومانيا وصربيا وغيرها [2]. الليجنيت هو وقود صلب منخفض الرتبة [3]، يتميز بمحتوى رطوبة مرتفع. إن تقليل محتوى الرطوبة في الليجنيت قبل استخدامه يمكن أن يزيد من قيمته الحرارية، ويقلل من تكلفة نقله لمسافات طويلة ويقلل من انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري من استخدامه. التجفيف هو أيضًا شرط أساسي نموذجي للتكنولوجيات التي تهدف إلى إنتاج منتجات ذات قيمة مضافة عالية من الليجنيت، مثل تعديلات التربة [4]. لذلك، يبدو أن إجراء تحقيق يهدف إلى ترشيد استخدام الليجنيت وفي نفس الوقت الاستفادة من الحرارة المنخفضة الجودة، والتي كانت ستذهب هدرًا لولا ذلك، أمر مبرر تمامًا.

تم إجراء الكثير من العمل مؤخرًا على الجوانب الأساسية لتجفيف الليجنيت. قام بارك وآخرون بالتحقيق في تأثير وقت التجفيف ودرجة الحرارة وسرعة عامل التجفيف على كفاءة تجفيف الليجنيت الإندونيسي وطوروا نموذجًا رياضيًا يسمح بالتنبؤ بمحتوى الرطوبة اعتمادًا على وقت الإقامة وظروف التجفيف [5]. قام سي وآخرون بالتحقيق في عملية تجفيف الفحم الحجري المجفف بمساعدة الموجات الدقيقة على ثلاث مراحل، ووجدوا أن مسامية الفحم الحجري المجفف تتناقص مع زيادة قوة الموجات الدقيقة [6]. حدد سونغ وآخرون أن محتوى الرطوبة الإجمالي للليغنيت من شرق منغوليا الداخلية انخفض بشكل أسرع تحت طاقة الميكروويف الأعلى [7]. قام Pusat و Herdem بتحديد خصائص تجفيف الليجنيت التركي Konya-Ilgin في مجفف السرير الثابت [8]. وقد توصلت الدراسة إلى أن زمن التجفيف المطلوب يزداد بزيادة ارتفاع السرير، وأن تأثير درجة الحرارة على معدل التجفيف يزداد بزيادة ارتفاع السرير [8]. قام يانغ وآخرون باختبار إعادة امتصاص الرطوبة تجريبياً بواسطة الليجنيت بعد التجفيف في فراش ثابت وحددوا أعلى إنتاج للرطوبة المعاد امتصاصها للليغنيت المجفف عند 100 درجة مئوية بسبب النسبة النسبية العالية لحجم المسام المتوسطة [9قام Feng et al. بدراسة تأثير التعبير الحراري الميكانيكي على بنية الليجنيت وحدد التغيرات في حجم المسام بين الليجنيت الخام والليجنيت المجفف عند درجات حرارة تجفيف تتراوح بين 120 درجة مئوية و 150 درجة مئوية تحت ضغوط 10 ميجا باسكال و 30 ميجا باسكال على التوالي [10]. قام وين وآخرون بالتحقيق في حركية تجفيف الليجنيت الخام والمعاد ترطيبه وحددوا أن معدل تجفيف الأول كان أبطأ مقارنة بالأخير [11]. علاوة على ذلك، وجدت الدراسة أن معامل الانتشار الفعال للليغنيت المرطب أعلى من القيمة المقابلة للليغنيت الخام [11].

أجرى باولاك-كروزيك وآخرون دراسة شملت التحقيق التجريبي والمحاكاة الرقمية لتجفيف الليجنيت في فراش مائع، باستخدام عامل تجفيف منخفض الحرارة (هواء، بحد أقصى 50 درجة مئوية) [12]. وقد أثبتت الدراسة الجدوى الكلية لمفهوم الاستفادة من مصدر حراري منخفض الحرارة. وعلاوة على ذلك، كشفت الدراسة عن أهمية عوامل مثل الخصائص البنيوية للليغنيت إلى جانب انكماشه أثناء التجفيف [12]. قام أجرانيوتيس وآخرون بمقارنة عمليات محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية مع النتائج التجريبية من منشأة احتراق الوقود المسحوق بقدرة 1 ميجاوات حرارية [13أظهرت النتائج توافقًا جيدًا بين المحاكاة والنتائج التجريبية. كانت درجات الحرارة المقاسة على طول محور الفرن، وخاصة في الجزء السفلي من الفرن، هي الأعلى في حالة حرق الليجنيت الجاف، حيث لم يتم إعادة تدوير الأبخرة والغاز الحامل في الفرن [13]. ويبدو أن هذا يتفق بشكل جيد مع نتائج دراسة أخرى أجراها طهماسيبي وآخرون، والتي بحثت في العلاقة بين محتوى الرطوبة واشتعال جزيئات الليجنيت الصيني والإندونيسي [14]. وقد أثبتت هذه الدراسة أن زيادة نسبة الرطوبة في الليجنيت المختبر أدى إلى تأخير اشتعاله بشكل كبير [14]. أظهرت المحاكاة العددية التي أجراها دروساتوس وآخرون أن استخدام الليجنيت المجفف مسبقًا يمكن أن يحسن مرونة الغلاية ويسمح بتشغيلها تحت حمولة منخفضة للغاية، تعادل 35% من الحمل الاسمي [15]. أجرى كوماتسو وآخرون تجارب تتضمن تجفيف جزيئات الليجنيت الخشنة، باستخدام بخار مسخن بدرجة حرارة تصل إلى 110 درجة مئوية حتى 170 درجة مئوية [16وخلصت الدراسة إلى أن قيمة معدل التجفيف خلال فترة معدل التجفيف الثابت تعتمد فقط على درجة الحرارة وحجم جسيمات الليجنيت، في حين كانت العلاقة خلال فترة معدل التجفيف المتناقص أكثر تعقيدًا بسبب الشقوق التي بدأت تتشكل على سطح الجسيم المجفف [16قام Pusat et al. بدراسة تجفيف الليجنيت التركي في طبقة ثابتة، باستخدام هواء التجفيف عند درجات حرارة تتراوح بين 70 درجة مئوية و130 درجة مئوية وسرعات تتراوح بين 0.4 و1.1 متر/ثانية [17]. تراوح حجم جسيمات الليجنيت بين 20 و 50 ملم ولم يتم ملاحظة فترة تجفيف ثابتة لهذه الجسيمات الخشنة أثناء التجارب التي أجريت [17]. أجرى Sciazko وآخرون تحقيقات تجريبية حول تأثير الخصائص الصخرية على خصائص تجفيف ليجنيت Turoszów في التجفيف بالبخار الساخن للغاية [18]. تم إجراء التحقيق باستخدام جزيئات كروية مقاس 5 مم و10 مم، مع درجات حرارة تتراوح من 110 درجة مئوية إلى 170 درجة مئوية [18] وخلص إلى أن وقت التجفيف ومعدل التجفيف وتدرجات درجات الحرارة وسلوك التشقق والانكماش تعتمد على نوع الحجر الليجنيت المختبر [18].

كان الكسر والتآكل أثناء تجفيف الليجنيت الأسترالي في طبقة ثابتة وطبقة مميعة عند درجة حرارة 130 درجة مئوية موضوع دراسة موسعة أجراها ستوكي وآخرون. [19] وخلصت الدراسة إلى أن السبب الرئيسي للكسر هو الانتقال بين المياه السائبة وغير القابلة للتجمد [19]. كانت التغيرات في حجم الجسيمات بين السرير الثابت الصغير والسرير المائع الصغير (عينة 10 جرام)، المشار إليها بقطر d50، غير مهمة. ومع ذلك، لوحظ وجود فرق كبير في التغير في حجم الجسيمات بالنسبة للسرير المائع الكبير (حجم العينة 3 كجم) مما يشير إلى التأثير الكبير لتأثير مقياس السرير.

1.2. مفاعل السرير الحلقي

المفاعل المائع الحلقي هو نوع خاص من المفاعلات المائعة، مع نظام توزيع الغاز الذي يتكون من شفرات بزاوية، وتقع في الجزء السفلي من المفاعل [20]. يسمح هذا الترتيب بتكثيف أداء السرير [21,22]، أي تكثيف الحرارة ونقل الكتلة [20,21] بالإضافة إلى تحسين الخلط [21,23,24]. ويرجع هذا إلى نمط تدفق الدوامة وهو سمة مميزة لجميع مفاعلات الدوامة [24,25,26,27]. من حيث أداء المفاعل، فهو يسمح بزيادة الإنتاجية (زيادة الإنتاجية) مع تقليل أوقات الإقامة [28]. معظم الأعمال المنشورة حتى الآن، حول مثل هذه الأنواع من الأسرة، تتضمن أنواعًا مختلفة من المعالجة الحرارية [29,30], عملية التكليس [31] أو تكثيف الامتصاص لالتقاط الكربون [32]. هناك معلومات نادرة عن التجفيف في مثل هذه الأسِرَّة المميعة ذات أنماط التدفق الحلقي [33تهدف هذه الدراسة إلى معالجة هذه الفجوة المعرفية.

1.3. أهداف ونطاق وجوانب جديدة في العمل المنفذ

كما هو موضح فيالقسم 1.1إن تجفيف الليجنيت عملية معقدة، تعتمد على العديد من المعلمات (درجة الحرارة، ووقت الإقامة، وعامل التجفيف، وطريقة التجفيف وخصائص الليجنيت). وهناك فجوة معرفية فيما يتعلق بحركية التجفيف واستهلاك الطاقة للتجفيف في أسرة حلقية شديدة الاضطراب. وعلاوة على ذلك، فهي شرط أساسي لأي دراسات تهدف إلى دمج مثل هذه المجففات، باستخدام حرارة النفايات منخفضة الجودة، في محطات الطاقة الليجنيتية. وهذا من شأنه أن يسمح بمقارنة المدخرات المحتملة لاستخدام الحلول الجديدة مع وفورات الطاقة، والتي تم إثباتها بالفعل لحلول تجفيف الليجنيت الحالية، باستخدام عوامل التجفيف في درجات حرارة أعلى [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46].

تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال التحقيق في تجفيف الليجنيت من أصول مختلفة في سرير حلقي، باستخدام الهواء كعامل تجفيف. كان من المتوقع أن يؤدي مثل هذا التكوين إلى تكثيف انتقال الكتلة والحرارة، مما يتيح لاحقًا استخدام عامل التجفيف عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا. أجريت دراسة تجريبية، باستخدام مجفف سرير حلقي، للليغنيت من بلدان منشأ مختلفة، أي بولندا واليونان ورومانيا وأستراليا. كان تأثير درجة الحرارة على كفاءة التجفيف، بما في ذلك فقدان محتوى الرطوبة بمرور الوقت في ظروف تجفيف ثابتة، موضوعًا للتحقيق. تم تحديد ومقارنة حركية التجفيف واستهلاك الطاقة أثناء التجفيف عند درجات حرارة متوسطة مختلفة. هدفت الدراسة إلى تحديد المعلمات المثلى لعملية التجفيف، أي درجة الحرارة ووقت الإقامة، مع مراعاة معدل التجفيف واستهلاك الطاقة. ومع ذلك، كان لعوامل أخرى، مثل الرطوبة النسبية لعامل التجفيف جنبًا إلى جنب مع الخصائص المتأصلة للمواد الخام، تأثير عميق على عملية التجفيف. المنهجية المستخدمة في الدراسة قابلة للتطبيق عالميًا لعمليات التجفيف بشكل عام. وفي هذا الصدد، يمكن التعامل مع مجموعة التجارب التي تم إجراؤها باعتبارها دراسة حالة تثبت إمكانية تطبيق طريقة الاختبار على نطاق واسع.

كان الغرض الرئيسي من الدراسة التي أجريت هو تأكيد إمكانية استخدام سرير حلقي كقاعدة لنظام تجفيف يمكنه الاستفادة من الحرارة منخفضة الجودة من مصادر مثل غازات المداخن من الغلايات. لم يتم استخدام مثل هذا النوع من مجفف السرير المائع لتجفيف الليجنيت، وهو ما يؤكد، إلى جانب الاستخدام المحتمل للحرارة منخفضة الجودة، على حداثة الدراسة التي أجريت. علاوة على ذلك، هدفت الدراسة التي أجريت إلى إيجاد أكثر معلمات المجفف فعالية، أي المعلمات التي تمكن المرء من تحقيق الحد الأدنى من استهلاك الطاقة لإزالة 1 كجم من الماء الموجود على السطح ومسام جزيئات الليجنيت.

2. المواد والطرق

2.1. خصائص الفحم البني الذي تم اختباره

تم الحصول على عينات من الليجنيت البولندي من منجم سييناوا المفتوح. يتكون الليجنيت من سييناوا بشكل أساسي من أنواع صخرية زيلوديتريتيكية و ديتروكسيليتيكية [47تم الحصول على الليجنيت اليوناني من منجم South Field الذي يزود محطة الطاقة Agios Dimitrios التي تديرها شركة Public Power Corporation. تم أخذ عينة من الليجنيت الروماني من منجم Peșteana، الذي يوفر الوقود لمحطة الطاقة Rovinari التابعة لمجمع Oltenia Energy. تم الحصول على الليجنيت الأسترالي من منجم Yallourn في وادي Latrobe، والذي يغذي محطة الطاقة Yallourn التابعة لشركة Energy Australia. تم سحق جميع الليجنيت مسبقًا إلى الحجم العلوي الاسمي البالغ 8 مم، قبل إجراء الاختبارات.

تم إجراء التوصيف الأساسي للفحم البني المستخدم في هذه الدراسة عن طريق التحليل التقريبي والتحليل النهائي، وهي الطريقة النموذجية لتوصيف الوقود الصلب. التحليل التقريبي للفحم البني (الجدول 1) تم إجراؤه باستخدام Perkin Elmer Diamond TGA (331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, USA). تم تطبيق البرنامج التالي أثناء هذه الاختبارات:

الجدول 1.التحليل التقريبي والعناصري للليغنيت المختبر.

(1) المرحلة الأولية

∘

تسخين حتى 105 درجة مئوية؛ منحدر 10 درجة مئوية/دقيقة

∘

استمر لمدة 10 دقائق

(2 أ) للحصول على محتوى الرماد في الهواء تم استخدام:

∘

تسخين حتى 815 درجة مئوية؛ منحدر 50 درجة مئوية/دقيقة

∘

استمر لمدة 15 دقيقة

(2 ب) للحصول على محتوى المواد المتطايرة تم استخدام الأرجون:

∘

تسخين حتى 850 درجة مئوية؛ منحدر 50 درجة مئوية/دقيقة

∘

استمر لمدة 15 دقيقة

تم تحديد القيمة الحرارية الأعلى باستخدام مقياس السعرات الحرارية الأساسي IKA C2000 (KA®-Werke GmbH & Co. KG، Janke & Kunkel-Str. 10، 79219 Staufen، ألمانيا)، وفقًا لمعيار ISO 1928. تم استخدام طريقة الأيزوبربوليك. تم حساب القيمة الحرارية الأدنى باستخدام محتوى الرطوبة والهيدروجين. التحليل النهائي (الجدول 1) تم إجراؤه باستخدام جهاز التحليل Perkin Elmer 2400 (331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, USA)، وفقًا للمعيار البولندي PKN-ISO/TS 12902:2007. تم تحديد توزيع حجم الجسيمات باستخدام مجموعة من المناخل المعايرة، المتوافقة مع ISO 3310-1.

2.2. جهاز الاختبار - مجفف السرير المائع الحلقي

خلال مجموعة التجارب الموصوفة في هذه الدراسة، تم استخدام جهاز مائع حلقي الشكل لإجراء عملية التجفيف. يظهر مخطط التركيب فيالشكل 1. عملت منصة الاختبار في وضع الدفعات. تم تغذية دفعة من حوالي 2.5 كجم من الليجنيت يدويًا من خلال قمع التغذية (E4 فيالشكل 1) أثناء كل اختبار. تم الحفاظ على درجة حرارة الهواء المجفف باستخدام سخانين بنظام التحكم في درجة الحرارة، كل منهما بقوة اسمية تبلغ 3 كيلو وات (E20 وE17 فيالشكل 1). تم توفير هواء التجفيف بواسطة منفاخ (E3 فيالشكل 1) بمعدل تدفق للهواء الساخن يبلغ حوالي 130 م3/ساعة من أجل الحصول على نفس السرعات لكل من الاختبارات. تم التحكم في معدل التدفق باستخدام الصمامات (E7 فيالشكل 1).

الشكل 1.تركيب توربيد - الرسم التخطيطي.

مجفف السرير الحلقي، كما هو موضح فيالشكل 1، عبارة عن عمود أسطواني رأسي مغلق من الأعلى بمخروط مقطوع مقلوب، حيث يتم تبادل الحرارة بين الهواء والمادة المجففة بشكل مباشر. في الجزء السفلي من غرفة السيولة يتم تثبيت شفرات دوامية من أجل إنشاء دوامة داخل غرفة التجفيف.

خلال مجموعة التجارب التي أجريت، تم قياس المعلمات التالية: درجة الحرارة، والرطوبة النسبية، ومعدل تدفق الهواء واستهلاك الكهرباء لكل جهاز. تم تركيب أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة عند مدخل الهواء الساخن إلى المجفف (T4 وRh1 فيالشكل 1) وعند مخرج التركيب (T2 وRh2 فيالشكل 1). تم قياس درجات الحرارة باستخدام أجهزة استشعار Pt1000 القياسية، بمواصفات متوافقة مع متطلبات الفئة A المحددة في EN 60751. تم قياس الرطوبة النسبية (RH)، وهي حجم بخار الماء في الهواء مقسومًا على الحد الأقصى لحجم بخار الماء، لدرجة حرارة وضغط معينين، باستخدام أجهزة استشعار HC1000-400 وأجهزة إرسال EE31 بنطاق عمل من 0 إلى 100٪ RH، ونطاق درجة حرارة يتراوح بين -40 إلى 80 درجة مئوية، ووقت استجابة <15 ثانية ودقة تصل إلى 2.4٪ (لفترة ثقة 95٪). تم قياس معدل تدفق الهواء الجاف بواسطة مقياس تدفق الكتلة FCI ST-50 بدقة ± 2٪ من القراءة. تم قياس الحمل الكهربائي للمنفاخ باستخدام مقياس واط باستخدام مقياس شبكة ND20 من إنتاج Lumel، بدقة ± 1٪ من نطاق القياس (1.65 كيلو واط). تم تسجيل جميع القيم بفاصل زمني للعينة قدره 1 ثانية.

2.3. نموذج حسابي صفري الأبعاد للتجفيف - التوازن الحراري للمجفف

يظهر الرسم التخطيطي للنموذج ذي الأبعاد الصفرية للمجفف المستخدم في هذه الدراسة فيالشكل 2يصف النموذج مجففًا أحادي المرحلة مزودًا بسخان إضافي لعامل التجفيف الخارجي. يتكون النموذج من مكونين فرعيين. تم استخدامه لحساب الطاقة التي يستهلكها المجفف على مدار التجربة بأكملها، وكذلك لحساب كتلة الماء المزال، بناءً على الرطوبة النسبية للهواء عند مخرج المجفف. وفقًا لقانون حفظ الطاقة، يجب أن يكون مجموع المحتوى الحراري الداخل إلى المجفف مساويًا لمجموع المحتوى الحراري الخارج من المجفف. معادلة النموذج المعني للمجفف هي:

��1+��2=��3+��4+��5��1+��2= �3+ �4+ �5

(1)

أين:

الشكل 2.مخطط مجفف أحادي المرحلة مع سخان تجفيف خارجي إضافي.

��1�1 هي المحتوى الحراري للهواء المجفف عند مخرج المبادل الحراري؛

��2�2 هي إنثالبي الليجنيت الرطب الذي يدخل المجفف، والذي يمكن فصله إلى إنثالبي الماء في المادة وإنثالبي المادة الجافة؛

��3�3 هي المحتوى الحراري للهواء الرطب الخارج من المجفف؛

��4�4 هي المحتوى الحراري للليغنيت المجفف الذي يغادر المجفف؛

يمثل ��5�5 فقدان المحتوى الحراري للبيئة المحيطة بواسطة غلاف المجفف.

وفقًا للمعيار EN ISO 13788:2001 تم حساب ضغط البخار المشبع:

���������=610·��17,269·��237,5+�� �� ��≥0 درجة��=610·��17,269·��237,5 + � � �≥0 درجة �

(2)

أين:

صقعد- ضغط البخار المشبع، باسكال؛

ت-درجة الحرارة، درجة مئوية.

نسبة الرطوبة المطلقة في الهواء مع الأخذ بعين الاعتبار الرطوبة النسبية المقاسة:

������=0.622���������100���������������������������=0.622���������100������

(3)

أين:

إكس- محتوى الرطوبة المطلق في الهواء، كجم·م−3 (هواء جاف)؛

φ- الرطوبة النسبية للهواء، %؛

ص- ضغط الهواء الرطب (المحيط)، باسكال؛

صقعد- ضغط البخار المشبع، باسكال.

زيادة نسبة الرطوبة في الهواء بما يتوافق مع فقدان نسبة الرطوبة في الليجنيت:

Δ��=0.622(��2·������2100·��−��2·��������2−��0·���������0100 ·��−��0·��������0)Δ �=0.622( �2· � �2100· �− �2·��� �2− �0·�� � 0100··−·0···0)

(4)

أين:

Δإكس- زيادة الرطوبة المطلقة لمادة التجفيف (الهواء)، كجم·م-3؛

تتوافق كمية الماء التي يتم إزالتها من الليجنيت في فترة زمنية معينة مع الفرق في كمية الماء الموجودة في الهواء عند مدخل ومخرج المجفف. القيمة اللحظية لفقدان الماء بواسطة الليجنيت (بين لحظتين)ت1 وت2) يتم تحديدها من الصيغة:

���������=Δ������������������������������(���2−���1) � ���=Δ���������������������(�2−�1)

(5)

أين:

متبخر- فقدان الماء في الفحم، كجم؛

Δإكس- زيادة الرطوبة المطلقة لمادة التجفيف (الهواء)، كجم·م-3؛

������������—كثافة الهواء الرطب، كجم·م−3؛

������������—كثافة الهواء الجاف، كجم·م−3؛

الخامسمبتل- تدفق الهواء عند مدخل المجفف، م3·ساعة−1.

2.4. طريقة الاختبار والجدول الزمني

تم إجراء اختبارات التجفيف على المنصة المعروضة فيالشكل 1بالنسبة لتيار الهواء الساخن الذي يبلغ 130 م3/ساعة عند درجات حرارة 35 درجة مئوية، و50 درجة مئوية، و60 درجة مئوية، و70 درجة مئوية، و80 درجة مئوية. تم إجراء الاختبارات حتى تم اعتبار تغير رطوبة هواء التجفيف، بين مدخل ومخرج المجفف، غير ذي أهمية (انظرالشكل 3). عندما تم الوصول إلى هذه النقطة، حقق الليجنيت حالة من التوازن مع الهواء الجاف القادم، وبالتالي لم يكن من الممكن إجراء المزيد من التجفيف. يُشار إلى الوصول إلى هذه الحالة بواسطة المجفف باسم الوصول إلى محتوى الرطوبة النهائي ويُطلق على الوقت اللازم للوصول إلى هذه القيمة وقت التجفيف. مع زيادة درجة حرارة عامل التجفيف، تم الوصول عادةً إلى محتوى رطوبة نهائي أقل في غضون أوقات تجفيف أقصر نسبيًا.الشكل 3يوضح الرسم البياني القيم المقاسة والمسجلة أثناء اختبار تجفيف الليجنيت البولندي عند درجة حرارة 50 درجة مئوية. يوضح الرسم البياني فقط تلك المعلمات المستخدمة لحساب حركية التجفيف وتحديد استهلاك الطاقة لعملية التجفيف، أي تدفق الهواء ودرجة الحرارة والرطوبة عند مدخل ومخرج المجفف.

الشكل 3.مثال على اختبار تجفيف الفحم البني البولندي عند درجة حرارة 50 درجة مئوية.

3. النتائج

تم إجراء اختبارات التجفيف للمجفف المحروق باستخدام الفحم البني من بولندا واليونان ورومانيا وأستراليا. يتم تقديم نتائج التحليل التقريبي والعنصري فيالجدول 1.الشكل 4يعرض توزيعات حجم الجسيمات، والتي تمثل متوسطات لجميع الاختبارات التي أجريت ضمن نطاق كامل من درجات الحرارة.

الشكل 4.توزيع حجم جزيئات الليجنيت من أصول مختلفة قبل وبعد التجفيف في منشأة Torbed.

الشكل 5يقارن متوسط ​​حجم الجسيمات للليغنيت الرطب والجاف ويقارن النتائج التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة بالنتائج المنشورة في دراسة أخرى حول التجفيف في فراش مائع. ويصور التغيرات المقابلة في متوسط ​​حجم الجسيمات (d50) لكل من الليجنيت بسبب التجفيف الذي تم إجراؤه. ويصور الفرق بين الليجنيت البولندي والليغنيت الآخر المستخدم في هذه الدراسة. كما يوضح أن التغييرات في متوسط ​​حجم الجسيمات تختلف بين الليجنيت. وتختلف التغييرات في أقطار d50 بين الليجنيت المختلفة (الشكل 5)، حيث كان التغير النسبي هو الأعلى بالنسبة للليغنيت الأسترالي والأدنى بالنسبة للليغنيت الروماني.

الشكل 5.الحجم المتوسط ​​للجسيمات (d50) للليغنيت الرطب والمجفف (* نتائج Stokie et al. [19] للمقارنة).

مع الأخذ في الاعتبار مبدأ تشغيل مجفف السرير الحلقي، يبدو من المعقول أن نتوقع أن تآكل الجسيمات يمكن اعتباره أيضًا أحد العوامل المؤثرة على تغيير توزيع حجم الجسيمات بعد التجفيف. يتضح دليل البنية الضعيفة والمتشققة للجسيمات المجففة في السرير الحلقي في صور المجهر الإلكتروني الماسح الموضحة في الشكل 8.

الشكل 6والشكل 7تظهر أمثلة لتوزيعات مختلفة لمحتوى الرطوبة بين الجسيمات ذات الأحجام المختلفة. يوضح هذان الشكلان بوضوح أن الجسيمات الدقيقة تم سحبها قبل الأوان من السرير الحلقي. أدى هذا إلى زيادة محتوى الرطوبة في الجسيمات الدقيقة المحصورة عند مخرج المجفف.الشكل 8يظهر الفرق من حيث سطح جسيمين من الليجنيت، أحدهما مجفف في فرن المفل عند 100 درجة مئوية والآخر مجفف في سرير حلقي عند 50 درجة مئوية.

الشكل 6.الفرق بين محتوى الرطوبة في جزيئات ذات أحجام مختلفة للليغنيت الرطب والمجفف - مثال على الليجنيت اليوناني لدرجات حرارة مختلفة لعملية التجفيف.

الشكل 7.الفرق بين محتوى الرطوبة في الجسيمات ذات الأحجام المختلفة للفحم البني الرطب والمجفف - مثال للفحم البني الأسترالي لدرجات حرارة مختلفة لعملية التجفيف. يتم تقديم حركية التجفيف للفحم البني من سييناوا في التركيب المحروق وإجمالي استهلاك الطاقة لكل كيلوجرام من الماء المزال فيالشكل 9والشكل 10، على التوالى.الشكل 9يوضح الشكل 1 المنحنيات التي تمثل فقدان الرطوبة للليغنيت من منجم سييناوا. يحدث انخفاض كبير في معدل التجفيف لجميع درجات حرارة عامل التجفيف أسفل محتوى الرطوبة النهائي البالغ 15%. تسمى هذه القيمة محتوى الرطوبة الحرج وتعتمد في الغالب على بنية الليجنيت وكيمياءه. هذا مؤشر مفيد يسمح بتحديد نسبة الماء المحتجز فعليًا داخل بنية الليجنيت من خلال القوى الشعرية وكمية الماء المرتبطة كيميائيًا، على سبيل المثال بواسطة روابط هيدروجينية ضعيفة مع مجموعات وظيفية OH. لا تعطي المعلمة نفسها نقطة قطع حادة وتعتمد قليلاً على ظروف التجفيف.

الشكل 8.صور المجهر الإلكتروني الماسح للفحم البني الأسترالي المجفف في فرن الموف في المختبر عند درجة حرارة 100 درجة مئوية (أ,ج,هـ) ومجفف توربيد عند 50 درجة مئوية (ب,د,ف)—التكبيرات ×300 (أ,ب), ×750 (ج,د) و ×1500 (هـ,ف); تم غربلة العينة من خلال شاشة بفتحة 0.4 مم.

الشكل 9.حركية التجفيف في المنشأة المحفورة للليغنيت البولندي.

الشكل 10.إجمالي استهلاك الطاقة لكل كيلوجرام من الماء المزال أثناء تجفيف الليجنيت البولندي في المنشأة المحروقة.

وبنفس الطريقة، يتم عرض حركية التجفيف للليغنيت اليوناني في التركيب المحروق وإجمالي استهلاك الطاقة لكل كيلوجرام من الماء المزال فيالشكل 11والشكل 12على التوالي. يتطلب الليجنيت اليوناني أوقات إقامة أطول بكثير من أجل الوصول إلى نفس محتوى الرطوبة، مقارنة بالليجنيت البولندي. طاقة التجفيف المحددة، كما هو موضح فيالشكل 12كانت مستويات استهلاك الطاقة النوعية في الليجنيت البولندي مماثلة للمستويات المسجلة. ومع ذلك، بدأت الزيادة السريعة في استهلاك الطاقة النوعية في وقت أبكر بكثير بالنسبة للليغنيت اليوناني. وإذا أخذنا في الاعتبار محتوى الرطوبة الأولي المتطابق تقريبًا في الليجنيت البولندي واليوناني، فمن المعقول أن نستنتج أن الأخير يتميز بمحتوى رطوبة حرج أعلى - أي أن تجفيفه أكثر صعوبة.

الشكل 11.حركية التجفيف في المنشأة المحفورة للليغنيت اليوناني.

الشكل 12.إجمالي استهلاك الطاقة لكل كيلوجرام من الماء المزال أثناء تجفيف الليجنيت اليوناني في المنشأة المحروقة.

الشكل 13والشكل 14تظهر على التوالي حركية التجفيف في التركيب المحروق وإجمالي استهلاك الطاقة لكل كيلو جرام من الماء المزال، للليغنيت الروماني. من حيث حركية التجفيف، فإن الليجنيت الروماني (الشكل 13) يمكن اعتباره نوعًا وسيطًا يجف بشكل أسرع مقارنةً بالليغنيت اليوناني وأبطأ مقارنةً بالليغنيت البولندي. أظهرت عينة الليجنيت الروماني أقل محتوى رطوبة أولي من بين جميع العينات المختبرة. من حيث استهلاك الطاقة المحدد، أظهر الليجنيت الروماني سلوكًا مشابهًا للليغنيت اليوناني فيما يتعلق بالوقت الذي بدأ فيه الارتفاع الحاد (الشكل 14). يتم عرض حركية التجفيف في التركيب المحروق وإجمالي استهلاك الطاقة لكل كيلوجرام من الماء المزال، للليغنيت الأسترالي فيالشكل 15والشكل 16.

الشكل 13.حركية التجفيف في المنشأة المحفورة للليغنيت الروماني.

الشكل 14.استهلاك الطاقة لكل كيلوغرام من الماء المزال أثناء تجفيف الليجنيت الروماني في المنشأة المحروقة.

الشكل 15.حركية التجفيف في المنشأة المحفورة للليغنيت الأسترالي.

الشكل 16.استهلاك الطاقة لكل كيلو جرام من الماء المزال أثناء تجفيف الليجنيت الأسترالي في المنشأة المحروقة.

البيانات المقدمة فيالشكل 17يعطي مؤشرًا لوقت الإقامة المطلوب اللازم لتحقيق محتوى رطوبة بنسبة 20%، باستثناء الليجنيت الأسترالي. في هذه الحالة، يظهر وقت التجفيف المطلوب للحصول على محتوى رطوبة نهائي بنسبة 35%. عادةً ما يحتاج الليجنيت الأسترالي إلى أوقات إقامة أعلى بكثير مقارنة بالعينات الأخرى.

الشكل 17.وقت التجفيف المطلوب لتحقيق محتوى الرطوبة النهائي للليغنيت المختبر من أصول مختلفة في التركيب المحروق.

الشكل 18يلخص متوسط ​​استهلاك الطاقة المطلوب لتحقيق محتوى رطوبة بنسبة 20% لأنواع الليجنيت المختبرة في التركيب المحروق (باستثناء الليجنيت الأسترالي، حيث يتم إعطاء الطاقة اللازمة للتجفيف حتى 35% لمحتوى الرطوبة). البيانات المقدمة فيالشكل 18يقدم هذا التقرير بعض المعلومات التي قد تساعد في تحسين عملية التجفيف لمجفف الليجنيت القائم على تصميم السرير الحلقي. وهو يوضح متوسط ​​إجمالي استهلاك الطاقة لكل كيلوجرام من الماء الذي تمت إزالته أثناء عملية التجفيف. يتم أخذ متوسط، حيث أن استهلاك الطاقة من قبل العملية بأكملها أمر مهم من الناحية العملية. كان الليجنيت الأسترالي مختلفًا عن الليجنيتات الأخرى التي تم اختبارها، حيث كان محتوى الرطوبة الأولي الخاص به قريبًا من 65٪ ومحتوى الرماد المنخفض بشكل استثنائي، أقل قليلاً من 2٪ (انظرالجدول 1). ثبت أن هذا الليجنيت هو الأصعب في التجفيف (انظرالشكل 15) وتطلبت أطول وقت من أجل الوصول إلى محتوى رطوبة نهائي مماثل لتلك التي حققتها أنواع الليجنيت الأخرى. بشكل عام، كان محتوى الرطوبة النهائي (المقابل لقيمة الرطوبة المتوازنة عند درجة حرارة الهواء المجفف) لكل من درجات حرارة التجفيف هو الأعلى في حالة الليجنيت الأسترالي.

الشكل 18.متوسط ​​استهلاك الطاقة المطلوب لتحقيق محتوى رطوبة بنسبة 20% لأنواع الليجنيت المختبرة في التركيب المحروق (* يتم تحديد استهلاك الطاقة للليغنيت الأسترالي لمحتوى رطوبة نهائي بنسبة 35%، بسبب محتوى الرطوبة الأولي المرتفع نسبيًا).

4. المناقشة

يتبع تجفيف الليجنيت في مجفف السرير الحلقي تقليل أحجام الجسيمات الفردية، مما يؤدي إلى تغيير كبير في توزيع الحجم. من الواضح، بالنظر إلىالشكل 4، حيث يتم إنتاج كمية معينة من الجسيمات الدقيقة أثناء عملية التجفيف. كانت النتائج التي حصل عليها Stokie et al. لنفس النوع من الليجنيت مختلفة قليلاً، أي أن التآكل كان أقل بكثير (الشكل 5). في الفراش المميّع، وفقًا لـ Stokie et al. [19]، كان تأثير المقياس كبيرًا، حيث لم تسفر التجارب التي أجريت على عينة تزن 10 جرام عن أي تآكل، في حين أظهرت التجارب التي أجريت على عينة تزن 3 كجم بعض الاختلافات بين d50 من عينات الليجنيت الرطبة والمجففة (الشكل 5وبما أن حجم العينة المستخدمة في هذه الدراسة كان مماثلاً (2.5 كجم)، فيمكن القول إن تأثير التآكل أثناء التجفيف في الطبقة الحلقية أعلى بكثير، مقارنة بالطبقة المميعة النموذجية. ويمكن استخدام هذا كتأكيد على حدوث درجة أعلى من الاضطراب في الطبقة الحلقية.

بالنظر إلى أمثلة تأثير الليجنيت اليوناني والأسترالي للتجفيف (الشكل 6والشكل 7على التوالي) من السهل نسبيًا ملاحظة أن الجسيمات الدقيقة عمومًا تظهر محتوى رطوبة أعلى نسبيًا بعد التجفيف في السرير الحلقي. يبدو من المعقول افتراض أن هذا يرجع إلى جر الجسيمات الدقيقة خارج السرير الحلقي، عندما تقل كثافة الجسيم مع التجفيف، وبالتالي خفض السرعة النهائية للجسيم المعين. تم الحصول على أعلى فرق للليغنيت الأسترالي، والذي كان له أيضًا محتوى رماد أقل بكثير، مقارنة بالأنواع الأخرى من الليجنيت. يبدو من المعقول افتراض أن محتوى الرماد المنخفض يتوافق مع كثافة حقيقية أقل للجسيمات. أدى الجر الملحوظ إلى تقليل وقت إقامة الجسيمات، مما أعاق تجفيف الجسيمات الدقيقة. من الواضح أن درجة حرارة عامل التجفيف المنخفضة بدرجة كافية في السرير الحلقي، والتي انخفضت عن طريق التبخر، تقلل من سرعته بدرجة كافية لتقليل فقدان الجسيمات الدقيقة الرطبة، وهو ما يتضح بوضوح فيالشكل 7.

في بعض الحالات (الشكل 7) كما أظهرت جزيئات الليجنيت الأسترالية ذات القطر القريب نسبيًا من الحجم العلوي محتوى رطوبة أعلى من المتوسط ​​للعينة بأكملها. من ناحية أخرى، يجب أن يُعزى هذا إلى وقت التجفيف غير الكافي، والذي كان نتيجة لمحتوى الرطوبة الأولي المرتفع بشكل كبير في الليجنيت. في حالة الجسيمات الخشنة، ستكون هناك حاجة إلى وقت إقامة أطول لتحقيق محتوى رطوبة مماثل لمحتوى الجسيمات ذات الحجم المتوسط.

هناك عامل آخر يلعب دورًا مهمًا في تغيير توزيع حجم الجسيمات في العينة المجففة وهو انكماش الجسيمات أثناء عملية التجفيف - كما هو موضح بالفعل فيالشكل 4قد يؤدي هذا السلوك إلى انكماش الجسيمات الأكبر حجمًا، وبالتالي زيادة الحصة الإجمالية للجسيمات الدقيقة عند النظر في توزيع الحجم التراكمي. من ناحية أخرى، من المعقول أن نتوقع أن يوازن انكماش الجسيمات التأثير المذكور أعلاه للانجراف المبكر للجسيمات الدقيقة، بسبب زيادة الكثافة لنفس الكتلة الجافة للجسيم، بسبب انخفاض حجم الجسيم.

تظهر شقوق البنية بوضوح في صور المجهر الإلكتروني الماسح ذات التكبير الأعلى (×1500). لم تظهر هذه الشقوق عندما تم تجفيف نفس العينة في فرن مافل في المختبر (على صواني). لذلك، يبدو من المعقول أن نستنتج أن الشقوق لم تكن ناجمة عن تبخر الماء نفسه، بل بسبب مبدأ عمل السرير. وبالتالي، يمكن اعتبار تآكل الجسيمات وتفككها أحد العوامل المؤثرة على التغيير في توزيع حجم الجسيمات في الليجنيت المجفف. ونظرًا للضعف المذكور أعلاه لبنية الجسيمات المجففة، فمن المعقول أن نتوقع أن تزداد قابلية طحن الليجنيت المجفف بالتأكيد مقارنة بالمواد الخام الرطبة المقابلة. وعلاوة على ذلك، فإن درجة التغييرات بين الليجنيت من أصول مختلفة تختلف بشكل كبير لنفس ظروف التجفيف (الشكل 4)، مما يعني وجود بعض الاختلافات البنيوية بين جميع أنواع الليجنيت المختلفة ضمن نطاق هذه الدراسة. ومع ذلك، لا ينبغي إغفال التأثيرات السلبية، حيث أن إنتاج كميات إضافية من الغرامات قد يؤدي إلى جلب خليط عامل التجفيف والليغنيت المجفف إلى حد التركيز المتفجر، والذي قد يتسبب مع الاحتكاك العالي في تفريغ ثابت وانفجار. لذلك، يجب توجيه الكثير