高強(qiáng)型煤熱對流干燥特性的試驗(yàn)研究

彭好義，周孑民，彭庚，謝東江，劉艷軍

(1. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 湖南黃沙坪鉛鋅礦生產(chǎn)部，湖南 郴州，424421)

型煤技術(shù)作為一項(xiàng)重要的潔凈煤技術(shù)，具有工藝簡單、投資少和成本低，且能提升燃煤品質(zhì)、提高燃燒效率、實(shí)現(xiàn)廢物利用和降低燃煤污染等特點(diǎn)[1-3]。目前，各種工業(yè)型煤如鍋爐型煤[4]、氣化型煤[5]、生物質(zhì)型煤[6-7]等得到大規(guī)模應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國型煤的年生產(chǎn)量已超過3000萬t[8]。不僅如此，近年來，由于焦炭和塊煤價(jià)格不斷高漲，使得一些原本采用焦炭或塊煤作燃料的生產(chǎn)企業(yè)如采用機(jī)立窯生產(chǎn)石灰的企業(yè)等，為降低生產(chǎn)成本，提出采用型煤代替焦炭或塊煤的新方法。然而，目前常用的普通工業(yè)型煤還不能滿足型煤代替焦炭或塊煤的生產(chǎn)要求，這就產(chǎn)生了研制高強(qiáng)型煤代替焦炭或塊煤的新課題。為此，彭好義等[9]采用正交實(shí)驗(yàn)法研制出一種用于石灰立窯的高強(qiáng)代焦型煤。根據(jù)高強(qiáng)代焦型煤生產(chǎn)工藝可知，型煤的機(jī)械強(qiáng)度不僅與型煤黏結(jié)劑、成型參數(shù)及原料煤屬性有關(guān)，而且與型煤干燥過程密切相關(guān)[1,10]。因此，有必要深入研究高強(qiáng)型煤的干燥特性。林瑞泰[11]對含濕多孔介質(zhì)的熱對流干燥過程進(jìn)行理論分析，并總結(jié)出多孔介質(zhì)熱對流干燥過程的一般特點(diǎn)。Moreno等[12]采用熱重分析法對木質(zhì)生物質(zhì)顆粒物在流化床上的干燥特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。國內(nèi)張玉軍[13]對型煤干燥過程含水率隨干燥時(shí)間和干燥溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但沒有研究型煤內(nèi)部溫度隨干燥時(shí)間的變化規(guī)律，而且實(shí)驗(yàn)采用間斷測量干燥過程中型煤的質(zhì)量的方法，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來較大的誤差。在此，本文作者采用連續(xù)稱重和測溫的方法，對高強(qiáng)型煤干燥過程中型煤含水率及內(nèi)部溫度隨干燥時(shí)間的變化情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并研究型煤冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度隨含水率變化的基本規(guī)律，從而掌握高強(qiáng)型煤的干燥特性，以便為高強(qiáng)型煤干燥設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)及高強(qiáng)型煤干燥的運(yùn)行管理提供指導(dǎo)。

1 型煤試樣制備

彭好義等[9]通過正交實(shí)驗(yàn)研制出石灰立窯用高強(qiáng)代焦型煤。該型煤由低灰分和低揮發(fā)分的無煙粉煤和少量煙煤經(jīng)過一種優(yōu)化配制的復(fù)合黏結(jié)劑冷壓而成。本次試驗(yàn)的型煤試樣即按該文中的最優(yōu)試驗(yàn)方案制備。型煤原料煤為90%的無煙煤粉和10%的煙煤煤粉，煤粉的粒度組成為：0.5 mm以下煤粉占總量的58%，0.5～1.0 mm的粉煤占14%，1.0～2.0 mm的粉煤占17%，2.0～3.0 mm 的粉煤占 11%，復(fù)合粘結(jié)劑的添加量為5.72%。型煤試樣采用WE-100B型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)冷壓成型，成型壓力為20 kN。將制備好的濕型煤試樣為圓柱體，直徑為40 mm，質(zhì)量約40 g；型煤試樣的初始含水率wC0為13.8%(含水率wC定義為型煤中的水分質(zhì)量占濕型煤總質(zhì)量的百分比)。

2 濕型煤熱對流干燥特性曲線

2.1 試驗(yàn)方法與裝置

自行設(shè)計(jì)濕型煤熱對流干燥試驗(yàn)臺，其系統(tǒng)組成如圖1所示，設(shè)備性能見表1。

圖1 熱對流干燥實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖Fig.1 System figure of thermal convection drying tester

表1 干燥實(shí)驗(yàn)裝置Table 1 Experimental drying equipment and accuracies

試驗(yàn)設(shè)定干燥溫度為150 ℃。為測試濕型煤干燥過程中型煤表面及內(nèi)部溫度隨干燥時(shí)間的變化，在成型后的濕型煤上共布置3個E型探針式熱電偶，其測點(diǎn)布置如圖2所示。圖2中：h為濕型煤高度；r為濕型煤半徑。

圖2 測溫點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Sketch map of temperature measuring points

試驗(yàn)時(shí)先將干燥箱預(yù)熱到設(shè)定溫度。將熱電偶固定在圖2所示的測點(diǎn)位置，并置于支架上的金屬網(wǎng)兜里，連接好熱電偶的連接導(dǎo)線后將支架置于電子秤上，稱量初始時(shí)刻(t0)的質(zhì)量。然后，將型煤移入到干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱對流干燥，并開始計(jì)時(shí)，多點(diǎn)溫度記錄儀開始自動記錄各測點(diǎn)溫度。在干燥過程中，前5 min內(nèi)每隔30 s，5～25 min每隔1 min，25 min后每隔5 min人工記錄1次電子天平的讀數(shù)，當(dāng)型煤的含水率降至1.5%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。經(jīng)測試，干燥箱內(nèi)的熱風(fēng)風(fēng)速為(0.52±0.05) m/s，室內(nèi)空氣相對濕度為57.1%。

在試驗(yàn)過程中，干燥 ti時(shí)刻型煤的含水率 wCi的計(jì)算公式為：

式中：m0為干燥前濕型煤質(zhì)量，g；0m′為t0時(shí)刻電子秤的讀數(shù)，g；mi為干燥ti時(shí)刻電子秤的讀數(shù)，g。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 濕型煤干燥過程含水率變化曲線Fig.3 Change curves of water content of wet briquette

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得濕型煤熱對流干燥過程中含水率的變化曲線如圖3所示，整個干燥過程為90 min。從圖3可以看出：干燥0～3 min時(shí)，濕型煤的含水率下降幅度逐漸增大，為升速干燥期；干燥3～25 min時(shí)，濕型煤的含水率隨干燥時(shí)間呈直線下降，為恒速干燥期；干燥25～90 min時(shí)，濕型煤含水率隨干燥時(shí)間呈二次拋物線形下降，下降幅度逐漸變小，為降速干燥期。定義干燥時(shí)間從ti-1至ti時(shí)間段內(nèi)濕型煤的相對干燥速率DRi為：

DRi表征從ti-1至ti時(shí)間段內(nèi)濕型煤干燥的快慢程度，通過式(2)將圖3中的干燥曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可得出濕型煤相對干燥速率的變化曲線，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出：濕型煤的熱對流干燥過程分為升速干燥期、恒速干燥期和降速干燥期3個階段，其中，升速干燥期歷時(shí)最短，約占總干燥時(shí)間的3.3%，恒速干燥期約占總干燥時(shí)間的 24.4%，而后期的降速干燥期歷時(shí)最長，在整個干燥過程中占支配地位。

圖4 型煤相對干燥速率變化曲線Fig.4 Change curve of wet briquettes drying rate

圖5 給出了濕型煤干燥過程中在圖2所示各測點(diǎn)的溫度隨干燥時(shí)間的變化曲線。從圖5可以看出：沿型煤半徑方向不同位置的溫度隨干燥時(shí)間的變化不同。結(jié)合圖4與圖5可明顯地看出：在濕型煤干燥過程中存在熱質(zhì)耦合現(xiàn)象，傳熱與傳質(zhì)相互影響[14]；干燥0～3 min時(shí)，濕型煤外表面溫度急劇上升(由12.5 ℃快速增加到 59.6 ℃)，促進(jìn)了型煤表面水分的蒸發(fā)，使得型煤的相對干燥速率也快速提升。由于型煤內(nèi)部熱量的傳遞以導(dǎo)熱為主，而型煤導(dǎo)熱系數(shù)又較小，因此，型煤內(nèi)部的升溫速率比其外表面小，且自外向里逐漸降低；干燥3～25 min時(shí)，型煤外表面溫度升高較小。圖4中，干燥速率變化曲線近似地呈水平線。這是因?yàn)榇穗A段型煤水分蒸發(fā)主要發(fā)生在外表面，干燥熱空氣傳遞給型煤的熱量主要被型煤表面水分蒸發(fā)所消耗，僅有少量的熱量在溫差作用下向型煤內(nèi)部傳遞[15]，從能量守恒關(guān)系上看，達(dá)到一個近似的平衡狀態(tài)，型煤的相對干燥速率保持基本不變。在此時(shí)間段內(nèi)，由于型煤自外向里存在一定的溫度差，熱量繼續(xù)自外向里傳遞，使得型煤內(nèi)部繼續(xù)升溫，但升溫速率較升速干燥期下降許多。干燥25 min后，型煤外表面又開始出現(xiàn)較明顯的溫升，此時(shí)，型煤外表面水分蒸發(fā)量開始減少，型煤吸收的熱量用于水分蒸發(fā)后還有剩余，這部分多余的熱量則促使型煤溫度升高。自此以后，型煤干燥進(jìn)入降速干燥期。

圖5 各測點(diǎn)溫度與干燥時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between temperature of measuring points and drying time

從測點(diǎn)2的溫升與干燥時(shí)間關(guān)系曲線可知：在型煤降速干燥期，存在蒸發(fā)相界面內(nèi)移的現(xiàn)象；在干燥時(shí)間為67～73 min時(shí)，測點(diǎn)2的升溫速度比其前后相鄰時(shí)間段明顯變緩，6 min內(nèi)，溫度升高僅1.8 ℃，溫度基本保持不變。這說明該時(shí)間段內(nèi)，測點(diǎn)2正處于蒸發(fā)相界面上，水分蒸發(fā)的吸熱量與得熱量基本保持平衡。

由于型煤干燥經(jīng)歷恒速干燥期后，其含水率仍高達(dá) 9.54%，因此，實(shí)際應(yīng)用中必須使型煤干燥進(jìn)入降速干燥期。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：型煤降速干燥期的干燥速率隨干燥時(shí)間增加而不斷下降。型煤干燥最終含水率要求越低，干燥所需的時(shí)間就越長，干燥的能耗以及干燥成本也就越大。因此，有必要進(jìn)一步研究高強(qiáng)型煤干燥最終含水率與型煤機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系。

3 型煤含水率對冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度的影響

3.1 試驗(yàn)方法與裝置

試驗(yàn)采用分時(shí)干燥與強(qiáng)度測試的方法，從制備的一批濕型煤試樣中隨機(jī)選取10個，并分成5組，分別用精度為0.01 g的HT-1000B電子秤稱量每個試樣的質(zhì)量。采用FN101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱作為濕型煤的干燥裝置，該裝置具有控溫功能，控溫靈敏度為1 ℃?？紤]到型煤干燥速度過快可能會對其機(jī)械強(qiáng)度造成不利影響，本次試驗(yàn)干燥溫度設(shè)定為120 ℃。干燥箱內(nèi)風(fēng)速為0.35 m/s。干燥時(shí)間設(shè)定為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 h共5個時(shí)間段。將10個濕型煤平放于陶瓷盤內(nèi)，型煤之間保持1 cm左右間距。當(dāng)干燥箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，將放置型煤的陶瓷盤平放于干燥箱內(nèi)，并開始計(jì)時(shí)。根據(jù)設(shè)定的干燥時(shí)間，依次取出干燥后的型煤試樣并置于帶蓋的器皿內(nèi)封閉冷卻，對冷卻后的型煤稱量后再進(jìn)行冷態(tài)抗壓和冷態(tài)抗跌強(qiáng)度測試，測試方法見文獻(xiàn)[9]。為提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，共進(jìn)行3次相同的實(shí)驗(yàn)，取其平均值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6所示為型煤冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度隨含水率的變化曲線。從圖6可以看出：型煤的冷態(tài)抗壓強(qiáng)度與冷態(tài)抗跌強(qiáng)度隨型煤含水率的變化具有相似性，隨著含水率的不斷降低，型煤冷態(tài)抗壓強(qiáng)度與冷態(tài)抗跌強(qiáng)度先升高后降低，存在極大值。從提高型煤強(qiáng)度方面來說，高強(qiáng)型煤干燥存在最佳含水率。

圖6 型煤冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度隨含水率變化曲線Fig.6 Curves of cold mechanical strength changing with water content of briquette

型煤干燥最佳含水率的確定具有重要的實(shí)用價(jià)值，它可作為型煤干燥實(shí)踐中結(jié)束型煤干燥的判據(jù)。當(dāng)干燥條件確定以后，最佳含水率所對應(yīng)的干燥時(shí)間即為該條件下的最佳干燥時(shí)間。本次試驗(yàn)得出的高強(qiáng)型煤的最佳含水率為 2.32%，在此干燥條件下的最佳干燥時(shí)間為2 h。

高強(qiáng)型煤冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度隨含水率的下降先升高后降低的原因如下：型煤壓制成型后，煤粒與黏結(jié)劑雖然形成絡(luò)合狀態(tài)，但由于型煤內(nèi)部存在較多的游離水，使得型煤內(nèi)部煤顆粒之間以及煤顆粒與黏結(jié)劑之間的間距較大，煤與黏結(jié)劑之間的結(jié)合力較弱且不穩(wěn)定，導(dǎo)致濕型煤的強(qiáng)度不高。隨著型煤干燥的不斷進(jìn)行，型煤黏結(jié)劑水化后產(chǎn)生的凝膠體失水固結(jié)硬化，與煤顆粒的邊緣基團(tuán)結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的物質(zhì)[16]。煤顆粒與煤顆粒之間就靠這一穩(wěn)定物質(zhì)結(jié)合在一起，形成具有一定強(qiáng)度的型煤。從另一角度來看，型煤成型后，濕型煤顆粒之間存在著一層具有較強(qiáng)表面張力的黏結(jié)劑液膜。隨著型煤干燥的不斷進(jìn)行，游離水分逐漸蒸發(fā)，黏結(jié)性液膜逐漸變薄，其表面張力逐漸增大。煤顆粒在這表面張力的作用下發(fā)生微小位移，并產(chǎn)生一定的搭接，使得煤顆粒彼此之間靠得更近，接觸更緊密。當(dāng)煤顆粒間的液膜蒸發(fā)完后，相當(dāng)于失去了煤顆粒間的“潤滑劑”，煤顆粒間的機(jī)械嚙合力增加[1,17]。因此，高強(qiáng)型煤的冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度隨含水率的下降而不斷升高。但是，當(dāng)型煤含水率達(dá)到最佳含水率以后，因蒸發(fā)界面內(nèi)移，型煤內(nèi)部干燥區(qū)域面積不斷增大，蒸發(fā)界面水分蒸發(fā)量不斷下降，型煤內(nèi)部溫度上升加快。由于型煤是由煤顆粒和復(fù)合黏結(jié)劑組成的復(fù)合體，各物質(zhì)之間的熱膨脹系數(shù)存在一定的差異，型煤內(nèi)部各部分因熱膨脹而發(fā)生的形變差異無法通過自身的協(xié)調(diào)而消除，因而必然產(chǎn)生熱應(yīng)力。隨著熱應(yīng)力的積累，導(dǎo)致型煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的改變。型煤內(nèi)部熱應(yīng)力的產(chǎn)生是導(dǎo)致型煤因過度干燥而降低其冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度的根本原因。

4 結(jié)論

(1) 高強(qiáng)濕型煤的熱對流干燥過程經(jīng)歷升速干燥期、恒速干燥期和降速干燥期3個階段，其中，升速干燥期歷時(shí)最短，恒速干燥期約占總干燥時(shí)間的24.4%，而降速干燥期在整個干燥過程中占支配地位。

(2) 濕型煤干燥過程中存在熱質(zhì)耦合現(xiàn)象，型煤溫度自外向內(nèi)隨干燥時(shí)間的變化不同。在型煤干燥過程中，存在蒸發(fā)界面內(nèi)移的現(xiàn)象。

(3) 高強(qiáng)型煤熱對流干燥過程中其冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度隨含水率的降低先增加后降低，型煤干燥存在最佳含水率，試驗(yàn)條件下高強(qiáng)型煤干燥的最佳含水率為2.32%。

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