褐煤負(fù)壓干燥動力學(xué)研究

榮令坤，印萬忠，白春華，初 茉

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

礦業(yè)縱橫

褐煤負(fù)壓干燥動力學(xué)研究

榮令坤1，2，印萬忠1，白春華2，初 茉3

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

運(yùn)用真空干燥箱，進(jìn)行了不同壓強(qiáng)、不同溫度組合下的褐煤負(fù)壓干燥試驗(yàn)研究，根據(jù)煤樣含水率與干燥時間之間對映規(guī)律，提出一個簡單數(shù)學(xué)模型，并引入干燥壓強(qiáng)、干燥溫度有關(guān)的系數(shù)k、m，得到褐煤負(fù)壓干燥的動力學(xué)方程及干燥速率方程另外，對干燥溫度和壓強(qiáng)對煤樣終點(diǎn)含水率的影響進(jìn)行了分析探討，結(jié)果表明：使煤樣水分能夠徹底脫除的煤內(nèi)孔隙半徑均在納米級，環(huán)境壓強(qiáng)越小、溫度越大，煤樣最終含水率越小，說明煤中存在大量盲孔，小的外輸能量（壓力梯度、溫度梯度）不足以使盲孔破裂。

負(fù)壓；動力學(xué)；褐煤；干燥

褐煤的顯著特點(diǎn)是含水量大（收到基含水30%～40%），這與其表面含氧官能團(tuán)豐富，孔隙發(fā)達(dá)直接相關(guān)，總體上講，煤中水分為體表自由水、體內(nèi)束縛水和化學(xué)結(jié)合水，體表自由水容易脫除，體內(nèi)束縛水又分為毛細(xì)管水、孔隙吸附水，由于毛細(xì)作用、與煤中含氧官能團(tuán)形成氫鍵，使其脫除較難［1-2］?？傊吆暮置褐苯尤紵龝砟芎暮虲O2排放增多的問題，同時也導(dǎo)致了運(yùn)輸費(fèi)用增加，限制了褐煤的利用［3-4］。因此，研究褐煤的干燥特性，開發(fā)褐煤干燥提質(zhì)工藝已經(jīng)成為褐煤潔凈利用研究的一個重要方向。

數(shù)名學(xué)者［5-6］對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究，分析了干燥條件對褐煤干燥速率的影響及機(jī)理，并進(jìn)行了干燥動力學(xué)分析。郭治等［7］認(rèn)為干燥過程中可忽略液態(tài)水遷移，水分減少主要靠水蒸發(fā)為蒸汽再擴(kuò)散出煤粒，據(jù)此建立了煤粒水分縮核動力學(xué)模型，試驗(yàn)表明其能簡便、準(zhǔn)確的模擬褐煤的干燥動力學(xué)行為。熊程程等［8］通過對褐煤薄層等溫干燥實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，也認(rèn)為褐煤干燥主要受煤粒內(nèi)部水蒸

氣擴(kuò)散機(jī)理控制，Page模型能較好的模擬褐煤的干燥脫水過程，王濤等［9］在褐煤干燥研究中也得出同樣的結(jié)論。Hong-jun Zheng等［10］進(jìn)行了不同粒度、不同干燥溫度下單個煤粒的氮?dú)鈿夥障碌母邷馗稍飳?shí)驗(yàn)，利用改進(jìn)了的煤粒縮核模型，根據(jù)克努森擴(kuò)散定律，推導(dǎo)出煤粒高溫干燥的速率方程，并計(jì)算了不同煤粒尺寸下的煤中水分?jǐn)U散的平均活化能。

目前，褐煤的負(fù)壓干燥研究鮮有報到，負(fù)壓環(huán)境下褐煤的干燥行為及動力學(xué)模型研究很少，基于此，采用真空干燥箱，進(jìn)行了褐煤的負(fù)壓干燥實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)了褐煤負(fù)壓薄層干燥的動力學(xué)方程，并對干燥環(huán)境和終點(diǎn)含水量的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

煤樣為鄂爾多斯地區(qū)所產(chǎn)褐煤，收到基煤樣經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎，方孔篩篩分，考慮煤粒較大操作不便，煤粒較小易被水蒸氣帶走，實(shí)驗(yàn)取13～6mm粒級，再縮分裝入塑料密封袋保存，每袋45g，煤樣的工業(yè)分析、元素分析如表1所示，其中，元素分析在EL cube CHNSO型元素分析儀（德國Elementar公司）上進(jìn)行。

表1 煤樣工業(yè)分析和元素分析/wt%

試驗(yàn)在南京產(chǎn)DZF-6210型實(shí)驗(yàn)室真空干燥箱中進(jìn)行，此干燥箱控溫范圍：室溫～523K；可達(dá)真空度：133Pa；恒溫波動度：±1K；溫度分辨率：±0.1K；定時范圍：1～9999min。試驗(yàn)中物料的稱量采用上海精密牌分析天平，型號FA2204B，稱量范圍0～220g，測量精度0.1mg。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)分12組分別進(jìn)行，分組情況見表2，每組設(shè)3個水平，結(jié)果取算術(shù)平均值，具體操作是：將每袋煤樣分為3份，每份質(zhì)量為15±1g，分別記為M01、M02、M03，放入預(yù)先干燥并稱重的3個稱量皿中，鋪平并蓋上蓋子，放入預(yù)先升溫到試驗(yàn)溫度的真空干燥箱中，揭去稱量皿蓋子，關(guān)閉真空干燥箱密封門，并快速開啟真空泵，箱體內(nèi)壓強(qiáng)迅速降低，待箱體中達(dá)到預(yù)定真空度后，關(guān)閉真空泵與干燥箱通路的閥門，煤樣即在設(shè)定試驗(yàn)環(huán)境下脫水干燥，之后每隔一定時間將煤樣分別稱重記為Mj1、Mj2和Mj3，操作中打開真空干燥箱密封門之后要迅速將裝有煤樣的3個稱量皿蓋上蓋子，再拿出并快速在分析天平稱量，以盡量減少試驗(yàn)誤差，那么時間ti時的煤樣百分質(zhì)量W由式（1）計(jì)算得到。

每組試驗(yàn)進(jìn)行到間隔10min，煤樣失重小于1%時，即停止記錄數(shù)據(jù)，讓煤樣在設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境下繼續(xù)干燥，直到整個試驗(yàn)用時為12h，停止試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算得到該干燥環(huán)境下煤樣的終點(diǎn)百分質(zhì)量。

表2 煤樣干燥分組

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 褐煤負(fù)壓干燥動力學(xué)

圖1是338K、20k Pa環(huán)境下，褐煤的負(fù)壓干燥脫水失重曲線。

圖1 煤樣干燥失重曲線（338K，20kPa）

樣品含水率，如式（2）所示。

式中：W為為某一時刻樣品質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；W0為

為樣品在20k Pa、423K環(huán)境下干燥失重后維持恒定的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，實(shí)驗(yàn)認(rèn)為此條件下得到的煤樣已經(jīng)完全干燥，其值為72.08%。

圖2為同一壓強(qiáng)不同溫度下或同一溫度不同壓強(qiáng)下煤樣的含水率隨時間變化的曲線圖，由圖可以看到這樣一種現(xiàn)象：干燥初期，煤樣的含水率降低很快，隨著干燥時間的延長，含水率降低速度減慢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是煤炭水分分為表面水、體內(nèi)毛細(xì)水、結(jié)合水，其中體表水最容易蒸發(fā)，毛細(xì)水次之，結(jié)合水最難，干燥脫水初期，脫掉的是體表水，速度較大，隨后就是毛細(xì)水，由于水的表面張力，毛細(xì)水脫除難易與毛細(xì)管直徑直接相關(guān)，毛細(xì)直徑越小，所需蒸發(fā)熱越大，越難脫除。

因此，在最簡單的情況下，可以假定煤樣的干燥速率與該瞬間煤樣的含水率成正比，根據(jù)這個假設(shè)可以得如式（3）所示關(guān)系。

式中：t為干燥時間，min；k為比例系數(shù)，決定于干燥條件，負(fù)號表示含水量減少。

用分離變量法求解式（3）微分方程式，得到式（4）、式（5）。

設(shè)X0為煤樣的初始含水量，在干燥開始時，t=0，X=X0，從而C=ln X0。將C值代入式（5），得到式（6）。

考慮到壓強(qiáng)、溫度等也會影響到煤樣的含水率隨時間的變化，引入?yún)?shù)m，得到煤樣負(fù)壓干燥動力學(xué)方程（式（7））。

將式（7）取兩次對數(shù)，得到式（8）。

應(yīng)用最小二乘法將圖3中12組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性擬合，得到不同壓強(qiáng)及溫度條件下煤樣的負(fù)壓干燥動力學(xué)方程，見表3。

圖2 煤樣干燥含水率曲線

表3 褐煤負(fù)壓干燥動力學(xué)方程參數(shù)

圖3隨干燥時間變化曲線

由表3可知：12組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，說明式（7）完全適用于不同溫度不同壓強(qiáng)組合下煤樣負(fù)壓干燥過程，但此方程不能滿足一個邊界條件，因?yàn)橹挥衪=∞時，煤樣的含水率才等于零。雖然如此，煤樣含水率在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，這個方程式還是適用的。

褐煤負(fù)壓干燥動力學(xué)如用式（7）表示，則干燥速率見式（9）。

不同壓強(qiáng)、不同溫度組合下的煤樣干燥速率方程見表3。煤樣干燥動力學(xué)方程中m和k的值也可以應(yīng)用解析幾何的方法，在式（8）描述的直線上選取點(diǎn)1〔lgt1，lg（lg X0/X1）〕和點(diǎn)2〔lgt2，lg（lg X0/ X2）〕，不難找出：直線的斜率m和直線的截距k，如式（10）、式（11）所示。

從式（10）、式（11）可以看出，參數(shù)m與時間的單位無關(guān)，與對數(shù)的種類也無關(guān)；參數(shù)k與時間的單位有關(guān)，但與對數(shù)的種類無關(guān)。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)太少，不能用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法明確m、k與試驗(yàn)條件（壓強(qiáng)、溫度）的關(guān)系，但根據(jù)文獻(xiàn)［10-11］，顆粒尺寸越小，或小尺寸顆粒在粒群中占多數(shù)，整體煤料的比表面積就越大，傳熱傳質(zhì)的速度就越快，煤粒干燥速度就越快；煤料的孔徑分布中微孔越多，由于毛細(xì)凝聚作用，煤粒干燥速率就越低，故推斷m、k值與干燥煤料的性質(zhì)（顆粒組成及均勻度、顆粒孔徑分布、比表面積等）和干燥環(huán)境（溫度、壓強(qiáng)）等有關(guān)。

2.2 干燥環(huán)境對煤樣終點(diǎn)含水率的影響

表4為不同壓強(qiáng)、不同溫度下褐煤干燥的終點(diǎn)含水率，每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行12h，以達(dá)到徹底干燥。由

表4可知：環(huán)境壓強(qiáng)與溫度均能影響煤樣的終點(diǎn)含水率，環(huán)境壓強(qiáng)越大，同樣溫度下得到煤樣的終點(diǎn)含水率越大，煤樣脫水程度越低，低壓有助于脫水；溫度越高，煤樣的干燥程度越深。

褐煤孔隙發(fā)達(dá)，水分的蒸發(fā)將受到毛細(xì)管濃縮作用的影響，根據(jù)Kelven公式，得式（12）。

式中：R為氣體常數(shù)；T為溫度；P為液滴或氣泡的蒸汽壓；P0為平面液體對應(yīng)的飽和蒸汽壓；γ為表面張力；M為液體的摩爾質(zhì)量；ρ為液體密度；r為液滴或氣泡的曲率半徑，且前者大于零后者小于零。毛細(xì)管內(nèi)彎液面曲率半徑r，毛細(xì)管半徑r′及液體與管壁的接觸角θ之間存在關(guān)系r=r′/cosθ，代入式（12）得毛細(xì)凝聚形成彎液面條件下對應(yīng)的Kelven公式見式（13）。

式中：負(fù)號表示彎曲液面曲率半徑小于零。由式（13）可知：彎曲液面相應(yīng)的蒸汽壓P小于平面液體對應(yīng)的飽和蒸汽壓，并隨著毛細(xì)管半徑r′的減小，P變得更小，即毛細(xì)管濃縮作用加強(qiáng)，從而使液體蒸發(fā)的更困難，蒸發(fā)速率降低。

根據(jù)式（13），假設(shè)煤樣中孔隙結(jié)構(gòu)均是開放的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，并以極端情況下考慮（液滴或氣泡的蒸汽壓P為環(huán)境壓強(qiáng)，其實(shí)絕對小于環(huán)境壓強(qiáng)），可以計(jì)算得到能使毛細(xì)管內(nèi)水完全蒸發(fā)的毛細(xì)管最小半徑（理論毛細(xì)管徑）。如表4所示，除第4組、7組、10組（沒能計(jì)算數(shù)據(jù)）外其余9組的理論毛細(xì)管徑均在納米級，水分子的半徑約為0.4nm，意味著，只要干燥時間足夠，9組試驗(yàn)大部分均能將煤中水分脫除徹底，但試驗(yàn)結(jié)果卻不同，原因可能是煤中孔隙結(jié)構(gòu)有些是盲孔，沒有足夠的外輸能量（壓力梯度、溫度梯度）不足以使其破裂變?yōu)橥?，所以干燥環(huán)境壓強(qiáng)越小、溫度越高，煤樣最終含水量越小，脫水越徹底；相反，則使一些盲孔中的水不能脫除，所以最終含水量較大。

表4 褐煤負(fù)壓薄層干燥的終點(diǎn)含水率

3 結(jié) 論

1）褐煤負(fù)壓薄層干燥的動力學(xué)方程為X= X0e-ktm，煤樣含水率在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，這個方程式是適用的，對應(yīng)的負(fù)壓干燥速率方程為= X0e-ktm（-kmtm-1），其中參數(shù)k和m與煤炭性質(zhì)和干燥條件有關(guān)。

2）根據(jù)開爾文公式，使煤樣水分能夠徹底脫除的毛細(xì)管經(jīng)均在納米級，有些甚至小于水分子的半徑，但它們的干燥最終含水率卻不相同，環(huán)境壓強(qiáng)越小、溫度越大，煤樣最終含水率越小，說明煤樣中存在大量盲孔，小的外輸能量（壓力梯度、溫度梯度）不足以使盲孔破裂。

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Study on the drying kinetics of lignite under negative pressure

RONG Ling-kun1，2，YIN Wan-zhong1，BAI Chun-hua2，CHU Mo3
（1.Institute of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China；2.Institute of Mining Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China；3.Institute of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

Drying behaviors of lignite were studied with a vacuum drying oven under different pressures and temperatures in this study.A mathematical model was established according to the curves of the water content for different drying times to explain the kinetics of lignite drying.Further analysis explained the influence of pressure and temperature on final moisture content.The result suggests lower pressure and higher temperatures cause smaller final moisture contents，which indicates the existing of abundant blind holes in coal and the pressure and temperature gradients should be large enough to rupture the blind holes.

negative pressure；kinetics；low-rank coal；drying

TQ052

A

1004-4051（2016）09-0131-05

2015-05-22

國家自然科學(xué)基金與神華集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合資助項(xiàng)目“熱提質(zhì)對褐煤水分復(fù)吸特性的影響規(guī)律研究”資助（編號：U1261101）；內(nèi)蒙古科技大學(xué)校內(nèi)創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助（編號：2011NCL052；2014QDL03）

榮令坤（1983-），男，河北清苑人，博士研究生，講師，科研方向?yàn)闉槊禾壳鍧嵽D(zhuǎn)化與綜合利用。E-mail：rlk090508@ 163.com。