褐煤低溫干燥特性實(shí)驗(yàn)

孔祥雷，陳 軍，謝冬梅,馬 強(qiáng)，陳立海,單秀華

(承德石油高等?？茖W(xué)校 a.熱能工程系； b.石油工程系，河北 承德 067000)

能源不但是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類賴以生存的基本條件[1-3]。在2016—2022年間，能源行業(yè)在我國(guó)的地位仍然是不可動(dòng)搖的，煤炭依舊是我國(guó)最為主要的傳統(tǒng)能源[4]。我國(guó)褐煤的煤化程度僅僅高于煤泥的精煤，煤化程度相對(duì)來(lái)說(shuō)非常低，只介于泥炭與瀝青煤之間，是一種棕黑色、無(wú)光澤的低級(jí)煤。我國(guó)褐煤相比其他煤種通常具有“三高兩低”的特點(diǎn)[5]：水分高、揮發(fā)份高、灰分高、發(fā)熱量低、灰熔點(diǎn)低。由于褐煤的高水分，不僅會(huì)降低能源的利用率，而且還會(huì)增加產(chǎn)物中的粉塵、氮氧化物等氣體，增加了褐煤有效利用的難度。因此，褐煤低溫干燥預(yù)處理變得非常必要[6-8]。

1 煤樣的工業(yè)分析

實(shí)驗(yàn)以不同粒徑的褐煤作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了研磨和篩分，煤樣的工業(yè)分析根據(jù)GB/T 212—2008 進(jìn)行測(cè)定。煤樣的理化性質(zhì)見(jiàn)表1：

表1 原煤的理化性質(zhì)工業(yè)分析

由表1可知，褐煤的收到基全水分含量高達(dá)28.68%，這在褐煤的開(kāi)發(fā)和潔凈利用過(guò)程中造成了很大的影響。正因?yàn)楹置褐械母吆?，不但降低了褐煤的發(fā)熱量，而且降低了煤粉在鍋爐中的燃燒效率。綜合來(lái)看，褐煤的干燥預(yù)處理是非常有必要的。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

101A1E型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；ACS6D 型電子秤，上海精密科學(xué)儀器有限公司；日立TM3030掃描電子顯微鏡；JWBK132F型比表面積孔徑分析儀。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將褐煤煤樣進(jìn)行研磨，利用篩網(wǎng)篩分，分為6組，分別用自封袋進(jìn)行密封保存，盡量減少水分在實(shí)驗(yàn)外的損失；

2)把干燥箱的溫度分別調(diào)至100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃。將準(zhǔn)備好的一組10 g煤樣平鋪到實(shí)驗(yàn)用的稱量瓶中，將盛有煤樣的稱量瓶放進(jìn)干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥；

3)每干燥一段時(shí)間(10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min)取出煤樣放入干燥器內(nèi)干燥至室溫，稱取干燥后煤樣的質(zhì)量；

4)對(duì)5組褐煤煤樣重復(fù)進(jìn)行以上的實(shí)驗(yàn)步驟，并將干燥后的褐煤用密封袋常溫隔絕空氣密封，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備；

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對(duì)褐煤干燥過(guò)程的影響

從圖1中的溫度曲線我們可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，褐煤中的水分是逐漸減少的，100℃、120℃、140℃、160℃、180℃的不同溫度曲線最終含水量分別為9.89%、8.3%、4.89%、1.39%、1.1%，在有限時(shí)間內(nèi)，隨著溫度的升高，褐煤的最終含水率降低與褐煤內(nèi)大量的含氧官能團(tuán)有關(guān)。我們可以斷定：在120℃之前，主要脫除的是外在水分和部分內(nèi)在水，而且120℃之后，主要靠溫度來(lái)脫除被含氧官能團(tuán)化學(xué)吸附的內(nèi)在水分和結(jié)晶水。

從圖2中的每條溫度曲線可以得出：在每條干燥速率曲線上都存在升速階段和降速階段，干燥速率曲線中升速階段時(shí)間相對(duì)較短，并且是在初始階段，在這一階段褐煤外水含量較大，在溫度作用下，水分散失速率增大。當(dāng)表面水分蒸發(fā)完畢，內(nèi)部水分開(kāi)始擴(kuò)散到表面補(bǔ)充表面水分，但是內(nèi)在水分不足以補(bǔ)充褐煤表面蒸發(fā)的水分，所以導(dǎo)致表面水分蒸發(fā)速率降低，即進(jìn)入了降速階段。

圖1中100 ℃和120 ℃兩條曲線在20 min時(shí)存在非含水率正常下降的點(diǎn)，可能是由于測(cè)量誤差造成。而圖2中幾條曲線的出現(xiàn)了交叉現(xiàn)象，一方面是褐煤在研磨過(guò)程中粒度不均造成，另外一方面是儀器精度較低造成。

3.2 粒徑對(duì)褐煤干燥過(guò)程的影響

由圖3可以看出，三條干燥曲線走勢(shì)基本相同，都是隨著粒徑的降低，褐煤的干燥曲線是依次下降的，而最終達(dá)到水分平衡的時(shí)間也是依次減少的，最終的含水量分別3.47%，4.89%，5.78%，基本相差不是很大，在同等時(shí)間內(nèi)，粒徑小的褐煤散失的水分更多一些。

從圖4可以看出，不同粒徑褐煤的干燥速率曲線基本相同，存在一個(gè)升速和一個(gè)降速階段，但是在20 min之后，曲線呈現(xiàn)了交叉現(xiàn)象，而且干燥速率相差并不是很大。

不同粒徑的褐煤失重主要原因如下：

1)從顆粒角度進(jìn)行分析

褐煤顆粒在整個(gè)干燥的過(guò)程中，熱量的傳遞途徑是從顆粒外表面到顆粒中心，并且是以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行的，而水分的散失途徑則是：從褐煤顆粒中心向外擴(kuò)散到褐煤顆粒的表面，然后繼續(xù)散到周圍的環(huán)境中。在褐煤粒徑增大的同時(shí)，褐煤內(nèi)的水分?jǐn)U散到表面的路徑增加，在擴(kuò)散過(guò)程中的阻力也會(huì)隨著粒徑的增大而增加。這樣，褐煤的干燥速率就會(huì)降低，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論相同[9-10]。

2)從薄層干燥理論出發(fā)分析

三種不同粒徑褐煤，隨著顆粒的增大，使得器皿中的煤層的厚度增加，所以在相同干燥溫度下，加熱器皿中的煤層厚度越大，褐煤煤層中的內(nèi)水分和外水分向環(huán)境散失的路徑變長(zhǎng)，從而致使沿程阻力增加，最終導(dǎo)致褐煤的一部分水分散失受阻，這樣就使褐煤的干燥速率降低。

從整個(gè)干燥過(guò)程來(lái)看，從水分析出到褐煤水分達(dá)到平衡，降速階段所占比例更大一些，我們可以得出結(jié)論：在等溫干燥過(guò)程中，粒徑對(duì)于褐煤的干燥影響很小，在工業(yè)生產(chǎn)中，褐煤的粉碎研磨不用過(guò)細(xì)，以免造成能源的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

將褐煤在100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃下分別進(jìn)行等溫干燥實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

1)褐煤的干燥過(guò)程可以分為升速階段和降速階段且以降速階段為主；

2)加熱一定時(shí)間后，褐煤內(nèi)的水分趨于一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)，只有繼續(xù)升高溫度，才能降低褐煤內(nèi)的水分，溫度是褐煤水分?jǐn)U散的動(dòng)力；

3)褐煤粒徑減小到一定程度時(shí)，降低粒徑的大小，對(duì)褐煤的干燥特性影響并不顯著。