中細(xì)粒煙煤低溫干燥特性研究

劉康雄，郭 帆，郭亮亮，肖 陸

(彬縣華彬精煤有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500)

煤炭的水分過(guò)高會(huì)降低其熱值和能量密度，導(dǎo)致下游產(chǎn)業(yè)(如發(fā)電、煤化工)的利用效率下降[1-2]，而且運(yùn)輸成本也會(huì)增加等[3]，因此在使用之前對(duì)煤炭進(jìn)行干燥預(yù)處理非常重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤炭干燥的主要研究對(duì)象為褐煤煤種，關(guān)于褐煤干燥的理論技術(shù)及設(shè)備[4-5]研究廣泛而深入，文獻(xiàn)大多研究溫度[6]、粒度[7]、時(shí)間[8]、干燥方式[9-10]等因素對(duì)水分干燥的影響規(guī)律，以及干燥后褐煤的水分復(fù)吸特性等[11-12]。張振華等[13]研究了溫度、粒度等條件對(duì)細(xì)粒褐煤干燥效果的影響，結(jié)果表明，溫度和粒度是影響褐煤干燥的重要因素，溫度升高可明顯提高干燥速率，粒度增大干燥速率會(huì)降低。秦宜等[14]研究了干燥時(shí)間、干燥溫度、干燥方式等因素對(duì)褐煤干燥及利用的作用規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)干燥溫度在100～150 ℃之間，干燥時(shí)間為30～60 min時(shí)，褐煤的水分能控制在10%～20%之間，這樣有利于褐煤制備粗褐煤蠟和腐植酸。李尤等[15]研究了溫度對(duì)褐煤干燥復(fù)吸特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著干燥溫度升高，褐煤有效含水孔隙體積減少、含氧官能團(tuán)增多，從而影響其干燥后水分復(fù)吸性能。但目前在煙煤干燥方面的相關(guān)研究較少，尤其是對(duì)煙煤干燥后水分復(fù)吸的情況很少有試驗(yàn)論述。由于煙煤的成煤周期較褐煤長(zhǎng)，其孔結(jié)構(gòu)和親水性含氧官能團(tuán)較少[16]，干燥過(guò)程及水分復(fù)吸過(guò)程與褐煤可能存在差異，需要進(jìn)一步研究。

為此，在鼓風(fēng)干燥箱中對(duì)煙煤進(jìn)行了干燥試驗(yàn)，研究了粒度、干燥溫度和時(shí)間對(duì)水分干燥的影響，并探討了干燥后煙煤水分復(fù)吸的問(wèn)題，以為煙煤的干燥提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用的煙煤為中粒(13～6 mm粒級(jí))和細(xì)粒(<6 mm粒級(jí))。其工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 中、細(xì)粒煙煤工業(yè)分析

由表1可以看出，中、細(xì)粒煙煤水分均較高，細(xì)粒煙煤水分已超過(guò)20%。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 干燥脫水試驗(yàn)

采用長(zhǎng)300 mm、寬200 mm、高40 mm的托盤(pán)盛裝樣品，每次樣品質(zhì)量為500 g，均勻平鋪在托盤(pán)內(nèi)。稱(chēng)取一定量的煤炭樣品，放入智能控溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，用電子天平稱(chēng)量其質(zhì)量變化情況，記錄時(shí)間間隔為10 min，待到質(zhì)量不再變化時(shí)停止試驗(yàn)，計(jì)算水分。根據(jù)水分損失率與時(shí)間的關(guān)系繪制干燥曲線(xiàn)，根據(jù)失水速率(單位時(shí)間內(nèi)的水分損失率)與時(shí)間的關(guān)系繪制干燥速率曲線(xiàn)。

1.2.2 水分復(fù)吸試驗(yàn)

將不同溫度干燥后的樣品稱(chēng)量500 g置入托盤(pán)內(nèi)，放入20 ℃室溫、30%濕度的環(huán)境中進(jìn)行水分復(fù)吸試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間為7 d。第一天間隔8 h測(cè)定一次質(zhì)量，之后間隔1 d測(cè)定一次質(zhì)量，并計(jì)算吸收水分的百分比含量，即為水分復(fù)吸率。根據(jù)水分復(fù)吸率和時(shí)間的關(guān)系繪制水分復(fù)吸曲線(xiàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 干燥試驗(yàn)

2.1.1 干燥溫度試驗(yàn)

對(duì)中、細(xì)粒煙煤分別在80、100、120、140 ℃的溫度下進(jìn)行鼓風(fēng)干燥試驗(yàn)。不同干燥溫度條件下中、細(xì)粒煙煤的干燥曲線(xiàn)和干燥速率曲線(xiàn)分別如圖1、圖2所示。

圖1 不同干燥溫度條件下中、細(xì)粒煙煤干燥曲線(xiàn)

圖2 不同干燥溫度條件下中、細(xì)粒煙煤干燥速率曲線(xiàn)

由圖1、圖2可以看出：在同等干燥時(shí)間條件下，干燥溫度越高，水分損失越多，失水速率越快；對(duì)于同一粒度的煙煤來(lái)說(shuō)，干燥溫度越高，干燥速率越快，干燥所需的時(shí)間越短，但干燥溫度越高，能耗也越大，因此應(yīng)選擇適宜的干燥溫度。

從失水速率來(lái)看，煙煤干燥分為升速階段和降速階段。對(duì)于同一種粒度的煙煤，在前20 min時(shí)間，失水速率快速增大，水分損失加快；約在20 min之內(nèi)，中、細(xì)粒煙煤失水速率均出現(xiàn)峰值，水分損失最快；在20～40 min之內(nèi)，失水速率快速減小，水分損失的速度減慢，之后水分緩慢損失，直到水分不再變化，失水速率為零。這與褐煤干燥失水的規(guī)律相似，但也存在差異，文獻(xiàn)[17]中褐煤失水速率的峰值約在10 min，且失水速率較煙煤小。一般煤中的水大部分以外在水的形式分布于顆粒表面和孔/裂隙中。在升速干燥階段，吸附在煤炭顆粒表面的水分快速汽化，干燥速度比較快，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水分汽化的速度達(dá)到一個(gè)峰值，之后進(jìn)入降速干燥階段。在降速干燥階段，煤炭的水分降低，這時(shí)水分主要從料層或顆粒內(nèi)部向外擴(kuò)散，所需的干燥時(shí)間延長(zhǎng)，因此干燥速率降低。

2.1.2 干燥時(shí)間試驗(yàn)

對(duì)中、細(xì)粒煙煤分別在80、100、120、140 ℃的條件下進(jìn)行鼓風(fēng)干燥試驗(yàn)，干燥速率曲線(xiàn)如圖3—圖6所示。

圖3 中、細(xì)粒煙煤在80 ℃下的干燥速率曲線(xiàn)

圖4 中、細(xì)粒煙煤在100 ℃下的干燥速率曲線(xiàn)

圖5 中、細(xì)粒煙煤在120 ℃下的干燥速率曲線(xiàn)

圖6 中、細(xì)粒煙煤在140 ℃下的干燥速率曲線(xiàn)

由圖3—圖6可知：當(dāng)溫度低于120 ℃時(shí)，在前30 min之內(nèi)，中粒煙煤的失水速率大于細(xì)粒煙煤的失水速率，30 min之后，細(xì)粒煙煤的失水速率較中粒煙煤的失水速率略高或相差不大；當(dāng)溫度不低于120 ℃時(shí)，中、細(xì)粒煙煤的失水速率接近，表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

在鼓風(fēng)干燥試驗(yàn)中，細(xì)粒煙煤的粒度小，雖然其比表面積大，干燥時(shí)的受熱面多，但堆積后顆粒間的空隙小，料層表面水分散失得快，層內(nèi)水分向外擴(kuò)散得慢；中粒煙煤的比表面積相對(duì)細(xì)粒小，但其堆積后顆粒間的空隙大，料層表面的水分快速蒸發(fā)后，內(nèi)部的水分也可以較快地向外擴(kuò)散散失。

當(dāng)溫度較低時(shí)，中粒煙煤的水分較細(xì)粒煙煤擴(kuò)散蒸發(fā)得速度快，水分損失較快；溫度高時(shí)，水分可以快速蒸發(fā)，這種水分從料層內(nèi)向外擴(kuò)散的現(xiàn)象將不明顯，此時(shí)粒度對(duì)水分損失的影響不顯著。

在溫度相同的條件下，當(dāng)干燥溫度為80 ℃時(shí)，中細(xì)粒煙煤在140～160 min可結(jié)束干燥；當(dāng)干燥溫度為100 ℃時(shí)，可在120～130 min內(nèi)干燥結(jié)束；當(dāng)干燥溫度為120 ℃或140 ℃時(shí)，中、細(xì)粒煙煤可在60～70 min內(nèi)結(jié)束干燥。

2.2 水分復(fù)吸試驗(yàn)

在不同溫度干燥后，中、細(xì)粒煙煤的水分復(fù)吸曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可以看出，將中、細(xì)粒煙煤在干燥后置于空氣中，7 d后會(huì)吸收1.0%～2.0%的水分。在復(fù)吸過(guò)程中的第一天，其水分復(fù)吸率增大得快，復(fù)吸水分的速度快；之后，水分復(fù)吸率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而小幅增加，直至不變。水分復(fù)吸時(shí)，顆粒的表面先吸收水分，表面的水分增加的快，之后復(fù)吸的水分逐步向內(nèi)擴(kuò)散，復(fù)吸效率降低，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。此外，干燥溫度越高，干燥后水分復(fù)吸率越大，復(fù)吸的水分也越多。這是由于干燥溫度越高，煤?？紫吨械乃指稍锏迷綇氐?，當(dāng)其暴露于潮濕空氣中時(shí)所吸附的水分也就越多。

圖7 不同干燥溫度條件下中細(xì)粒煙煤的水分復(fù)吸曲線(xiàn)

3 結(jié)論

(1)通過(guò)鼓風(fēng)干燥，可以快速地降低煙煤的水分，并且干燥溫度越高，干燥速率越快，所需的干燥時(shí)間越短。

(2)在120 ℃的干燥溫度下，粒度對(duì)水分損失的快慢影響不大，中、細(xì)粒煙煤在60～70 min內(nèi)均可結(jié)束干燥。

(3)干燥后煙煤會(huì)產(chǎn)生水分復(fù)吸現(xiàn)象，且干燥溫度越高，干燥后吸收的水分越多，細(xì)粒煙煤的水分復(fù)吸現(xiàn)象較粗粒嚴(yán)重，但整體的水分復(fù)吸率很低，為1.0%～2.0%，有利于其儲(chǔ)運(yùn)和加工利用。