粒徑對褐煤非薄層干燥及干燥褐煤自燃與復(fù)吸特性的影響

張一昕,賈文科,郭 旸,王如夢,郭凡輝,武建軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 國家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心,江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

褐煤是我國以煤炭為主導(dǎo)的能源體系的重要組成部分,已探明儲(chǔ)量超過1 300億t,占全國煤炭儲(chǔ)量的13%以上。褐煤具有反應(yīng)活性高、揮發(fā)分高、污染物含量低等優(yōu)勢,具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,我國褐煤的開采量逐漸增加,成為部分區(qū)域的主要能源來源。然而,褐煤的水分高,其中云南昭通地區(qū)褐煤的含水量高達(dá)50%以上,脫水成為褐煤高效利用的必要前提,開發(fā)高效的褐煤脫水技術(shù)具有重要意義。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對褐煤干燥進(jìn)行了廣泛的研究,針對煤-水間作用機(jī)理、煤炭特性與脫水機(jī)制間的關(guān)系等進(jìn)行了大量研究,開發(fā)了不同的脫水技術(shù)。按照水分從煤中脫除的方式,脫水技術(shù)分為蒸發(fā)脫水和非蒸發(fā)脫水,前者包括熱煙氣干燥、流化床干燥、微波干燥、過熱蒸汽干燥等,后者包括溶劑萃取脫水、水熱脫水、熱壓脫水等。目前,蒸發(fā)干燥技術(shù)應(yīng)用較為普遍,其中干燥溫度和顆粒粒徑是影響干燥過程的主要因素。沈望俊等研究發(fā)現(xiàn)將褐煤干燥到同樣水分,當(dāng)溫度從70 ℃增加至120 ℃時(shí),總干燥時(shí)間縮短44.4%,當(dāng)粒徑從0.6～1.6 mm 減小至0.5～0.6 mm 時(shí),總干燥時(shí)間減少了63.6%。較高的干燥溫度可以提高干燥速率,同時(shí)隨著干燥溫度的升高，褐煤表面活性含氧官能團(tuán)會(huì)逐漸分解,含氧官能團(tuán)的分解有利于降低褐煤的親水性和自燃傾向性。張振華等進(jìn)行的褐煤紅外干燥特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,粒徑小的褐煤樣品在相同干燥條件下具有更高的干燥速率。張衡對粒徑為1,5,10 mm褐煤在190～220 ℃、靜止?fàn)顟B(tài)下的干燥特性進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明粒徑為1 mm 褐煤的干燥速率最大。粒徑同樣對干燥后褐煤的復(fù)吸與自燃特性具有重要影響,ZHANG等對不同粒徑干燥后褐煤的復(fù)吸過程與自燃傾向性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明粒徑的增大對干燥后復(fù)吸與自燃具有顯著的抑制作用。然而,這些研究所采用的樣品粒徑變化范圍較小,同一研究中所涉及的粒徑組數(shù)較少,對粒徑大范圍變化影響下的褐煤干燥與復(fù)吸特性認(rèn)識(shí)不夠充分。

此外,對褐煤干燥與復(fù)吸的研究多以單顆?；虮訝顟B(tài)的樣品為對象,對干燥過程動(dòng)力學(xué)的研究多采用經(jīng)驗(yàn)公式擬合的方法,假設(shè)樣品內(nèi)部溫度、水分均勻,忽略樣品表面與內(nèi)部溫度、水分的差異。而實(shí)際干燥過程中褐煤物料厚度往往超過薄層干燥的上限,樣品表層和內(nèi)部溫度、水分的差異顯著,樣品內(nèi)部的溫度梯度、濕度梯度以及顆粒堆積時(shí)形成的顆粒間間隙對傳熱傳質(zhì)均有重要影響,表現(xiàn)出與單顆粒、薄層狀態(tài)下不同的干燥特性；且干燥后的褐煤多進(jìn)行堆放,其自燃、復(fù)吸特性也與單顆粒、薄層狀態(tài)下不同。因此,在非薄層狀態(tài)下褐煤的干燥及干燥褐煤自燃與復(fù)吸特性的研究,對工業(yè)應(yīng)用具有更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

筆者對不同粒徑的昭通褐煤在50 mm×50 mm×50 mm網(wǎng)籃中的非薄層干燥過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,測定了非薄層干燥過程中不同粒度、溫度下昭通褐煤水分變化,分析了非薄層干燥機(jī)理,通過數(shù)值模擬方法研究了非薄層干燥過程樣品溫度、水分分布,并在中試裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；采用交叉點(diǎn)溫度法與絕熱氧化速率法研究了干燥后褐煤的自燃特性；最后,將干燥后的褐煤樣品置于網(wǎng)籃中,測定了其非薄層狀態(tài)下的復(fù)吸特性,并與薄層狀態(tài)下的復(fù)吸特性進(jìn)行對比。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣 品

本實(shí)驗(yàn)選用高水分的云南昭通褐煤作為研究對象,經(jīng)破碎處理后得到以下不同粒度的樣品：<1,1～2,2～5,5～10,30,50 mm(其中30 mm和50 mm樣品為分別手工切割的立方體)。采用5E-MAG6700型全自動(dòng)工業(yè)分析儀和德國Elementar元素分析儀分別對昭通褐煤進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析測定,數(shù)據(jù)見表1。

表1 昭通褐煤樣品的工業(yè)和元素分析

1.2 褐煤干燥特性實(shí)驗(yàn)

采用自行搭建的褐煤非薄層干燥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在干燥實(shí)驗(yàn)中,將褐煤樣品放置于金屬絲網(wǎng)(200目)制成的尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的網(wǎng)籃中,然后將網(wǎng)籃放入已預(yù)熱至設(shè)定溫度的恒溫箱中,并掛在與天平相連接的金屬絲線上,干燥實(shí)驗(yàn)開始后天平自動(dòng)記錄樣品的質(zhì)量變化。

圖1 褐煤非薄層干燥實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of lignite non-thin layerdrying experimental device

采用自行搭建的褐煤非薄層干燥中試裝置(圖2)進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn),裝置外形尺寸為4 560 mm×3 210 mm×4 850 mm,設(shè)計(jì)處理量為1 t/h,干燥溫度為160 ℃,褐煤物料厚度為100 mm。為便于測試,在樣品中間放置多個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的網(wǎng)籃,并裝滿褐煤樣品,分別在不同時(shí)刻取出,測定褐煤平均水分變化；在其中一個(gè)網(wǎng)籃距離樣品表面10 mm處和樣品中心處分別布置熱電偶,以監(jiān)測樣品溫度變化。

圖2 褐煤非薄層干燥中試裝置Fig.2 Pilot device of lignite non-thin layer drying

1.3 褐煤復(fù)吸特性實(shí)驗(yàn)

將一定質(zhì)量干燥后的褐煤樣品置于由金屬絲網(wǎng)制成的尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的網(wǎng)籃中,稱量后將網(wǎng)籃置于BPS-250CL型恒溫恒濕箱(上海一恒科技有限公司)內(nèi),設(shè)置溫度為30 ℃、相對濕度為95%。測試開始后,前12 h每隔2 h稱量一次樣品質(zhì)量,之后每隔12 h稱量一次,記錄質(zhì)量變化。

復(fù)吸過程中任意時(shí)刻樣品的水分復(fù)吸率(每克樣品復(fù)吸水分的質(zhì)量)為

(1)

式中,為水分復(fù)吸率,%；，分別為復(fù)吸前、后樣品的質(zhì)量,g。

1.4 褐煤自燃特性實(shí)驗(yàn)

本研究采用交叉點(diǎn)溫度法與絕熱氧化速率法測定干燥后褐煤的自燃特性。交叉點(diǎn)溫度測定方法參照文獻(xiàn)[3]確定。將樣品置于由金屬絲網(wǎng)制成的尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的網(wǎng)籃中,在樣品的幾何中心插入K型熱電偶,將其放入程序控溫爐內(nèi)。程序控溫爐初始溫度設(shè)定為30 ℃,空氣氣氛,放入樣品后檢測樣品中心溫度,當(dāng)樣品中心溫度與爐內(nèi)初始溫度相差小于±0.5 ℃時(shí),設(shè)置程序控溫爐以1 ℃/min的升溫速率加熱,通過計(jì)算機(jī)程序記錄樣品中心溫度與爐內(nèi)溫度,直至樣品中心溫度超過爐內(nèi)溫度。樣品中心溫度與爐內(nèi)溫度變化曲線交叉點(diǎn)處的溫度記為交叉點(diǎn)溫度(CPT),交叉點(diǎn)溫度越高，樣品自然傾向性越低。每個(gè)樣品測試3次,誤差小于±1.5 ℃。

絕熱氧化速率是指在絕熱氧化過程中,煤樣在40～70 ℃內(nèi)的平均升溫速率,記作(℃/h),越低，樣品自然傾向性越低。在絕熱氧化速率測定過程中,采用絕熱裝置和絕熱措施將煤在低溫階段產(chǎn)生的微小熱量保留在煤樣中,隨著褐煤氧化產(chǎn)熱的逐漸積累,實(shí)現(xiàn)煤樣溫度的不斷升高,排除環(huán)境因素對煤樣氧化升溫過程的干擾。絕熱氧化速率測定方法按照參考文獻(xiàn)[16]確定。稱取100 g煤樣置于絕熱煤樣罐中,設(shè)置控溫箱溫度在40 ℃,向絕熱煤樣罐中持續(xù)通入流量為50 mL/min的氮?dú)?直至煤樣的溫度穩(wěn)定保持在40 ℃。然后將氮?dú)馇袚Q為空氣,控制流速為50 mL/min,利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集煤樣溫度,并利用溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控溫箱溫度,使溫控箱溫度與煤樣溫度保持一致,測試過程在煤樣溫度達(dá)到100 ℃后結(jié)束。每個(gè)樣品測試3次,誤差小于±0.1 ℃/h。

1.5 干燥過程數(shù)值模擬

當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度到達(dá)設(shè)定值后將褐煤樣品放入,隨著褐煤樣品溫度的升高,樣品會(huì)因熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射等作用發(fā)生能量或質(zhì)量的交換,由表層到內(nèi)部逐漸失去水分。

數(shù)值模擬研究中,對褐煤干燥傳熱傳質(zhì)過程做出如下假設(shè)：在顆粒尺度上假設(shè)骨架顆粒為具有均勻結(jié)構(gòu)的球體；顆粒內(nèi)部傳質(zhì)主要依靠擴(kuò)散；水分相變均發(fā)生在顆粒尺度；以樣品平均粒徑作為計(jì)算粒徑。依據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒定律等建立干燥過程模型。

褐煤顆粒本質(zhì)上是一種多孔介質(zhì),在本研究中將褐煤樣品視為均質(zhì)模型,多孔介質(zhì)模型的動(dòng)量方程具有附加的動(dòng)量源項(xiàng),以考慮褐煤顆粒對流動(dòng)的影響,參照石晉菘的研究建立多孔介質(zhì)模型。褐煤干燥過程中水分蒸發(fā)采用Lee模型描述；由于爐內(nèi)流速較低,黏度模型選用層流模型；輻射模型選用DO輻射模型；水分干燥過程涉及液態(tài)水向汽態(tài)水的轉(zhuǎn)化,選用Mixture多相模型；昭通褐煤物性參數(shù)參照萬克記的研究設(shè)定。

根據(jù)上述傳熱傳質(zhì)平衡方程組與計(jì)算模型,結(jié)合干燥過程邊界條件,采用Spaceclam軟件建立了樣品幾何模型,通過Fluent軟件對非薄層干燥過程中褐煤樣品的溫度、水分分布進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒度對昭通褐煤干燥特性的影響

不同粒度昭通褐煤干燥過程殘留水分隨時(shí)間變化曲線如圖3所示,在2種干燥溫度下,粒度對干燥過程中昭通褐煤殘留水分隨時(shí)間變化的影響具有相同的趨勢。在干燥溫度相同、褐煤粒度較大時(shí),其殘留水分下降較為緩慢,達(dá)到相同水分所需要的干燥時(shí)間大幅提升。在160 ℃時(shí),粒度為2～5mm的樣品水分降至0.5 g/g僅需約18 min,而粒度為50 mm的樣品需要約115 min。褐煤粒度越大,比表面積越小,在干燥過程中,顆粒內(nèi)部水分遷移所通過的路徑也就越長,水分遷徙的阻力也越大。同時(shí),褐煤顆粒粒度越大,熱量向顆粒內(nèi)部傳遞的速度也越慢,導(dǎo)致顆粒內(nèi)部水分向外傳遞的驅(qū)動(dòng)力較低。在2種不同干燥溫度下,隨著褐煤粒度的減小,褐煤干燥過程中殘留水分降低明顯加快。在顆粒粒度減小時(shí),顆粒中原來的大孔和不連續(xù)孔,在破碎成小顆粒的過程中變?yōu)橹?、小孔和連續(xù)的孔隙,這增加了顆粒的比表面積,有利于水分的遷移。褐煤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)是毛細(xì)管力大小的關(guān)鍵因素,而溫度、濕度等外界因素只是影響毛細(xì)管中水分的遷移,粒度的減小對干燥速率的提升有促進(jìn)作用。但是在相同干燥溫度下,粒度為2～5,1～2,<1 mm的3種褐煤樣品的殘留水分隨時(shí)間變化曲線沒有顯著差異。張振華等對錫林郭勒褐煤薄層干燥實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),粒徑范圍為6～3,3～1,1.0～0.5,0.50～0.25和<0.25 mm的樣品干燥所需時(shí)間分別為37.8,30.6,15.8,13.0和11.4 min,隨著粒度的減小,干燥速率逐漸增大。在薄層干燥情況下,顆粒粒徑減小所導(dǎo)致的顆粒內(nèi)部水分?jǐn)U散到表面的路徑縮短與顆粒內(nèi)部傳熱的加快對干燥過程的影響占據(jù)主導(dǎo)作用。在本研究所涉及的非薄層干燥中,煤層內(nèi)部與表面的傳熱傳質(zhì)阻力不可忽略,樣品溫度、水分處于不均勻狀態(tài),隨著粒度的減小,顆粒間孔隙逐漸減小,煤層內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)阻力逐漸提升,抵消了粒度降低所帶來的顆粒內(nèi)部傳熱傳質(zhì)阻力降低的優(yōu)勢,導(dǎo)致在褐煤粒度較小時(shí)，進(jìn)一步降低其粒度對干燥過程沒有促進(jìn)作用?？梢哉J(rèn)為在褐煤非薄層干燥中存在臨界粒度,在小于臨界粒度時(shí)進(jìn)一步降低粒度對褐煤干燥沒有促進(jìn)作用,本研究中昭通褐煤的臨界粒度范圍為2～5 mm。

圖3 不同粒度昭通褐煤殘留水分隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation of the residual moisture content of Zhaotonglignite with different particle size as a function of time

不同粒度昭通褐煤在120 ℃和160 ℃下干燥速率隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。在干燥的初始階段,較小粒度的樣品具有較高的干燥速率,但是在臨界粒度(2～5 mm)下進(jìn)一步減小粒度,干燥速率不會(huì)繼續(xù)提升,與圖3的變化趨勢相一致。ZHANG等對粗顆粒褐煤干燥特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明Huolinhe褐煤和Hailaer褐煤粒度在30～15 mm,其干燥速率了隨粒度減小逐漸增加,與本研究的結(jié)果一致。沈望俊等研究了0.5～0.6，0.6～1.6，1.6～4.0 mm三種粒徑的錫盟褐煤薄層干燥特性,在其他干燥條件相同的情況下,隨著粒度的減小，褐煤干燥速度不斷加快,蔣雯菁等對云南昭通褐煤薄層干燥特性研究中，在0.6～1.7,1.7～2.5,2.50～4.75 mm粒度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律,但是當(dāng)云南昭通褐煤粒度為0.053～0.125,0.125～0.250,0.25～0.60 mm時(shí),粒度的減小僅導(dǎo)致了干燥速率的緩慢增加。孫曉林等對平均粒徑為0.034 4～0.758 9 mm的呼倫貝爾褐煤干燥特性研究發(fā)現(xiàn)，隨著粒度的減小,干燥速率略有增大,但當(dāng)粒度較小時(shí),粒度因素對干燥過程的影響不明顯。在薄層干燥中,粒度的降低對干燥速率的提升有持續(xù)的促進(jìn)作用。在本研究所涉及的非薄層干燥中,在粒度小于5 mm時(shí)繼續(xù)減小粒度，對干燥速率沒有明顯影響,與薄層干燥條件下具有顯著差異,說明不同干燥方式下褐煤的干燥特性具有顯著的不同。TAHMASEBI等對褐煤微波干燥特性的研究發(fā)現(xiàn),隨著顆粒粒徑的減小,干燥速率逐漸降低,與熱空氣/煙氣干燥中呈現(xiàn)出相反的趨勢,也佐證了干燥方式對褐煤干燥特性具有重要的影響。

圖4 不同粒度昭通褐煤干燥速率隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation of the drying rate of Zhaotong lignite withdifferent particle size as a function of time

不同粒度昭通褐煤干燥速率隨殘留水分變化曲線如圖5所示,在不同溫度、粒度條件下昭通褐煤的干燥速率均隨著殘留水分的降低先較快增加,然后逐漸降低。薄層干燥過程常劃分為4個(gè)階段：① 升速干燥階段,此階段為褐煤的升溫過程,干燥速率快速增大,同時(shí)脫除少量外在水分；② 恒速干燥階段,在此階段自由水被脫除,干燥速率主要受水分蒸發(fā)速率影響,因此干燥速率維持不變；③ 第1降速干燥階段,在此階段顆粒內(nèi)部水分?jǐn)U散遷移與表面水分蒸發(fā)同時(shí)進(jìn)行,主要為毛細(xì)管內(nèi)結(jié)合水被脫除；④ 第2降速干燥階段,在此階段與褐煤孔隙壁面結(jié)合的單層水被脫除。本研究所涉及的非薄層干燥同樣觀察到了升速干燥階段,但最大干燥速率顯著低于褐煤薄層干燥研究中的最大干燥速率；同時(shí)本研究中沒有觀察到明顯的恒速干燥階段,也難以觀察到第1降速干燥階段與第2降速干燥階段的分界點(diǎn)。在非薄層干燥的初始階段,樣品由表面到內(nèi)部溫度逐漸上升,水分隨之脫除,干燥速率上升,在干燥溫度為160 ℃時(shí),粒度<1 mm的樣品最大干燥速率可達(dá)到0.053 g/(g·min)；但是由于樣品內(nèi)部溫度較低、內(nèi)部水分向外擴(kuò)散存在阻力,樣品表面、內(nèi)部水分脫除速率不均,樣品總體的最大干燥速率低于薄層狀態(tài)下褐煤干燥的最大干燥速率。在薄層干燥的情況下,可以認(rèn)為各顆粒處于大致相同的狀態(tài),而非薄層干燥的樣品由表面到內(nèi)部處于顯著不同的狀態(tài)(包括但不限于溫度、水分與賦存狀態(tài))。如果把非薄層干燥的樣品微分為若干不同的薄層,可以認(rèn)為每個(gè)薄層都具有薄層干燥的4個(gè)不同階段,但是不同薄層在同一干燥階段的時(shí)間段存在差異,導(dǎo)致了非薄層干燥樣品作為一個(gè)整體表現(xiàn)出了與薄層干燥顯著不同的干燥特性。

圖5 不同粒度昭通褐煤干燥速率隨殘留水分變化曲線Fig.5 Variation of the drying rate of Zhaotong lignite withdifferent particle size as a function of residual moisture content

2.2 干燥過程數(shù)值模擬

非薄層干燥過程中昭通褐煤殘留水分隨時(shí)間變化實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比如圖6所示,2者具有良好的一致性。圖7,8給出了粒度為50 mm和2～5 mm的樣品在干燥進(jìn)行20 min時(shí)溫度分布和殘留水分分布三維云圖,樣品的溫度和殘留水分分布均呈現(xiàn)顯著的梯度,樣品外層具有較高的溫度和較低的殘留水分,中心區(qū)域具有較低的溫度和較高的殘留水分,說明非薄層干燥中樣品由外層到中心的傳熱傳質(zhì)阻力不可忽略。

圖6 不同粒度昭通褐煤殘留水分隨時(shí)間變化：實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比(160 ℃)Fig.6 Variation of the residual moisture content of Zhaotong lignitewith different particle size as a function of time：A comparison ofexperimental and modeling results (160 ℃)

圖7 干燥20 min時(shí)樣品溫度分布三維云圖Fig.7 Three-dimensional cloud map of the temperaturedistribution of the sample after 20 min drying

圖8 干燥20 min時(shí)樣品殘留水分分布三維云圖Fig.8 Three-dimensional cloud map of the residual moisturecontent distribution of the sample after 20 min drying

圖9,10給出了不同時(shí)刻樣品中心截面溫度分布和殘留水分分布二維云圖。在10 min時(shí),50 mm粒徑樣品外層溫度較為接近飽和溫度100 ℃,中心區(qū)域溫度仍未升高,2～5 mm粒徑樣品外層溫度已經(jīng)達(dá)到或略超過飽和溫度,中心區(qū)域溫度也已經(jīng)接近飽和溫度；50 mm粒徑樣品僅表層水分降低,而2～5 mm粒徑樣品外層區(qū)域水分含量已顯著降低至小于1 g/g。隨著干燥過程的進(jìn)行,由樣品外層到中心溫度逐漸升高,蒸發(fā)界面逐漸向樣品中心推進(jìn),水分由樣品外層到中心逐漸被脫除。在50 min時(shí),2～5 mm粒徑樣品干燥過程已基本結(jié)束,樣品外層和中心區(qū)域溫度均接近干燥溫度、殘留水分均趨近于0,而50 mm粒徑樣品僅外層區(qū)域超過了飽和溫度，完成了蒸發(fā)干燥過程,中心區(qū)域溫度接近飽和溫度,但殘留水分沒有明顯降低。在干燥過程中所有相同時(shí)刻,粒徑為2～5 mm的樣品與50 mm樣品相比,其溫度和殘留水分分布均有更小的梯度；從樣品的外層到中心區(qū)域,粒徑為2～5 mm的樣品均具有更高的溫度和更低的殘留水分,說明2～5 mm粒徑的樣品在非薄層干燥過程中具有更小的傳熱傳質(zhì)阻力,有利于能量從外層到中心區(qū)域和水分從中心區(qū)域到外層的傳遞。

褐煤非薄層干燥溫度、殘留水分分布云圖均顯示在干燥過程中樣品表層和中心區(qū)域狀態(tài)存在顯著差異,溫度、殘留水分含量分布呈現(xiàn)分層現(xiàn)象,不可按照均勻分布處理,與褐煤薄層干燥特性存在明顯差異,有必要對褐煤非薄層干燥進(jìn)行深入的研究。

圖9 不同時(shí)刻樣品中心縱截面溫度分布二維云圖Fig.9 Two-dimensional cloud map of temperature distribution at the center longitudinal section of the sample at different times

圖10 不同時(shí)刻樣品中心縱截面殘留水分分布二維云圖Fig.10 Two-dimensional cloud map of residual moisture content distribution at the centerlongitudinal section of the sample at different times

2.3 昭通褐煤非薄層干燥中試實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步研究褐煤非薄層干燥特性,在褐煤非薄層干燥中試裝置上對粒度為2～5 mm的昭通褐煤樣品進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn),監(jiān)測了距離樣品表面10 mm處和樣品中心處的溫度變化,并與模擬結(jié)果進(jìn)行了對比,如圖11所示。昭通褐煤非薄層干燥中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果具有良好的一致性,說明前述對褐煤非薄層干燥的研究結(jié)果可應(yīng)用指導(dǎo)實(shí)際褐煤干燥過程研究。

圖11 昭通褐煤非薄層干燥中試實(shí)驗(yàn)殘留水分、監(jiān)測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化：實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比(粒度2～5 mm,160 ℃)Fig.11 Variation of the residual moisture content and temperatureat monitoring points of Zhaotong lignite during non-thin-layer dryingpilot test as a function of time：A comparison of experimental andmodeling results (Particle size 2-5 mm,160 ℃)

2.4 粒度對干燥后昭通褐煤自燃特性的影響

粒度對干燥后昭通褐煤自燃特性的影響如圖12所示,隨著樣品粒度的增大,交叉點(diǎn)溫度與絕熱氧化速率分別呈現(xiàn)出上升和下降的趨勢,意味著其自燃傾向性降低。昭通褐煤樣品粒度由<1 mm增大至50 mm,交叉點(diǎn)溫度由148.2 ℃增加至203.5 ℃,絕熱氧化速率由3.67 ℃/h降低至0.85 ℃/h。大量研究發(fā)現(xiàn),煤樣的粒度越小,其自燃傾向性越高。煤樣的粒徑越小,比表面積越大,較小的顆粒尺寸導(dǎo)致更大的顆粒表面暴露,并有利于氧擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部,導(dǎo)致樣品表面更多的活性位點(diǎn)發(fā)生氧化反應(yīng),釋放更多的熱量,使樣品的升溫速率加快,溫度的升高又進(jìn)一步促進(jìn)活性位點(diǎn)氧化反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)致樣品在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到爐內(nèi)溫度(交叉點(diǎn)溫度測定)或升溫至70 ℃(絕熱氧化速率測定)。

圖12 粒度對干燥后昭通褐煤交叉點(diǎn)溫度與絕熱氧化速率的影響Fig.12 Effect of particle size on the crossing point temperatureand adiabatic oxidation rate of dried Zhaotong lignite

粒度為<1，1～2 mm時(shí)干燥后昭通褐煤的交叉點(diǎn)溫度無明顯差別,當(dāng)粒度為2～5 mm時(shí)交叉點(diǎn)溫度僅有小幅增加,可認(rèn)為2～5 mm為影響昭通褐煤自燃特性的臨界粒度。在利用交叉點(diǎn)溫度對煤炭自燃傾向性的研究中發(fā)現(xiàn),低于臨界粒度時(shí)進(jìn)一步降低粒度不會(huì)使交叉點(diǎn)溫度隨之降低。在粒度臨界值處,氧氣向煤樣內(nèi)部的擴(kuò)散速率達(dá)到臨界值,進(jìn)一步降低粒度所帶來的顆粒內(nèi)部氧氣擴(kuò)散速率的提升,被顆粒間孔隙減小導(dǎo)致的氧氣由樣品外部向內(nèi)部擴(kuò)散速率的降低所抵消。FEI等采用交叉點(diǎn)溫度法對低階煤及其干燥產(chǎn)品自燃特性的研究中也報(bào)道了臨界粒度的存在。

在絕熱氧化速率的測試過程中,由于往絕熱煤樣罐底部通入一定流量的氧氣,并由絕熱煤樣罐上部排出,使得氧氣在樣品中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對流,不同于交叉點(diǎn)溫度測試中的擴(kuò)散方式。由于強(qiáng)制對流作用,顆粒間流體流速隨著間隙截面的減小而增加,促進(jìn)傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行；粒度的降低會(huì)同時(shí)促進(jìn)顆粒內(nèi)部和顆粒間的熱質(zhì)傳遞。因此,即使在達(dá)到交叉點(diǎn)溫度測試的臨界粒度,進(jìn)一步降低粒度,昭通褐煤的絕熱氧化速率仍有顯著提升。

在交叉點(diǎn)溫度測試中的傳熱傳質(zhì)方式與非薄層干燥中的傳熱傳質(zhì)方式類似,即樣品外部與內(nèi)部存在不可忽略的傳熱傳質(zhì)阻力；在絕熱氧化速率測試中由于氧氣強(qiáng)制對流的存在,可認(rèn)為樣品不同部位溫度、氧氣分布均勻,類似于薄層干燥研究中對樣品各顆粒傳熱傳質(zhì)均勻的假設(shè)。在絕熱氧化速率測定實(shí)驗(yàn)中未觀察到臨界粒度,而褐煤非薄層干燥與交叉點(diǎn)溫度測定實(shí)驗(yàn)中均觀察到臨界粒度的存在。

2.5 粒度對干燥后昭通褐煤復(fù)吸特性的影響

在非薄層狀態(tài)下,褐煤粒度對干燥后昭通褐煤的水分復(fù)吸過程的影響規(guī)律如圖13所示,隨著粒度的增加,干燥后褐煤的水分復(fù)吸過程逐漸減緩。干燥后昭通褐煤樣品粒度由2～5 mm增大至50 mm,其水分復(fù)吸至0.1 g/g所需時(shí)間由約4 h增加至約24 h。在粒度為<1，1～2，2～5 mm情況下,干燥后褐煤水分復(fù)吸過程差異較?。辉诹６却笥? mm的情況下增大粒度,干燥后褐煤水分復(fù)吸過程顯著減緩。為了對比薄層與非薄層條件對水分復(fù)吸過程的影響,圖13給出了粒度為<1，1～2 mm的干燥后昭通褐煤薄層狀態(tài)下的水分復(fù)吸過程曲線。在粒度相同的情況下,薄層狀態(tài)下干燥后昭通褐煤的復(fù)吸進(jìn)程顯著快于非薄層狀態(tài)下；且薄層條件下粒度<1 mm的樣品水分復(fù)吸過程明顯快于1～2 mm的樣品,粒度<1 mm的樣品水分復(fù)吸至0.25 g/g需要約9 h,而粒度為1～2 mm的樣品需要約30 h,與非薄層條件下粒度對水分復(fù)吸的影響表現(xiàn)出不同的規(guī)律。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了薄層與非薄層狀態(tài)下樣品水分復(fù)吸過程中具有不同的傳質(zhì)規(guī)律,即在薄層狀態(tài)下,顆粒內(nèi)部傳質(zhì)阻力為主導(dǎo),樣品表面顆粒到內(nèi)部顆粒間傳質(zhì)阻力可以忽略；在非薄層狀態(tài)下,為樣品內(nèi)部傳質(zhì)阻力與樣品表面顆粒到內(nèi)部顆粒間傳質(zhì)阻力共同主導(dǎo)傳質(zhì)過程。粒度小的煤樣比表面積較大,在濕空氣環(huán)境下,比大顆粒尺寸的樣品提供更多的接觸面積和吸附位點(diǎn),可以更好的與水分子發(fā)生吸附反應(yīng),吸附過程較快。但是在非薄層條件下,粒度較小時(shí)進(jìn)一步降低粒度會(huì)導(dǎo)致顆粒間孔隙的減小,增加水分子從樣品表面向內(nèi)部擴(kuò)散的阻力,抵消了小顆粒對吸附水分的促進(jìn)作用。因此,在非薄層條件下,粒度為<1，1～2，2～5 mm情況下,干燥后褐煤水分復(fù)吸過程差異較小,進(jìn)一步降低粒度對水分復(fù)吸沒有明顯影響,存在臨界粒度(2～5 mm)。

圖13 粒度對干燥后昭通褐煤的水分復(fù)吸過程影響規(guī)律Fig.13 Effect of particle size on the moisture resorptionprocess of dried Zhaotong lignite

3 結(jié) 論

(1)在非薄層干燥過程中,粒度較小的樣品具有較高的干燥速率,當(dāng)褐煤粒度降低至臨界粒度時(shí),進(jìn)一步降低粒度不會(huì)促進(jìn)褐煤干燥速率的提升。非薄層干燥過程中僅觀察到了升速干燥階段和降速干燥階段,不存在明顯的恒速干燥階段、第1降速干燥階段、第2降速干燥階段,且最大干燥速率顯著低于褐煤薄層干燥研究中的最大干燥速率。褐煤非薄層干燥中樣品表層和中心區(qū)域溫度、殘留水分分布存在顯著的梯度,溫度、殘留水分分布呈現(xiàn)分層現(xiàn)象,不可按照均勻分布處理,與褐煤薄層干燥特性存在明顯差異。褐煤非薄層干燥中試實(shí)驗(yàn)殘留水分、監(jiān)測點(diǎn)溫度與模擬結(jié)果具有良好的一致性,本研究理論結(jié)果可應(yīng)用指導(dǎo)實(shí)際褐煤干燥過程研究。

(2)在干燥后褐煤自燃特性方面,褐煤粒度為<1，1～2 mm時(shí)交叉點(diǎn)溫度無明顯差別,當(dāng)褐煤粒度為2～5 mm時(shí)交叉點(diǎn)溫度僅有小幅增加,但絕熱氧化速率仍然隨粒度的減小顯著增加。在交叉點(diǎn)溫度測試過程中主要為自然對流為主導(dǎo)的熱質(zhì)傳遞,當(dāng)褐煤粒度小于臨界粒徑時(shí)進(jìn)一步減小褐煤粒度，其自燃特性無明顯變化；在絕熱氧化速率測試過程中主要為強(qiáng)制對流為主導(dǎo)的熱質(zhì)傳遞,絕熱氧化速率隨褐煤粒度減小持續(xù)降低。

(3)非薄層狀態(tài)下干燥后褐煤的復(fù)吸特性與干燥特性具有相同的變化趨勢,當(dāng)褐煤粒度降低至2～5 mm后,進(jìn)一步降低粒度不會(huì)導(dǎo)致復(fù)吸速率的增加。

(4)工業(yè)應(yīng)用中褐煤干燥、儲(chǔ)存過程中褐煤多處于非薄層狀態(tài),因此對褐煤在臨界粒度范圍進(jìn)行干燥可在保證干燥速率的同時(shí)降低破碎成本,具有更好的經(jīng)濟(jì)性,即使褐煤在干燥過程中進(jìn)一步碎裂成更小尺寸的顆粒,在存儲(chǔ)過程中也不會(huì)導(dǎo)致自燃傾向性與復(fù)吸速率提升。