煤中水分存在形式及不同能量作用下的脫除機(jī)理探究

袁真平

(霍州煤電集團(tuán) 李雅莊煤礦選煤廠，山西 霍州 031400)

我國是煤炭消耗大國，煤炭在我國作為一次能源得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但近些年，隨著煤炭開采的機(jī)械化和開采年代的久遠(yuǎn)，細(xì)粒煤含量逐漸增加，且高品質(zhì)煤的含量逐漸減少[2]。低變質(zhì)程度的煤種，水分含量較高，且煤結(jié)構(gòu)中含有豐富的親水性含氧官能團(tuán)，揮發(fā)分高，發(fā)熱量低，經(jīng)濟(jì)效益較差。同樣作為燃料發(fā)電，其二氧化碳排放量比高變質(zhì)程度煤種高20%[3-4]。水分含量較高還限制了低變質(zhì)程度煤種的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，增加運(yùn)輸成本，增加自燃風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此了解煤結(jié)構(gòu)中水分存在形式，及對煤進(jìn)行高效脫水勢在必行。本文采用了真空干燥、熱風(fēng)干燥和微波干燥三種干燥方式對不同粒度的煤進(jìn)行干燥，探究了不同作用能量下溫度及煤粒度對煤干燥機(jī)理的探究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)用的煤樣經(jīng)篩分破碎后得到不同粒度的煤樣，粒度分布如下：<0.18 mm、0.18～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～3 mm、3～6 mm.將不同的煤樣裝在塑封袋后置于干燥器內(nèi)備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)用到的儀器主要有：SDZF6090真空干燥箱(上海蘇達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱(康恒儀器設(shè)備有限公司)、G80D23CSP-135CB01微波爐(GALANZ)和FTIR-7600傅里葉紅外光譜儀(天津港東科技發(fā)展股份有限公司)。

1.3 真空干燥實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的煤樣置于稱量瓶中，調(diào)節(jié)干燥箱的真空度為0.05 MPa，設(shè)定干燥溫度為60～200 ℃，每20 ℃為一個間隔，干燥時間為10～60 min，每10 min為一個時間間隔。干燥完成后，煤樣置于干燥器中冷卻至室溫，稱取干燥后樣品的質(zhì)量。

1.4 熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的煤樣置于稱量瓶中，放入鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)定干燥溫度為60～200 ℃，每20 ℃為一個間隔，干燥時間為10～60 min，每10 min為一個時間間隔。干燥完成后，煤樣置于干燥器中冷卻至室溫，稱取干燥后樣品的質(zhì)量。

1.5 微波干燥實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的煤樣置于稱量瓶中，調(diào)節(jié)微波功率為800 W，微波頻率為(2 450±50)Hz，設(shè)定干燥時間為30 s至15 min，每30 s為一個時間間隔，干燥完成后，煤樣置于干燥器中冷卻至室溫，稱取干燥后樣品的質(zhì)量。

1.6 傅里葉紅外光譜測定

準(zhǔn)確稱取干燥后的煤樣，與溴化鉀(光譜純)以1∶100的比例混合，研磨壓片，收集400～4 000 cm-1范圍的紅外光譜圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 真空干燥下溫度及粒度對煤樣脫水效果影響

2.1.1 真空干燥下溫度對煤樣脫水效果影響

從圖1可以看出，煤樣粒度對煤樣干燥后水分含量的影響不是很明顯，粒度為0.5～1 mm煤樣與粒度為1～2 mm的煤樣，干燥曲線的趨勢相一致。真空干燥條件下，干燥溫度對煤樣的干燥影響較大。干燥溫度為60～100 ℃，隨著干燥時間的增加，煤樣水分百分含量降低，干燥溫度越高，干燥后煤樣水分百分含量越低；干燥溫度為120～160 ℃，在前20 min內(nèi)煤樣水分百分含量迅速降低，繼續(xù)干燥后，含水量降低緩慢；干燥溫度為180～200 ℃，在前10 min內(nèi)煤樣水分百分含量迅速降低，10～20 min內(nèi)煤樣含水量降低緩慢，繼續(xù)干燥后，煤樣的含水量幾乎不發(fā)生變化。這是因?yàn)?，真空干燥條件下，煤樣表面水分迅速蒸發(fā)，繼續(xù)增加熱量，熱量滲透到煤樣顆粒內(nèi)部，使得顆粒內(nèi)外形成一定的壓力差，推動水分的蒸發(fā)，當(dāng)達(dá)到一定推動力后，內(nèi)部阻力的增加阻礙了內(nèi)部水分的擴(kuò)散，使得干燥速率減緩，煤樣水分含量維持平衡[5-6]。

2.1.2 真空干燥下粒度對煤樣脫水效果影響

從圖2可以看出，不同粒度的煤樣，在真空干燥條件下，煤樣干燥60 min后含水量值一樣。粒度為3～6 mm的煤樣，在前20 min內(nèi)，水分含量變化較小，20～30 min內(nèi)水分含量迅速下降，但相比于同一時間的其他粒度的煤樣來說，3～6 mm煤樣的含水量較高；中等粒度的煤樣干燥速率相近，粒度較小的煤樣干燥速率最高。在干燥時間為60 min時，不同粒度的煤樣含水量值相一致。

圖2 不同粒度煤樣真空干燥曲線

2.2 熱風(fēng)干燥條件下溫度及粒度對煤樣脫水效果影響

2.2.1 熱風(fēng)干燥條件下溫度對煤樣脫水效果影響

從圖3可以看出，熱風(fēng)干燥條件下，較小粒度的煤顆粒在較低溫度下，干燥速率較慢，干燥后水分百分含量較高；干燥溫度為80～120 ℃，隨著干燥時間的增加，煤樣百分含水量在50 min內(nèi)呈線性趨勢下降，繼續(xù)干燥，煤樣百分含水量不變；當(dāng)干燥溫度為140～200 ℃時，煤樣含水量在30～40 min內(nèi)達(dá)到最低值，繼續(xù)增加干燥時間，煤樣含水量不再變化。粒度較大的煤樣，其干燥曲線與粒度較小的煤樣干燥曲線相類似；且在干燥溫度為120 ℃時，干燥50 min時煤樣水分百分含量達(dá)到最低，接近溫度為200 ℃煤樣干燥后的含水量。

圖3 不同溫度下不同粒度煤樣熱風(fēng)干燥曲線

2.2.2 熱風(fēng)干燥條件下粒度對煤樣脫水效果影響

從圖4可以看出，隨著干燥時間的增加，煤樣粒度為1～2 mm的煤樣，干燥后水分含量值最低，其次是粒度更大一些的煤樣，粒度較小的煤樣在熱風(fēng)干燥條件下，干燥效果較差。這是因?yàn)?，熱風(fēng)干燥是通過氣流對煤樣進(jìn)行干燥，粒度較小的煤樣，煤顆粒間空隙較小，氣流可以流過的空間較小，使得有些顆粒無法受到熱風(fēng)的吹襲，干燥效果較差；顆粒太大的煤樣，煤顆粒間空隙較大，但熱風(fēng)并不能破壞煤的結(jié)構(gòu)，只能干燥煤顆粒表面的水分，干燥效果也不是很明顯。中等粒度的煤樣，經(jīng)篩分后，煤表面的大孔坍塌，儲水能力降低，且煤顆粒間空隙合適，可以允許更多的熱風(fēng)穿過煤顆粒間，達(dá)到較好的干燥效果。

圖4 不同粒度煤樣熱風(fēng)干燥曲線

2.3 微波干燥下干燥時間及粒度對煤樣脫水效果影響

從圖5可以看出，較小粒度的煤樣干燥效果較差，隨著煤樣粒度的增加，煤樣干燥后含水量依次降低；粒度在0.5～3 mm的煤樣，干燥后的含水量值相近。

圖5 不同粒度煤樣微波干燥曲線

由圖5可知，因?yàn)樵谖⒉ù艌龅淖饔孟拢簶又械臉O化分子和羥基等極性偶極子[5]，克服分子熱運(yùn)動和分子間相互作用力產(chǎn)生大量的熱量干燥煤樣。首先，煤樣表面吸收微波能量轉(zhuǎn)化成熱能，煤樣水分快速蒸發(fā)，隨后，煤樣內(nèi)部水分向外擴(kuò)散，繼續(xù)加熱，內(nèi)部水分?jǐn)U散阻力增加，干燥速率降低[5-7]。

2.4 不同能量作用下煤樣的紅外光譜圖

從圖6可以看出，煤樣表面含有大量的含氧親水性官能團(tuán)，真空干燥后，部分含氧官能團(tuán)的峰消失或降低，說明真空干燥可以使得煤樣表面的親水性含氧官能團(tuán)發(fā)生變化，且隨著干燥溫度的增加，含氧官能團(tuán)的吸收峰值減小。

熱風(fēng)干燥后，煤樣的骨架沒有發(fā)生變化，只是含氧官能團(tuán)的吸收峰值降低，同真空干燥機(jī)理相類似；且熱風(fēng)干燥后，煤樣表面含氧官能團(tuán)的吸收峰強(qiáng)度比真空干燥后的低，這是因?yàn)闊犸L(fēng)干燥使得煤樣表面發(fā)生了氧化而降低了煤樣表面的含氧官能團(tuán)[5-7]。微波干燥后，煤樣的含氧官能團(tuán)吸收峰強(qiáng)度明顯低于真空干燥和熱風(fēng)干燥，微波能量可以快速脫除煤樣的水分，降低煤樣親水性基團(tuán)的含量。

3 結(jié) 語

1) 干燥后的煤樣表面親水性基團(tuán)含量降低，煤樣顆粒的骨架結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯的改變；

2) 熱風(fēng)干燥通過煤樣表面含氧官能團(tuán)的氧化，降低了煤樣親水性；熱風(fēng)干燥對中等粒度的煤樣干燥效果較好；

3) 真空干燥與熱風(fēng)干燥相比，在降低煤樣含水量的同時，可以避免煤樣表面的氧化；

4) 微波干燥可以在較短時間內(nèi)達(dá)到真空干燥和熱風(fēng)干燥140 ℃的干燥效果，干燥效率較快。