褐煤低温干燥特性实验

孔祥雷，陈 军，谢冬梅,马 强，陈立海,单秀华

(承德石油高等专科学校 a.热能工程系； b.石油工程系，河北 承德 067000)

能源不但是我国经济建设重要的物质基础，也是人类赖以生存的基本条件[1-3]。在2016—2022年间，能源行业在我国的地位仍然是不可动摇的，煤炭依旧是我国最为主要的传统能源[4]。我国褐煤的煤化程度仅仅高于煤泥的精煤，煤化程度相对来说非常低，只介于泥炭与沥青煤之间，是一种棕黑色、无光泽的低级煤。我国褐煤相比其他煤种通常具有“三高两低”的特点[5]：水分高、挥发份高、灰分高、发热量低、灰熔点低。由于褐煤的高水分，不仅会降低能源的利用率，而且还会增加产物中的粉尘、氮氧化物等气体，增加了褐煤有效利用的难度。因此，褐煤低温干燥预处理变得非常必要[6-8]。

1 煤样的工业分析

实验以不同粒径的褐煤作为研究对象，实验前进行了研磨和筛分，煤样的工业分析根据GB/T 212—2008 进行测定。煤样的理化性质见表1：

表1 原煤的理化性质工业分析

由表1可知，褐煤的收到基全水分含量高达28.68%，这在褐煤的开发和洁净利用过程中造成了很大的影响。正因为褐煤中的高含水率，不但降低了褐煤的发热量，而且降低了煤粉在锅炉中的燃烧效率。综合来看，褐煤的干燥预处理是非常有必要的。

2 实验部分

2.1 实验仪器

101A1E型电热鼓风干燥箱，上海实验仪器厂有限公司；ACS6D 型电子秤，上海精密科学仪器有限公司；日立TM3030扫描电子显微镜；JWBK132F型比表面积孔径分析仪。

2.2 实验步骤

1)将褐煤煤样进行研磨，利用筛网筛分，分为6组，分别用自封袋进行密封保存，尽量减少水分在实验外的损失；

2)把干燥箱的温度分别调至100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃。将准备好的一组10 g煤样平铺到实验用的称量瓶中，将盛有煤样的称量瓶放进干燥器内进行干燥；

3)每干燥一段时间(10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min)取出煤样放入干燥器内干燥至室温，称取干燥后煤样的质量；

4)对5组褐煤煤样重复进行以上的实验步骤，并将干燥后的褐煤用密封袋常温隔绝空气密封，为后续实验做准备；

3 结果与讨论

3.1 温度对褐煤干燥过程的影响

从图1中的温度曲线我们可以看出，随着时间的延长，褐煤中的水分是逐渐减少的，100℃、120℃、140℃、160℃、180℃的不同温度曲线最终含水量分别为9.89%、8.3%、4.89%、1.39%、1.1%，在有限时间内，随着温度的升高，褐煤的最终含水率降低与褐煤内大量的含氧官能团有关。我们可以断定：在120℃之前，主要脱除的是外在水分和部分内在水，而且120℃之后，主要靠温度来脱除被含氧官能团化学吸附的内在水分和结晶水。

从图2中的每条温度曲线可以得出：在每条干燥速率曲线上都存在升速阶段和降速阶段，干燥速率曲线中升速阶段时间相对较短，并且是在初始阶段，在这一阶段褐煤外水含量较大，在温度作用下，水分散失速率增大。当表面水分蒸发完毕，内部水分开始扩散到表面补充表面水分，但是内在水分不足以补充褐煤表面蒸发的水分，所以导致表面水分蒸发速率降低，即进入了降速阶段。

图1中100 ℃和120 ℃两条曲线在20 min时存在非含水率正常下降的点，可能是由于测量误差造成。而图2中几条曲线的出现了交叉现象，一方面是褐煤在研磨过程中粒度不均造成，另外一方面是仪器精度较低造成。

3.2 粒径对褐煤干燥过程的影响

由图3可以看出，三条干燥曲线走势基本相同，都是随着粒径的降低，褐煤的干燥曲线是依次下降的，而最终达到水分平衡的时间也是依次减少的，最终的含水量分别3.47%，4.89%，5.78%，基本相差不是很大，在同等时间内，粒径小的褐煤散失的水分更多一些。

从图4可以看出，不同粒径褐煤的干燥速率曲线基本相同，存在一个升速和一个降速阶段，但是在20 min之后，曲线呈现了交叉现象，而且干燥速率相差并不是很大。

不同粒径的褐煤失重主要原因如下：

1)从颗粒角度进行分析

褐煤颗粒在整个干燥的过程中，热量的传递途径是从颗粒外表面到颗粒中心，并且是以热传导方式进行的，而水分的散失途径则是：从褐煤颗粒中心向外扩散到褐煤颗粒的表面，然后继续散到周围的环境中。在褐煤粒径增大的同时，褐煤内的水分扩散到表面的路径增加，在扩散过程中的阻力也会随着粒径的增大而增加。这样，褐煤的干燥速率就会降低，这与其他学者的研究结论相同[9-10]。

2)从薄层干燥理论出发分析

三种不同粒径褐煤，随着颗粒的增大，使得器皿中的煤层的厚度增加，所以在相同干燥温度下，加热器皿中的煤层厚度越大，褐煤煤层中的内水分和外水分向环境散失的路径变长，从而致使沿程阻力增加，最终导致褐煤的一部分水分散失受阻，这样就使褐煤的干燥速率降低。

从整个干燥过程来看，从水分析出到褐煤水分达到平衡，降速阶段所占比例更大一些，我们可以得出结论：在等温干燥过程中，粒径对于褐煤的干燥影响很小，在工业生产中，褐煤的粉碎研磨不用过细，以免造成能源的浪费。

4 结论

将褐煤在100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃下分别进行等温干燥实验，结果表明：

1)褐煤的干燥过程可以分为升速阶段和降速阶段且以降速阶段为主；

2)加热一定时间后，褐煤内的水分趋于一个稳定平衡状态，只有继续升高温度，才能降低褐煤内的水分，温度是褐煤水分扩散的动力；

3)褐煤粒径减小到一定程度时，降低粒径的大小，对褐煤的干燥特性影响并不显著。