中细粒烟煤低温干燥特性研究

2021-11-10刘康雄郭亮亮

选煤技术 2021年4期

刘康雄，郭帆，郭亮亮，肖陆

(彬县华彬精煤有限公司，陕西咸阳 713500)

煤炭的水分过高会降低其热值和能量密度，导致下游产业(如发电、煤化工)的利用效率下降[1-2]，而且运输成本也会增加等[3]，因此在使用之前对煤炭进行干燥预处理非常重要。目前，国内外对煤炭干燥的主要研究对象为褐煤煤种，关于褐煤干燥的理论技术及设备[4-5]研究广泛而深入，文献大多研究温度[6]、粒度[7]、时间[8]、干燥方式[9-10]等因素对水分干燥的影响规律，以及干燥后褐煤的水分复吸特性等[11-12]。张振华等[13]研究了温度、粒度等条件对细粒褐煤干燥效果的影响，结果表明，温度和粒度是影响褐煤干燥的重要因素，温度升高可明显提高干燥速率，粒度增大干燥速率会降低。秦宜等[14]研究了干燥时间、干燥温度、干燥方式等因素对褐煤干燥及利用的作用规律，结果表明，当干燥温度在100～150 ℃之间，干燥时间为30～60 min时，褐煤的水分能控制在10%～20%之间，这样有利于褐煤制备粗褐煤蜡和腐植酸。李尤等[15]研究了温度对褐煤干燥复吸特性的影响，结果发现，随着干燥温度升高，褐煤有效含水孔隙体积减少、含氧官能团增多，从而影响其干燥后水分复吸性能。但目前在烟煤干燥方面的相关研究较少，尤其是对烟煤干燥后水分复吸的情况很少有试验论述。由于烟煤的成煤周期较褐煤长，其孔结构和亲水性含氧官能团较少[16]，干燥过程及水分复吸过程与褐煤可能存在差异，需要进一步研究。

为此，在鼓风干燥箱中对烟煤进行了干燥试验，研究了粒度、干燥温度和时间对水分干燥的影响，并探讨了干燥后烟煤水分复吸的问题，以为烟煤的干燥提供参考。

1 试验

1.1 试验原料

试验采用的烟煤为中粒(13～6 mm粒级)和细粒(<6 mm粒级)。其工业分析结果见表1。

表1 中、细粒烟煤工业分析

由表1可以看出，中、细粒烟煤水分均较高，细粒烟煤水分已超过20%。

1.2 试验过程

1.2.1 干燥脱水试验

采用长300 mm、宽200 mm、高40 mm的托盘盛装样品，每次样品质量为500 g，均匀平铺在托盘内。称取一定量的煤炭样品，放入智能控温鼓风干燥箱内，用电子天平称量其质量变化情况，记录时间间隔为10 min，待到质量不再变化时停止试验，计算水分。根据水分损失率与时间的关系绘制干燥曲线，根据失水速率(单位时间内的水分损失率)与时间的关系绘制干燥速率曲线。

1.2.2 水分复吸试验

将不同温度干燥后的样品称量500 g置入托盘内，放入20 ℃室温、30%湿度的环境中进行水分复吸试验，测试时间为7 d。第一天间隔8 h测定一次质量，之后间隔1 d测定一次质量，并计算吸收水分的百分比含量，即为水分复吸率。根据水分复吸率和时间的关系绘制水分复吸曲线。

2 试验结果与讨论

2.1 干燥试验

2.1.1 干燥温度试验

对中、细粒烟煤分别在80、100、120、140 ℃的温度下进行鼓风干燥试验。不同干燥温度条件下中、细粒烟煤的干燥曲线和干燥速率曲线分别如图1、图2所示。

图1 不同干燥温度条件下中、细粒烟煤干燥曲线

图2 不同干燥温度条件下中、细粒烟煤干燥速率曲线

由图1、图2可以看出：在同等干燥时间条件下，干燥温度越高，水分损失越多，失水速率越快；对于同一粒度的烟煤来说，干燥温度越高，干燥速率越快，干燥所需的时间越短，但干燥温度越高，能耗也越大，因此应选择适宜的干燥温度。

从失水速率来看，烟煤干燥分为升速阶段和降速阶段。对于同一种粒度的烟煤，在前20 min时间，失水速率快速增大，水分损失加快；约在20 min之内，中、细粒烟煤失水速率均出现峰值，水分损失最快；在20～40 min之内，失水速率快速减小，水分损失的速度减慢，之后水分缓慢损失，直到水分不再变化，失水速率为零。这与褐煤干燥失水的规律相似，但也存在差异，文献[17]中褐煤失水速率的峰值约在10 min，且失水速率较烟煤小。一般煤中的水大部分以外在水的形式分布于颗粒表面和孔/裂隙中。在升速干燥阶段，吸附在煤炭颗粒表面的水分快速汽化，干燥速度比较快，随着时间的延长，水分汽化的速度达到一个峰值，之后进入降速干燥阶段。在降速干燥阶段，煤炭的水分降低，这时水分主要从料层或颗粒内部向外扩散，所需的干燥时间延长，因此干燥速率降低。

2.1.2 干燥时间试验

对中、细粒烟煤分别在80、100、120、140 ℃的条件下进行鼓风干燥试验，干燥速率曲线如图3—图6所示。

图3 中、细粒烟煤在80 ℃下的干燥速率曲线

图4 中、细粒烟煤在100 ℃下的干燥速率曲线

图5 中、细粒烟煤在120 ℃下的干燥速率曲线

图6 中、细粒烟煤在140 ℃下的干燥速率曲线

由图3—图6可知：当温度低于120 ℃时，在前30 min之内，中粒烟煤的失水速率大于细粒烟煤的失水速率，30 min之后，细粒烟煤的失水速率较中粒烟煤的失水速率略高或相差不大；当温度不低于120 ℃时，中、细粒烟煤的失水速率接近，表现出相同的变化规律。

在鼓风干燥试验中，细粒烟煤的粒度小，虽然其比表面积大，干燥时的受热面多，但堆积后颗粒间的空隙小，料层表面水分散失得快，层内水分向外扩散得慢；中粒烟煤的比表面积相对细粒小，但其堆积后颗粒间的空隙大，料层表面的水分快速蒸发后，内部的水分也可以较快地向外扩散散失。

当温度较低时，中粒烟煤的水分较细粒烟煤扩散蒸发得速度快，水分损失较快；温度高时，水分可以快速蒸发，这种水分从料层内向外扩散的现象将不明显，此时粒度对水分损失的影响不显著。

在温度相同的条件下，当干燥温度为80 ℃时，中细粒烟煤在140～160 min可结束干燥；当干燥温度为100 ℃时，可在120～130 min内干燥结束；当干燥温度为120 ℃或140 ℃时，中、细粒烟煤可在60～70 min内结束干燥。

2.2 水分复吸试验

在不同温度干燥后，中、细粒烟煤的水分复吸曲线如图7所示。由图7可以看出，将中、细粒烟煤在干燥后置于空气中，7 d后会吸收1.0%～2.0%的水分。在复吸过程中的第一天，其水分复吸率增大得快，复吸水分的速度快；之后，水分复吸率随着时间的延长而小幅增加，直至不变。水分复吸时，颗粒的表面先吸收水分，表面的水分增加的快，之后复吸的水分逐步向内扩散，复吸效率降低，随着时间的延长，最终达到平衡状态。此外，干燥温度越高，干燥后水分复吸率越大，复吸的水分也越多。这是由于干燥温度越高，煤粒孔隙中的水分干燥得越彻底，当其暴露于潮湿空气中时所吸附的水分也就越多。