高溫?zé)煔庵袉晤w粒褐煤干燥特性實(shí)驗(yàn)研究

郭 熙， 張守玉， 董愛霞， 丁艷軍， 施大鐘， 董建勛

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100084；3.上海機(jī)易電站設(shè)備有限公司，上海 200437；4.中電投蒙東能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，通遼 028000）

我國(guó)褐煤資源十分豐富，占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的13%左右.2011年全國(guó)煤炭產(chǎn)量約35.2億t，其中褐煤4.19億t，約占全國(guó)原煤產(chǎn)量的11.9%，相比2010年的11.6%高出0.3%.我國(guó)褐煤資源的特點(diǎn)是埋藏淺、煤層厚、儲(chǔ)量大，多適合于露天開采.與國(guó)外褐煤相比，我國(guó)褐煤水分含量較高，如用于直接燃燒發(fā)電，易造成火焰溫度低、燃盡困難、鍋爐熱效率低等情況.褐煤中的水分按存在形式可分為結(jié)合水（包括結(jié)晶水和吸附水）、毛細(xì)水（內(nèi)在水分）和外表水（外在水分）3類.內(nèi)在水分吸附在褐煤內(nèi)部的毛細(xì)孔隙內(nèi)，在常溫下不易脫除，只有加熱到一定溫度時(shí)才能逸出.傳統(tǒng)的褐煤蒸發(fā)脫水干燥工藝多采用低溫干燥技術(shù)，干燥介質(zhì)多采用煙氣、空氣與水蒸氣，初始溫度較低，干燥介質(zhì)用量高，干燥效率低［1］，而且需要將高溫?zé)煔饫鋮s成200 ℃左右的低溫?zé)煔?相比低溫干燥技術(shù)，高溫?zé)煔飧稍锛夹g(shù)避免了低溫?zé)煔飧稍镞^程中人為地將高品位能量變成低品位能量，避免了使用空氣作為干燥介質(zhì)時(shí)由于含氧量高易導(dǎo)致爆炸等事故，同時(shí)也避免了采用水蒸氣作為干燥介質(zhì)時(shí)需要解決水的來源與廢水處理等難題.由于采用高溫?zé)煔?，干燥介質(zhì)用量降低，處理量增加，煙煤比降低，干燥成本降低.由于采用高溫?zé)煔馀c煤順流混合方式，褐煤顆粒中水分析出的同時(shí)，煙氣溫度快速下降，褐煤顆粒出口溫度低，避免了提質(zhì)褐煤與空氣接觸后發(fā)生爆炸與自燃的危險(xiǎn)［2－4］.可見，高溫?zé)煔飧稍锛夹g(shù)總體上比低溫干燥更具有優(yōu)勢(shì).

近幾年，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究以褐煤低溫?zé)犸L(fēng)干燥過程為主，而國(guó)內(nèi)外鮮有針對(duì)褐煤高溫?zé)煔飧稍镞^程研究的論文發(fā)表.熊程程等［5－6］和王濤等［7］利用熱風(fēng)烘箱分別對(duì)馬來西亞褐煤顆粒、寧夏褐煤顆粒進(jìn)行了干燥動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究.郭治等［8］建立了收縮核干燥動(dòng)力學(xué)模型，并利用回轉(zhuǎn)干燥裝置對(duì)寶日希勒褐煤進(jìn)行了驗(yàn)證.Zhang等［9］在烘箱中通入熱風(fēng)對(duì)海拉爾褐煤和霍林河褐煤進(jìn)行干燥，并利用體積平均法建立了單顆粒干燥理論模型.文獻(xiàn)［10－13］建立了高溫?zé)煔飧稍餆豳|(zhì)耦合模型.文獻(xiàn)［14－16］針對(duì)干燥后的煤質(zhì)進(jìn)行了研究.但是，這些研究都沒有對(duì)反映高溫干燥動(dòng)力學(xué)特征的干燥特性曲線作相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析.

本文對(duì)褐煤高溫?zé)煔飧邷囟蔚母稍锾匦蚤_展了實(shí)驗(yàn)研究，探討了高溫段煙氣初始溫度、粒徑和初始含水率對(duì)干燥過程的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

選用內(nèi)蒙古伊敏褐煤（YM）作為實(shí)驗(yàn)樣品，相關(guān)煤質(zhì) 分 析 見 表1，表 中Qnet，v，ar為 收 到 基 低 位 發(fā)熱量.

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis and calorific value of the samples

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為臥式固定床干燥裝置（見下頁(yè)圖1），以及長(zhǎng)沙開元儀器股份有限公司生產(chǎn)的5E－MACⅡI型工業(yè)分析儀.

將原煤破碎成粒徑為0～1mm 的煤粉，加入適量水分，攪拌均勻.待充分浸泡之后，將煤粉制成小球，晾干后稱量并記錄其質(zhì)量.受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作過程的限制，本文選擇的粒徑為：10，20，25 mm.調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁?，保證其流速約為0.5cm／s.設(shè)定控溫儀使臥式固定床中氮?dú)鉁囟冗_(dá)到實(shí)驗(yàn)要求后，將煤球置于操作桿前端的槽中，在表面和周圍布置好熱電偶后迅速將操作桿插入主反應(yīng)器中并開始計(jì)時(shí).待煤球在主反應(yīng)器中停留一定時(shí)間后，將操作桿迅速抽出，取出煤球進(jìn)行稱量.

在實(shí)驗(yàn)過程中，顆粒任意時(shí)刻的干基水分可按照式（1）計(jì)算.

式中，mt，m∞分別為t時(shí)刻干燥樣品的質(zhì)量和完全干燥的樣品質(zhì)量，m∞可根據(jù)完成干燥樣品的水分計(jì)算得到.

圖1 臥式固定床干燥裝置Fig.1 Horizontal fixed bed drying installation

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 揮發(fā)分析出臨界時(shí)間

由于干燥介質(zhì)溫度較高，為了避免干燥過程中揮發(fā)分析出［17－20］，需要尋找揮發(fā)分析出臨界時(shí)間作為干燥實(shí)驗(yàn)停留時(shí)間設(shè)定的依據(jù).圖2為10mm 粒徑的原煤在初始水分為37%、介質(zhì)溫度為900 ℃的條件下，煤樣殘余揮發(fā)分Vdaf隨停留時(shí)間變化的曲線.可以看出40s之后，揮發(fā)分開始出現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì).粒徑越小，干燥介質(zhì)溫度越高，揮發(fā)分越易析出.本文選取的粒徑為10，20，25 mm，溫度為600，700，800，900℃.可以認(rèn)為40s之前，所有實(shí)驗(yàn)樣品均不會(huì)發(fā)生熱解，故本文選取干燥時(shí)間上限為40s.

不同時(shí)刻顆粒相對(duì)水分百分率計(jì)算公式為

式中，Xt為顆粒t時(shí)刻的干基水分；X0為顆粒初始干基水分；Xe為顆粒平衡干基水分.由于高溫干燥條件下，平衡含水率相比總的可除去的水分小得多，

此處近似認(rèn)為

初始含水率和褐煤顆粒的干燥速率DR 表示顆粒任意時(shí)刻的失水量與時(shí)間的比值，即

圖2 不同停留時(shí)間下的殘余揮發(fā)分Fig.2 Residual volatile at different residence time

2.2 煙氣溫度對(duì)干燥特性的影響

圖3～5分別為干燥介質(zhì)溫度為600～900 ℃、粒徑為20mm、初始干基水分為58.1%的煤球干燥曲線、干燥速率曲線、表面溫度曲線.由圖可見，初始煙氣溫度越高，干基水分下降得越快，干燥速率越高，臨界含水率略有降低；同時(shí)，表面溫度T 也相應(yīng)升高越快，且一直處于上升過程.由圖4可見，干燥過程由升速干燥階段和降速干燥階段組成，不存在恒速干燥階段.降速干燥階段，氣化面向物料內(nèi)部移動(dòng)，屬于物料內(nèi)部擴(kuò)散控制階段.干燥溫度為900 ℃時(shí)，相對(duì)水分達(dá)到86%之后，干燥過程即進(jìn)入降速階段.可見整個(gè)干燥階段以降速干燥階段為主，即可認(rèn)為褐煤高溫?zé)煔飧稍镞^程主要受內(nèi)擴(kuò)散機(jī)理控制.在降速干燥階段，干燥速率的減小主要和褐煤體積收縮和膠質(zhì)體結(jié)構(gòu)受到破壞而導(dǎo)致擴(kuò)散阻力增大有關(guān)［11］.

圖3 20mm 粒徑煤球不同煙氣初溫下的干燥曲線Fig.3 Drying curves of 20mm particle at different flue gas temperature

圖4 20mm 粒徑煤球不同煙氣初溫下的干燥速率曲線Fig.4 Drying rate curves of 20mm particle at different flue gas temperature

圖5 20mm 粒徑煤球不同煙氣初溫下的表面溫度Fig.5 Surface temperature of 20mm particle at different flue gas temperature

與相似低溫干燥文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，文獻(xiàn)［5－6］研究了粒徑為4～5.6mm、介質(zhì)溫度為50～90 ℃的寧夏石溝驛褐煤低溫烘箱干燥過程；文獻(xiàn)［7］研究了粒徑為0～8mm、介質(zhì)溫度為100～180 ℃的馬來西亞褐煤低溫烘箱干燥過程.文獻(xiàn)［7］研究得出在180℃的干燥溫度下，相對(duì)水分降到55%，干燥過程即進(jìn)入降速干燥階段；且隨著干燥介質(zhì)溫度升高，恒速干燥階段縮短，降速階段增長(zhǎng)，該結(jié)論可以和本文相互印證.同時(shí)，文獻(xiàn)［5－6］和文獻(xiàn)［7］所得到的臨界含水率隨溫度的升高均略有降低，但變化均不明顯，和本文的結(jié)論一致.可見，高溫條件下通過提高干燥介質(zhì)溫度，不能有效降低臨界含水率.文獻(xiàn)［5］中干燥介質(zhì)溫度為90℃的最大干燥速率是50℃的171%；文獻(xiàn)［7］中干燥介質(zhì)溫度為180 ℃的最大干燥速率是100 ℃的275%.本文所研究的20mm 粒徑的煤球在900 ℃下的最大干燥速率是600 ℃的167%，這是文獻(xiàn)［5］中90 ℃下最大干燥速率的50倍，是文獻(xiàn)［7］中180℃下最大干燥速率的10倍.可以看出，就干燥效率來說高溫干燥相比低溫干燥有巨大優(yōu)勢(shì)，但是在不改變其它條件的前提下，僅僅通過提高干燥溫度（大于600 ℃），對(duì)干燥速率的提升作用并不如低溫明顯.這可能是因?yàn)楹闼俑稍镫A段的干燥速率取決于表面氣化率，即取決于干燥介質(zhì)的性質(zhì)溫度、相對(duì)濕度、流速等，而與物料的性質(zhì)無關(guān)，屬于表面氣化控制階段.降速干燥階段，汽化表面向物料內(nèi)移，此階段干燥速率的大小取決于物料本身的結(jié)構(gòu)形態(tài)和尺寸，而與外部的干燥介質(zhì)條件關(guān)系不大.低溫干燥過程中升速和恒速干燥階段較長(zhǎng)，干燥過程受干燥介質(zhì)溫度的影響較大；而高溫干燥主要處于降速干燥階段，且不存在恒速干燥階段，故干燥介質(zhì)溫度變化對(duì)干燥速率影響相比低溫干燥要小.

2.3 初始含水率對(duì)干燥過程的影響

圖6 和下頁(yè)圖7～8 分別為干燥介質(zhì)溫度為800 ℃、粒徑為20 mm、初始干基水分分別為58.7%，77.4%，84.9%的煤球的干燥曲線、干燥速率曲線、表面溫度曲線.分析圖6和圖7可知，初始含水率越高，干燥速率越大.初始干基水分為84.9%的最大干燥速率為77.4%的2倍.這主要是由于含水率越高，水分的濃度梯度越大，脫水速率越快.而臨界含水率幾乎沒有變化，說明初始含水率對(duì)臨界含水率沒有影響.由圖8 可以看出，初始含水率越低，表面溫度上升得越快.這可能是因?yàn)楦稍锝橘|(zhì)傳遞給物料的熱量主要用于補(bǔ)充水分蒸發(fā)所需的潛熱，含水率越高水分蒸發(fā)所需的潛熱越多，煤球表面溫度相應(yīng)越低.

圖6 不同初始含水率下的干燥曲線Fig.6 Drying curves of 20mm particle at different initial water ratio

圖7 不同初始含水率下的干燥速率曲線Fig.7 Drying rate curves of 20mm particle at different initial water ratio

圖8 不同初始含水率下的煤球表面溫度Fig.8 Surface temperature of 20mm particle at different initial water ratio

2.4 粒徑對(duì)干燥特性的影響

圖9～11分別為干燥介質(zhì)溫度為800 ℃、初始干基水分為57.3%、粒徑分別為10，20，25 mm 的煤球的干燥曲線、干燥速率曲線、表面溫度曲線.分析圖9 和圖10 可知，粒徑越小干燥速率越大.10 mm 粒徑的最大干燥速率是25 mm 的3 倍，但20 mm 和25mm 的最大干燥速率相差很小，可以認(rèn)為粒徑越小對(duì)干燥速率的影響越顯著.文獻(xiàn)［7］中0～1mm 粒徑下的最大干燥速率是6～7 mm 的1.7倍，但2～3mm 下的最大干燥速率相比6～7mm 的沒有明顯變化.可見0～1mm 粒徑下干燥速率顯著增大，同樣可得出粒徑越小，對(duì)干燥速率的影響越大，和本文的結(jié)論一致.考察臨界含水率，可以發(fā)現(xiàn)本文10mm粒徑的臨界含水率相比25 mm 下降了23%，但文獻(xiàn)［7］中臨界含水率并沒有隨著粒徑的變化發(fā)生變化.可見，隨著干燥介質(zhì)的溫度升高，粒徑對(duì)于臨界含水率的影響會(huì)增大；而且，從干燥速率曲線（圖4、圖7、圖10）可以看出，10mm粒徑下粒徑對(duì)于干燥速率的影響遠(yuǎn)大于初始煙氣溫度和初始干基水分.這也說明褐煤的單顆粒干燥過程主要受到內(nèi)擴(kuò)散機(jī)理的控制.由圖11可以看出，煤球粒徑越小，表面溫度上升越快.這是因?yàn)榱皆叫?，蒸發(fā)所需的潛熱越小，在熱流強(qiáng)度相同的條件下物料升溫越快.

圖9 800 ℃時(shí)不同粒徑下的干燥曲線Fig.9 Drying curves of different size particle at 800 ℃

圖10 800 ℃時(shí)不同粒徑下的干燥速率曲線Fig.10 Drying rate curves of different size particle at 800 ℃

圖11 800 ℃時(shí)不同粒徑下的表面溫度Fig.11 Surface temperature of different size particle at 800 ℃

3 結(jié) 論

a.褐煤高溫?zé)煔飧稍镞^程分為升速干燥和降速干燥兩個(gè)階段，恒速階段不存在，且主要處于降速干燥階段，受擴(kuò)散機(jī)理控制.

b.高溫干燥相比低溫干燥，干燥速率有巨大優(yōu)勢(shì).但是超過600℃之后，干燥介質(zhì)溫度升高對(duì)干燥速率的提升不如低溫條件下顯著，且不能有效降低臨界含水率.

c.提高煙氣溫度、初始含水率，減小粒徑，有利于提高干燥速率和降低臨界含水率.粒徑越小，對(duì)干燥速率和臨界含水率的影響越大，且大于干燥介質(zhì)溫度和煤球初始含水率對(duì)兩者的影響.

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