高溫干燥對(duì)褐煤孔隙結(jié)構(gòu)及水分復(fù)吸的影響探討

孫園園 尤長(zhǎng)升 王廣潤(rùn) 張蕾

摘 要：褐煤因其水分含量比較大，影響存儲(chǔ)、運(yùn)輸和利用，需要進(jìn)行干燥處理。論文主要研究高溫干燥對(duì)褐煤孔隙結(jié)構(gòu)及水分復(fù)吸的影響，總結(jié)褐煤經(jīng)高溫干燥處理后，其孔隙結(jié)構(gòu)及水分復(fù)吸的規(guī)律，希冀能為褐煤高溫干燥處理提供一定參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：褐煤;高溫干燥;孔隙結(jié)構(gòu);水分復(fù)吸;影響

褐煤脫水技術(shù)主要有蒸發(fā)干燥技術(shù)和非蒸發(fā)干燥技術(shù)。傳統(tǒng)的蒸發(fā)脫水干燥工藝大多是低溫干燥，現(xiàn)在多采用高溫干燥技術(shù)。高溫干燥技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較顯著，能降低干燥介質(zhì)用量，防止高品位能量變成低品位能量，干燥成本也比較低。研究高溫干燥對(duì)褐煤孔隙結(jié)構(gòu)及水分復(fù)吸的影響，將能對(duì)預(yù)測(cè)和控制褐煤燃燒過程提供有益的幫助。

一、實(shí)驗(yàn)材料和方法

（一）實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的褐煤選取的是寶日希勒褐煤，依據(jù)GB 474-2008煤樣的制備方法，對(duì)原煤進(jìn)行破碎，將其碎至粒徑<3 mm。對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的褐煤進(jìn)行煤質(zhì)分析，可以發(fā)現(xiàn)其為年老褐煤，具有全水分高、灰分中等、發(fā)熱量較低等顯著特征。

（二）實(shí)驗(yàn)方法

1、選擇實(shí)驗(yàn)裝置。選擇臥式固定床實(shí)驗(yàn)爐來進(jìn)行本次褐煤高溫干燥實(shí)驗(yàn)。將5g樣品放入干燥籃中，將干燥籃放置在操作桿前端的樣品槽內(nèi)，將其推入冷卻室中。冷卻室中氮?dú)饬髁繛?.3 L/min，干燥室中氮?dú)饬髁繛?.5L/min，通氣30 min，目的是對(duì)干燥室與冷卻室中的空氣進(jìn)行置換。當(dāng)干燥室溫度升到600、700、800℃三個(gè)設(shè)定溫度后，再將樣品欄快速推到干燥室中央，30 s后再迅速抽出，使樣品槽在冷卻室氮?dú)庵欣鋮s至室溫，之后將樣品取出。

2、水分復(fù)吸實(shí)驗(yàn)。為研究高溫干燥的褐煤孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)水分復(fù)吸的影響，將干燥后的煤樣放置在恒溫恒濕箱中進(jìn)行水分復(fù)吸實(shí)驗(yàn)。恒溫恒濕箱的溫度為30℃，相對(duì)濕度為96%，干燥后的褐煤水分復(fù)吸實(shí)驗(yàn)復(fù)吸時(shí)間為6 d，當(dāng)干燥前和吸濕后的質(zhì)量差小于初始質(zhì)量的0.1%后，就認(rèn)為水分復(fù)吸實(shí)驗(yàn)成功。

3、孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)定。應(yīng)用NOVAtouch型比表面積及孔徑測(cè)定儀測(cè)定煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)，應(yīng)用t圖法確定煤樣的微孔體積及孔比表面積;;應(yīng)用BJH吸附模型分析中孔和大孔孔徑及孔體積分布情況。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，稱取2-3 g煤樣，放置在150℃真空脫氣4 h，將其雜質(zhì)氣體去除掉。然后，再將樣品放置在盛有77.3 K液氮的杜瓦瓶中，將杜瓦瓶與分析儀器連接，得到不同壓力下的氮?dú)馕搅浚俑鶕?jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（一）孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

從圖1可以看出，原煤及不同溫度干燥后半焦的低溫氮吸附等溫線均屬第Ⅱ類，曲線前半段緩慢上升，說明在壓力不斷增加的情況下，單層吸附結(jié)束，開始多層吸附;曲線后半段急劇上升，說明水分吸附量增加比較快速，毛細(xì)凝聚開始發(fā)生并接近飽和蒸氣壓，但還沒有達(dá)到吸附飽和。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，褐煤及其脫水后半焦的孔隙，都是由小到大的連續(xù)孔系統(tǒng)。符合已有的文獻(xiàn)研究結(jié)果。根據(jù)吸附和凝聚理論可以判斷，毛細(xì)管形狀各不相同，同一孔的凝聚與蒸發(fā)時(shí)的相對(duì)壓力也存在差異，但是，凝聚與蒸發(fā)的相對(duì)壓力如果一樣，吸附等溫線的吸附分支與解吸分支就會(huì)發(fā)生重合;反之，吸附分支與解吸分支就會(huì)分開，形成吸附回線。從圖1中可知，YM原煤、YM-600℃、YM-700℃的吸附回線為L(zhǎng)1型，其回線較不明顯，說明煤樣的孔系統(tǒng)以Ⅱ類孔為主，其狀如平行板狀孔、圓筒形孔、錐形孔，孔一端封閉。YM-800℃的回線呈現(xiàn)出從L1型轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)2型的特點(diǎn)，且吸附分支和解吸分支分開比較明顯，說明在此高溫條件下，孔隙系統(tǒng)變得更加復(fù)雜多樣。

（二）比表面積與孔體積分析

從實(shí)驗(yàn)過程來看，隨著褐煤干燥溫度不斷升高，干燥半焦的褐煤比表面積呈現(xiàn)出先緩慢增大，然后逐漸減小的規(guī)律。整體來看，孔容積的變化趨勢(shì)是隨著干燥溫度升高而減小的，變化平緩。通過歸因分析，主要是因?yàn)楹置焊邷馗稍镞^程中，所含的水分蒸發(fā)快速，加上亞甲基、甲基、羧基等活性物質(zhì)也開始發(fā)生分解，就使得原煤中部分封閉孔打開，從而使得半焦的比表面積增加。同時(shí)，因?yàn)榘虢菇榭卓妆诘脑黾樱彩沟每兹莘e不斷地變小。在800℃高溫條件下，褐煤的干燥半焦比表面積最小，大約減少了20%左右。高溫和快速脫水導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮，引發(fā)了半焦孔結(jié)構(gòu)坍塌或貫通，所以才會(huì)出現(xiàn)比表面積下降、平均孔徑增大的情況。

（三）褐煤孔隙結(jié)構(gòu)分形特征

從實(shí)驗(yàn)過程來看，如果相對(duì)壓力較小，那么吸附曲線和解吸曲線就呈現(xiàn)基本重合的情況，氮?dú)夥肿酉瘸霈F(xiàn)單層吸附，在孔表面，比氣體分子大的孔徑都會(huì)被填滿，隨著吸附的不斷發(fā)生，吸附曲線也逐漸平緩地上升。在相對(duì)壓力增大的條件下，氮?dú)夥肿訌膯螌游桨l(fā)展到多層吸附，吸附曲線呈現(xiàn)出吸附滯后的情況，其原因主要是不同壓力段煤樣與氣體間的吸附作用機(jī)制不同。研究顯示，顆粒表面粗糙度及內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)與半焦的比表面積緊密相關(guān)，介孔的變化對(duì)空間性質(zhì)影響更大。在干燥溫度不斷升高的條件下，半焦的比表面積緩慢增大，相應(yīng)地，煤顆粒表面粗糙度也在不斷地增加。當(dāng)達(dá)到800℃高溫時(shí)，因在此條件下產(chǎn)生了快速射流沖擊壓力和熱應(yīng)力作用，就使得半焦出現(xiàn)缺陷和裂紋，小顆粒數(shù)目不斷減少，因而半焦的比表面積也在不斷地減小。不過，半焦YM-800℃在2-20 nm范圍的孔徑微分變化是相對(duì)平緩的，這提示在該條件下，半焦的部分小孔隙出現(xiàn)封閉，孔隙結(jié)構(gòu)的粗糙度降低，半焦小孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)減少。

（四）水分復(fù)吸分析

600、700、800℃干燥溫度處理后半焦的水分復(fù)吸率，在不同的時(shí)間段上，其變化曲線見圖2。水分復(fù)吸率在600、700、800℃干燥溫度下，半焦的復(fù)吸率曲線總體變化趨勢(shì)基本保持一致。在復(fù)吸剛開始時(shí)，復(fù)吸速率比較快，水分含量增加也非常快速，隨后，漸漸保持平穩(wěn)，提示在溫度不斷增加的情況下，水分復(fù)吸率呈現(xiàn)出逐漸降低的特征。

在600、700、800℃溫度條件下，干燥的半焦在2-20 nm范圍內(nèi)孔徑分布波動(dòng)是相對(duì)較大的。由于半焦表面孔隙的水分吸附是在介孔和大孔內(nèi)進(jìn)行的，這就說明干燥過程中半焦大孔和介孔變化會(huì)影響到平衡含水率，而褐煤孔隙結(jié)構(gòu)變化也會(huì)影響賦存水分的表面和孔體積。水分復(fù)吸率與干燥溫度成反比趨勢(shì)，與孔體積的變化規(guī)律接近。這說明在高溫干燥中，褐煤孔體積越小，其水分復(fù)吸量也就越小。

三、結(jié)語

綜上所述，高溫干燥對(duì)于褐煤孔隙結(jié)構(gòu)及水分復(fù)吸高溫具有重要的影響，高溫干燥下半焦的等溫吸附曲線均屬于第Ⅱ類吸附等溫線，YM-800℃干燥半焦的吸附回線有從L1型轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)2型的趨勢(shì);干燥半焦的比表面積隨干燥溫度升高先增大后減小;介孔的變化對(duì)褐煤空間結(jié)構(gòu)影響更大;不同干燥溫度下半焦的水分復(fù)吸曲線變化趨勢(shì)相同，呈現(xiàn)出先快后趨緩的特點(diǎn)，最終達(dá)到平衡。

參考文獻(xiàn)：

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