不同干燥方式耦合作用下煤泥干燥特性的研究

任建賓

(陽泉煤業(yè)集團(tuán) 新景礦選煤廠，山西 陽泉 045000)

我國(guó)屬于煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)體系表明，煤炭在我國(guó)占有相當(dāng)重要的地位，且在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)其重要性不會(huì)發(fā)生明顯的改變[1]。煤炭的加工利用給我國(guó)國(guó)民的生產(chǎn)生活帶來了許多便利，與此同時(shí)，也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了破壞。隨著國(guó)家環(huán)保力度的加大，清潔能源的呼聲越來越高，能否在滿足資源消耗的同時(shí)，高效清潔地利用煤炭已成為目前最受關(guān)注的問題[2]。隨著近些年來采煤機(jī)械化程度及開采量的逐年增加，細(xì)粒煤含量增加，同時(shí)煤泥產(chǎn)量也逐漸增加。煤泥在利用之前需對(duì)其進(jìn)行干燥處理，這樣可以降低煤泥運(yùn)輸費(fèi)用，提高煤泥燃燒熱值，增加煤炭利用效率[3-4]。傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥過程，在干燥末期出現(xiàn)干燥時(shí)間延長(zhǎng)、干燥不均勻和干燥效率降低等問題；微波干燥過程，由于其干燥選擇性、均勻性等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于食品[5]、藥材等領(lǐng)域，對(duì)于煤泥干燥過程的報(bào)道不是很多。因此，本文通過干燥特性、干燥過程中能耗等問題，探究了熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥方式對(duì)煤泥干燥的影響，選出了最佳含水率下兩者聯(lián)合干燥的最佳條件，為工業(yè)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣分析

試驗(yàn)煤樣取自新景礦選煤廠，其元素分析和工業(yè)分析如表1所示。

表1 煤泥元素分析和工業(yè)分析

1.2 試驗(yàn)方法

熱風(fēng)干燥試驗(yàn)方法：開啟熱風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)熱風(fēng)機(jī)出口溫度及風(fēng)速，使其誤差分別控制在±2 ℃和±0.1 m/s內(nèi)，準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的煤泥置于干燥臺(tái)上，煤泥開始干燥，與此同時(shí)開始數(shù)據(jù)采集，每隔2 s記錄一次煤泥的質(zhì)量變化，直到載煤泥的天平示數(shù)不再發(fā)生變化，取出樣品。

微波干燥試驗(yàn)方法： 準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的煤樣置于微波爐內(nèi)托盤上，托盤通過傳感器與外部的電子天平相連，設(shè)定好微波功率，開啟微波爐，每隔10 s記錄一次煤泥樣品的質(zhì)量變化，直到天平示數(shù)不再發(fā)生改變，關(guān)閉微波爐取出煤樣。

熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥試驗(yàn)方法：將稱取的一定質(zhì)量的煤泥置于熱風(fēng)干燥試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行熱風(fēng)干燥，當(dāng)質(zhì)量達(dá)到目標(biāo)含水率后，迅速將煤樣取出置于微波爐中繼續(xù)干燥(拿取過程盡量保證在較短時(shí)間內(nèi)完成，且盡量保證每次所用時(shí)間相同)，直到煤樣質(zhì)量不再發(fā)生明顯的變化，干燥過程結(jié)束。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤泥熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥臨界點(diǎn)的確定

取一定量的煤泥以熱風(fēng)干燥方式進(jìn)行干燥，探究煤泥熱風(fēng)干燥特性以及煤泥熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥臨界水含量點(diǎn)選取。其熱風(fēng)干燥TG-DTG曲線如圖1所示。

圖1 煤泥熱風(fēng)干燥TG-DTG曲線

從圖1可以看出，該干燥過程總共分為升速、恒速和降速干燥三個(gè)部分，升速和恒速干燥時(shí)間占總干燥時(shí)間的16.8%，共脫去總水分含量的28%，繼而進(jìn)入降速干燥階段，該階段由于煤泥內(nèi)部傳質(zhì)傳熱方向的不同，煤泥水分主要靠水蒸氣壓力脫除，干燥速率降低，最終在煤泥恒速干燥結(jié)束時(shí)，煤泥含水量可降至15%。

2.2 煤泥熱風(fēng)/微波干燥特性分析

干燥試驗(yàn)采用粒徑為10 mm的球型煤泥樣品進(jìn)行干燥試驗(yàn)，熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥失重曲線如圖2所示。其中CD表示熱風(fēng)干燥曲線，CD+MD表示熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥曲線。

圖2 熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥煤泥失重曲線

從圖2可以看出，在干燥的第一階段，兩種干燥方式下煤泥失重曲線基本重合，越過C點(diǎn)后，兩種干燥方式下煤泥失重曲線發(fā)生了明顯的不同。對(duì)于熱風(fēng)干燥過程，在第一階段是恒速干燥，主要脫除煤泥表面水，當(dāng)表面水脫除后以C為轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)入降速干燥階段，C點(diǎn)也為臨界含水量點(diǎn)，繼續(xù)熱風(fēng)干燥，煤泥失重率降低，干燥速率減緩，這是由于煤泥內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)方向相反，水分?jǐn)U散動(dòng)力主要為濃度梯度，干燥速率下降，干燥時(shí)間仍需1 200 s；熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥就是在臨界含水量點(diǎn)C以后轉(zhuǎn)為微波干燥，圖2顯示，CD+MD曲線在越過C點(diǎn)后煤泥失重率較高，干燥時(shí)間短，僅為190 s，這是因?yàn)椋⒉ㄖ苯幼饔糜诿耗鄡?nèi)部并形成熱源，內(nèi)熱源的存在改變了干燥過程中傳熱和傳質(zhì)的方向，同時(shí)微波輻射使煤泥內(nèi)部熱量迅速增加，水分在內(nèi)部水蒸氣壓力梯度下迅速析出，干燥時(shí)間大大縮短[6]。煤泥聯(lián)合干燥過程的TG—DTG曲線如圖3所示。

圖3 熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥過程TG—DTG曲線

從圖3可以看出，i段為熱風(fēng)干燥階段，ii為微波干燥階段。在i階段，煤泥干燥為恒速干燥，主要脫除煤泥表面水；ii階段為微波干燥，煤泥失重率大幅度降低，干燥時(shí)間縮短，此后進(jìn)入降速干燥階段，煤泥水分含量大約在5%，繼續(xù)干燥過程則能耗大幅度增加，故在滿足煤泥可利用含水量的條件下，持續(xù)干燥則顯得不那么必要。

2.3 不同目標(biāo)含水量下干燥能耗的分析

不同目標(biāo)含水量下煤泥脫除單位質(zhì)量水分的能耗如圖4所示。其中0%為熱風(fēng)干燥過程，其余為熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥過程。

圖4 不同目標(biāo)含水量下能耗分析

從圖4可以看出，熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥過程下，煤泥水分含量為15%時(shí)，干燥過程能耗最小，這是因?yàn)椋疄閺?qiáng)的吸波介質(zhì)，當(dāng)煤泥中水分含量較多時(shí)，越能吸收微波輻射，煤泥內(nèi)部能量集聚越多[6]，干燥速率越快，能耗越低，因此，熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥過程最佳能耗消耗為將煤泥干燥至水分含量為15%。

2.4 不同干燥方式下煤泥水分復(fù)吸分析

煤泥不同于低變質(zhì)程度的褐煤，煤泥主要是煤粉與水混合物，沒有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)貯存水分，故煤泥粒徑對(duì)水分復(fù)吸不存在明顯的影響[6]。圖5為不同干燥方式下煤泥水分復(fù)吸狀況。

圖5 不同干燥方式下煤泥水分復(fù)吸狀況

從圖5可以看出，不同的干燥方式下，煤泥水分復(fù)吸曲線基本重合，即干燥方式的不同不影響煤泥水分復(fù)吸，這是因?yàn)椋m然煤泥干燥方式發(fā)生了變化，但對(duì)煤泥的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并未造成明顯的改變，故不影響煤泥干燥后對(duì)周圍環(huán)境中水分的再吸收。

3 結(jié) 語

1) 單一的熱風(fēng)干燥過程，煤泥在降速干燥階段，干燥速率明顯降低；

2) 熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥過程，在降速干燥階段其干燥速率比單一干燥速率高，干燥時(shí)間大大縮短，干燥速率明顯提高；

3) 將煤泥干燥到水分含量15%時(shí)，熱風(fēng)—微波聯(lián)合干燥過程能耗最小；

4) 單一干燥及熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥過程對(duì)煤泥的性質(zhì)不發(fā)生變化，僅影響干燥過程，故兩種干燥方式下煤泥干燥后的水分復(fù)吸率不變。