煤泥低溫薄層干燥動力學分析

孟慶杭，宋 剛，胡遠豐，王曉波，胡光濤

(江蘇徐礦綜合利用發電有限公司，江蘇 徐州 221000)

我國煤炭資源儲量豐富，2019年我國煤炭產量達27.2342×108t，占一次能源生產總量的68.6%[1]。煤炭洗選作為煤炭清潔高效利用的重要手段，近年來取得長足的發展。煤泥作為原煤洗選的副產物，產量也逐年攀升。煤泥熱值較高，具有一定的利用價值，但含水量高、粒度小、黏性大的特點限制了其大規模利用。根據煤泥性質的不同，利用方式主要有燃燒發電、制作型煤等，其中鍋爐燃燒發電是目前最為普遍的利用方式[2]。燃煤電廠直接摻燒濕煤泥容易造成輸煤系統堵煤、鍋爐燃燒不穩定、污染物排放濃度上升等問題[3-5]，而煤泥干燥處理則可以解決上述問題。電廠直接采購濕煤泥并利用自身條件對煤泥進行干燥后摻燒發電，可以大幅降低燃料成本。目前煤泥的干燥多采用高溫煙氣、蒸汽等[6-7]，溫度大多在 150 ℃ 以上，能耗較高。為了充分利用電廠的低品位熱源(100 ℃ 以下)，研究煤泥在低溫條件下的干燥機理具有重要的指導意義。本文通過研究低溫條件下濕煤泥的干燥過程，分析了煤泥的干燥動力學，為煤泥干燥規模化生產提供理論指導。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與裝置

濕煤泥，含水量(質量分數，下同)為25.58%，徐州某選煤廠；DHG-91408電熱鼓風干燥箱，常州市奧聯科技有限公司；UX420S電子天平，SHIMADZU。

1.2 試驗方法

煤泥干燥使用電熱鼓風干燥箱。將煤泥平鋪在搪瓷托盤中，鋪成 10 mm 厚，放置在干燥箱中。控制加熱溫度為 40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃，考察不同溫度下煤泥的干燥特性。

2 結果分析

2.1 煤泥干燥特性分析

不同干燥溫度下煤泥含水量隨干燥時間的變化如圖1所示。從圖1看出，干燥溫度升高，煤泥干燥速度加快，干燥時間縮短。煤泥含水量由25.58%降至15.00%，干燥溫度由 40 ℃ 提高至 70 ℃，干燥時間縮短了50.05%。干燥溫度升高，促使煤泥內部水分子運動速度加快，水分蒸發速度隨之提高，干燥效率提高。

圖1 不同干燥溫度下煤泥的干燥曲線

2.2 煤泥干燥速率分析

不同干燥溫度下煤泥的干燥速率曲線如圖2所示。

從圖2看出，煤泥的干燥過程分為預干燥階段、恒速干燥階段、降速干燥階段。在預干燥階段，煤泥的表面黏附水率先蒸發，隨著煤泥溫度的升高，干燥速率逐漸增大，待水分的蒸發速率與水分在煤泥內部的擴散速率相當時，進入恒速干燥階段，此階段蒸發的主要是煤泥中的顆粒間隙水。當顆粒間隙水降至很低含量后，煤泥中的毛細水開始蒸發，由于煤泥顆粒內部水分擴散很慢，干燥速率降低，進入降速干燥階段。通過計算可知，煤泥干燥的臨界含水量約為 8.91 g/g。

圖2 不同干燥溫度下的煤泥干燥速率

2.3 煤泥干燥動力學分析

2.3.1 水分有效擴散系數

煤泥的干燥過程是煤泥中的水分從內部向外界擴散的過程，通過水分有效擴散系數的計算，可以分析煤泥中的水分在干燥過程中的遷移狀況，為煤泥干燥過程提供理論指導。水分有效擴散系數可以通過Fick定律計算，其計算式[8]如下：

式中：M為煤泥含水量，g/g；Deff為水分有效擴散系數，m2/s；L為污泥厚度，m；n-試驗采樣數量。

經計算，不同干燥溫度下的水分有效擴散系數見表1。從表1中看出，隨著干燥溫度的升高，水分子運動速度加快，水分擴散動能增加，有效擴散系數呈上升趨勢。溫度從 40 ℃ 升高至 70 ℃，有效擴散系數提高了2.10倍。水分有效擴散系數越大，干燥速度越快，在煤泥干燥生產中，應盡可能提高水分有效擴散系數，增加干燥速度。

表1 不同干燥溫度下煤泥水分有效擴散系數

2.3.2 表觀活化能

表觀活化能可以直觀的表現煤泥中水分逸出的難易程度，表觀活化能越小，干燥越容易進行。根據Arrhenius方程可以得出有效擴散系數和表觀活化能之間的關系，其計算式[9]如下：

(2)

式中：D0為Arrhenius方程指前因子，m2/s；Ea為表觀活化能，kJ/mol；R為氣體常數，8.314J/(mol·K)；T為干燥溫度，K。

將式(2)兩邊同時取對數，得式(3)。

(3)

由式(3)看出，lnDeff與1/T呈線性關系，通過其斜率即可計算出Ea，擬合結果如圖3所示。經計算，10 mm 厚煤泥的表觀活化能為 22.55 kJ/mol。

圖3 煤泥lnDeff與1/T的擬合結果

3 結論

1)干燥溫度升高，煤泥干燥時間縮短，干燥速率增大，煤泥干燥的臨界含水量約為 8.91 g/g。

2)10 mm 厚煤泥在40～70 ℃ 下的水分有效擴散系數分別為2.72×10-5m2/s、3.28×10-5m2/s、4.42×10-5m2/s、5.71×10-5m2/s，表觀活化能為 22.55 kJ/mol。