中細粒煙煤低溫干燥特性研究

劉康雄，郭 帆，郭亮亮，肖 陸

(彬縣華彬精煤有限公司，陜西 咸陽 713500)

煤炭的水分過高會降低其熱值和能量密度，導致下游產業(如發電、煤化工)的利用效率下降[1-2]，而且運輸成本也會增加等[3]，因此在使用之前對煤炭進行干燥預處理非常重要。目前，國內外對煤炭干燥的主要研究對象為褐煤煤種，關于褐煤干燥的理論技術及設備[4-5]研究廣泛而深入，文獻大多研究溫度[6]、粒度[7]、時間[8]、干燥方式[9-10]等因素對水分干燥的影響規律，以及干燥后褐煤的水分復吸特性等[11-12]。張振華等[13]研究了溫度、粒度等條件對細粒褐煤干燥效果的影響，結果表明，溫度和粒度是影響褐煤干燥的重要因素，溫度升高可明顯提高干燥速率，粒度增大干燥速率會降低。秦宜等[14]研究了干燥時間、干燥溫度、干燥方式等因素對褐煤干燥及利用的作用規律，結果表明，當干燥溫度在100～150 ℃之間，干燥時間為30～60 min時，褐煤的水分能控制在10%～20%之間，這樣有利于褐煤制備粗褐煤蠟和腐植酸。李尤等[15]研究了溫度對褐煤干燥復吸特性的影響，結果發現，隨著干燥溫度升高，褐煤有效含水孔隙體積減少、含氧官能團增多，從而影響其干燥后水分復吸性能。但目前在煙煤干燥方面的相關研究較少，尤其是對煙煤干燥后水分復吸的情況很少有試驗論述。由于煙煤的成煤周期較褐煤長，其孔結構和親水性含氧官能團較少[16]，干燥過程及水分復吸過程與褐煤可能存在差異，需要進一步研究。

為此，在鼓風干燥箱中對煙煤進行了干燥試驗，研究了粒度、干燥溫度和時間對水分干燥的影響，并探討了干燥后煙煤水分復吸的問題，以為煙煤的干燥提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗采用的煙煤為中粒(13～6 mm粒級)和細粒(<6 mm粒級)。其工業分析結果見表1。

表1 中、細粒煙煤工業分析

由表1可以看出，中、細粒煙煤水分均較高，細粒煙煤水分已超過20%。

1.2 試驗過程

1.2.1 干燥脫水試驗

采用長300 mm、寬200 mm、高40 mm的托盤盛裝樣品，每次樣品質量為500 g，均勻平鋪在托盤內。稱取一定量的煤炭樣品，放入智能控溫鼓風干燥箱內，用電子天平稱量其質量變化情況，記錄時間間隔為10 min，待到質量不再變化時停止試驗，計算水分。根據水分損失率與時間的關系繪制干燥曲線，根據失水速率(單位時間內的水分損失率)與時間的關系繪制干燥速率曲線。

1.2.2 水分復吸試驗

將不同溫度干燥后的樣品稱量500 g置入托盤內，放入20 ℃室溫、30%濕度的環境中進行水分復吸試驗，測試時間為7 d。第一天間隔8 h測定一次質量，之后間隔1 d測定一次質量，并計算吸收水分的百分比含量，即為水分復吸率。根據水分復吸率和時間的關系繪制水分復吸曲線。

2 試驗結果與討論

2.1 干燥試驗

2.1.1 干燥溫度試驗

對中、細粒煙煤分別在80、100、120、140 ℃的溫度下進行鼓風干燥試驗。不同干燥溫度條件下中、細粒煙煤的干燥曲線和干燥速率曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 不同干燥溫度條件下中、細粒煙煤干燥曲線

圖2 不同干燥溫度條件下中、細粒煙煤干燥速率曲線

由圖1、圖2可以看出：在同等干燥時間條件下，干燥溫度越高，水分損失越多，失水速率越快；對于同一粒度的煙煤來說，干燥溫度越高，干燥速率越快，干燥所需的時間越短，但干燥溫度越高，能耗也越大，因此應選擇適宜的干燥溫度。

從失水速率來看，煙煤干燥分為升速階段和降速階段。對于同一種粒度的煙煤，在前20 min時間，失水速率快速增大，水分損失加快；約在20 min之內，中、細粒煙煤失水速率均出現峰值，水分損失最快；在20～40 min之內，失水速率快速減小，水分損失的速度減慢，之后水分緩慢損失，直到水分不再變化，失水速率為零。這與褐煤干燥失水的規律相似，但也存在差異，文獻[17]中褐煤失水速率的峰值約在10 min，且失水速率較煙煤小。一般煤中的水大部分以外在水的形式分布于顆粒表面和孔/裂隙中。在升速干燥階段，吸附在煤炭顆粒表面的水分快速汽化，干燥速度比較快，隨著時間的延長，水分汽化的速度達到一個峰值，之后進入降速干燥階段。在降速干燥階段，煤炭的水分降低，這時水分主要從料層或顆粒內部向外擴散，所需的干燥時間延長，因此干燥速率降低。

2.1.2 干燥時間試驗

對中、細粒煙煤分別在80、100、120、140 ℃的條件下進行鼓風干燥試驗，干燥速率曲線如圖3—圖6所示。

圖3 中、細粒煙煤在80 ℃下的干燥速率曲線

圖4 中、細粒煙煤在100 ℃下的干燥速率曲線

圖5 中、細粒煙煤在120 ℃下的干燥速率曲線

圖6 中、細粒煙煤在140 ℃下的干燥速率曲線

由圖3—圖6可知：當溫度低于120 ℃時，在前30 min之內，中粒煙煤的失水速率大于細粒煙煤的失水速率，30 min之后，細粒煙煤的失水速率較中粒煙煤的失水速率略高或相差不大；當溫度不低于120 ℃時，中、細粒煙煤的失水速率接近，表現出相同的變化規律。

在鼓風干燥試驗中，細粒煙煤的粒度小，雖然其比表面積大，干燥時的受熱面多，但堆積后顆粒間的空隙小，料層表面水分散失得快，層內水分向外擴散得慢；中粒煙煤的比表面積相對細粒小，但其堆積后顆粒間的空隙大，料層表面的水分快速蒸發后，內部的水分也可以較快地向外擴散散失。

當溫度較低時，中粒煙煤的水分較細粒煙煤擴散蒸發得速度快，水分損失較快；溫度高時，水分可以快速蒸發，這種水分從料層內向外擴散的現象將不明顯，此時粒度對水分損失的影響不顯著。

在溫度相同的條件下，當干燥溫度為80 ℃時，中細粒煙煤在140～160 min可結束干燥；當干燥溫度為100 ℃時，可在120～130 min內干燥結束；當干燥溫度為120 ℃或140 ℃時，中、細粒煙煤可在60～70 min內結束干燥。

2.2 水分復吸試驗

在不同溫度干燥后，中、細粒煙煤的水分復吸曲線如圖7所示。由圖7可以看出，將中、細粒煙煤在干燥后置于空氣中，7 d后會吸收1.0%～2.0%的水分。在復吸過程中的第一天，其水分復吸率增大得快，復吸水分的速度快；之后，水分復吸率隨著時間的延長而小幅增加，直至不變。水分復吸時，顆粒的表面先吸收水分，表面的水分增加的快，之后復吸的水分逐步向內擴散，復吸效率降低，隨著時間的延長，最終達到平衡狀態。此外，干燥溫度越高，干燥后水分復吸率越大，復吸的水分也越多。這是由于干燥溫度越高，煤粒孔隙中的水分干燥得越徹底，當其暴露于潮濕空氣中時所吸附的水分也就越多。

圖7 不同干燥溫度條件下中細粒煙煤的水分復吸曲線

3 結論

(1)通過鼓風干燥，可以快速地降低煙煤的水分，并且干燥溫度越高，干燥速率越快，所需的干燥時間越短。

(2)在120 ℃的干燥溫度下，粒度對水分損失的快慢影響不大，中、細粒煙煤在60～70 min內均可結束干燥。

(3)干燥后煙煤會產生水分復吸現象，且干燥溫度越高，干燥后吸收的水分越多，細粒煙煤的水分復吸現象較粗粒嚴重，但整體的水分復吸率很低，為1.0%～2.0%，有利于其儲運和加工利用。