高含水低品質(zhì)煤干燥脫水提質(zhì)技術(shù)進(jìn)展

張 博,姚少宇,孫宗盛,崔俸源

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

0 引 言

我國(guó)煤炭資源豐富,種類(lèi)多樣,以煤為主的能源資源稟賦特點(diǎn)決定了未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展仍將離不開(kāi)煤炭[1]。隨著無(wú)煙煤煉焦煤等高品質(zhì)煤炭資源的開(kāi)發(fā)消耗,低品質(zhì)煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用逐漸受到重視,在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位[2]。

當(dāng)煤炭具有高水分、高灰分、高含硫、高含堿、低發(fā)熱量、低揮發(fā)分等一種或多種特點(diǎn)時(shí),其難以加工利用,因此可稱為低品質(zhì)煤[3]。低階煤是指變質(zhì)程度較低的煤炭,包括褐煤和低變質(zhì)程度煙煤(長(zhǎng)焰煤、弱黏煤、不黏煤等),占我國(guó)儲(chǔ)量的55%以上,其中褐煤和低變質(zhì)煙煤分別占12.7%和42.5%[4]。低階煤變質(zhì)程度低,親水性強(qiáng),主要特點(diǎn)為高水分,其水分可達(dá)25%～70%,屬于高含水低品質(zhì)煤[5]。

近年來(lái),低品質(zhì)煤的清潔高效利用逐漸受到重視,學(xué)者研究了低品質(zhì)煤的浮選[6]、熱解[7]、液化[8]和煤中礦物質(zhì)賦存[9]等。高含水低品質(zhì)煤具有高水分、低發(fā)熱量等特點(diǎn),用于燃煤鍋爐發(fā)電時(shí),煤中部分能量在蒸發(fā)煤炭自身水分時(shí)被浪費(fèi),降低了發(fā)電效率,且煤炭在長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中由于水分存在增加了運(yùn)輸成本,同時(shí)水分過(guò)高也會(huì)在燃燒和運(yùn)輸過(guò)程中增加CO2排放[10-11]。煤炭干燥可脫除煤中大部分水分,提高發(fā)熱量,減少后續(xù)利用過(guò)程溫室氣體CO2排放。因此開(kāi)發(fā)高效的高含水低品質(zhì)煤干燥脫水提質(zhì)技術(shù)對(duì)于其進(jìn)一步的加工利用具有戰(zhàn)略性意義。

為實(shí)現(xiàn)高含水低品質(zhì)煤炭資源的高效清潔利用,筆者將從煤炭水分賦存和其物理化學(xué)結(jié)構(gòu)特性等方面出發(fā),揭示高含水低品質(zhì)煤的含水機(jī)理,指導(dǎo)煤炭干燥脫水工藝選擇與優(yōu)化。目前煤炭工業(yè)級(jí)干燥脫水工藝以蒸發(fā)脫水為主,在褐煤、低變質(zhì)煙煤的工業(yè)化脫水干燥過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用,包括滾筒干燥、低溫蒸汽干燥、流化床干燥等多種方式[12]。

1 高含水低品質(zhì)煤含水機(jī)理

1.1 高含水煤水分賦存

高含水低品質(zhì)煤通常為低階煤[5,13],含氧官能團(tuán)含量高,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)。受煤炭物化結(jié)構(gòu)的影響,煤炭呈親水性,根據(jù)煤水相互作用強(qiáng)度不同,將煤中水分劃分為不同賦存狀態(tài),影響干燥過(guò)程水分遷移行為。因此,明晰煤中不同類(lèi)型水分賦存是研究實(shí)現(xiàn)高含水煤炭高效、安全提質(zhì)及水分精準(zhǔn)調(diào)控的必要基礎(chǔ)[14]。

煤中不同賦存狀態(tài)的水分在降溫過(guò)程會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶特性的差異,低溫差式掃描量熱儀(DSC)是探究煤中水分賦存的有效工具之一。MRAW等[15]首先發(fā)現(xiàn)了煤樣降溫過(guò)程部分水分在低溫環(huán)境下無(wú)法結(jié)晶,表明煤中存在可凍水和不凍水。RISH等[16]利用低溫高精度差式掃描量熱儀(DSC)將褐煤溫度由室溫降至-60 ℃,結(jié)果表明煤炭在降溫過(guò)程中分別在-9和-43 ℃附近分別出現(xiàn)2個(gè)放熱峰,說(shuō)明煤中存在2種不同形式的可凍水,即在-9 ℃發(fā)生凍結(jié)的自由水和在-43 ℃發(fā)生凍結(jié)的可凍束縛水。TAHMASEBI等[17]通過(guò)DSC放熱峰的面積計(jì)算出褐煤的結(jié)晶焓為21.13 kJ/kg,進(jìn)而定量分析自由水、可凍束縛水、不可凍水賦存情況。萬(wàn)克記[18]研究了褐煤不同干燥階段的水分低溫結(jié)晶特性,發(fā)現(xiàn)煤中不同水分的遷移存在先后順序,即自由水優(yōu)先脫除,束縛水其次,不凍水最后脫除,干燥過(guò)程褐煤內(nèi)部的不均勻毛細(xì)力場(chǎng)會(huì)驅(qū)使煤中水分向更小孔隙遷移。

煤炭?jī)?nèi)部水分與環(huán)境濕度間存在一定的平衡關(guān)系,煤炭對(duì)水蒸氣的等溫吸附/脫附行為反映了水分與煤炭的結(jié)合強(qiáng)度。ALLARDICE等[19]依據(jù)不同溫度下褐煤的等溫吸附/脫附線,將褐煤中的水分分為單層吸附水、多層吸附水、毛細(xì)水和自由水。單層吸附水通過(guò)氫鍵作用吸附于煤表面的極性官能團(tuán)處,多層吸附水單分子層的水分子作為吸附位點(diǎn)以氫鍵作用吸附水分子,隨著濕度的增加和吸附的進(jìn)行,水分子在煤炭發(fā)生毛細(xì)管凝結(jié)形成毛細(xì)水,自由水存在于較大的孔隙結(jié)構(gòu)中[20-21]。LI等[22]根據(jù)水分與煤顆粒之間的關(guān)系將煤中水分分為內(nèi)部吸附水、表面吸附水、毛細(xì)水、顆粒間隙水、黏附水5類(lèi),如圖1所示[23]。內(nèi)部吸附水存在于微孔或微毛細(xì)管中,表面吸附水僅依附在煤顆粒表面形成單層水,毛細(xì)水存在于煤顆粒的毛細(xì)管內(nèi),顆粒間隙水存在于2個(gè)或多個(gè)顆粒的間隙內(nèi),黏附水存在于單個(gè)或聚集顆粒表面形成一層膜的水[24]。CHARRIRE等[25]提出褐煤中單分子層水以氫鍵通過(guò)強(qiáng)相互作用與煤炭相連接,煤水相互作用較強(qiáng),而隨吸附逐步形成的多層吸附水、毛細(xì)水和自由水與煤炭間的相互作用越來(lái)越弱,脫除所需能量逐漸降低。

圖1 煤中不同形式的水分[23]

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可通過(guò)檢測(cè)煤中水分中H原子在外加磁場(chǎng)下的弛豫信號(hào)反映水分子的自由度。橫向弛豫時(shí)間T2與煤中水分所處的孔隙結(jié)構(gòu)存在線性關(guān)系,翟成等[26]式(1)計(jì)算了煤炭孔隙結(jié)構(gòu)與水分賦存間關(guān)系。

1/T2=Fsρ2/r,

(1)

式中,T2為橫向弛豫時(shí)間,ms;Fs為幾何形狀因子,狹縫型孔Fs取1、圓柱型孔Fs取2、球型孔Fs取3;ρ2為橫向表面弛豫率,nm/ms;r為孔隙半徑,nm。

WANG等[27]根據(jù)含水煤樣的T2圖譜對(duì)水分進(jìn)行分類(lèi),依據(jù)不同的T2時(shí)間范圍將水分分為吸附水和非吸附水兩類(lèi),吸附水在0.1～10 ms出現(xiàn)峰值信號(hào),非吸附水在10 ms后出現(xiàn)峰值信號(hào),非吸附水包括毛細(xì)管水和自由水。安佰瑞[28]將煤樣在40 ℃、105 ℃進(jìn)行鼓風(fēng)干燥,對(duì)原煤煤樣及干燥處理后煤樣進(jìn)行核磁測(cè)試,得到不同T2圖譜的積分面積,分別對(duì)應(yīng)化合水+毛細(xì)管水+自由水、化合水+毛細(xì)管水、化合水的含量,從而分析煤樣提質(zhì)脫水后脫除的水分類(lèi)型。翟成等[26]對(duì)飽水煤樣和離心煤樣進(jìn)行低場(chǎng)核磁共振檢測(cè),將煤中水分以“飽水-離心”聯(lián)測(cè)法分為自由流體和束縛流體,在此基礎(chǔ)提出采用“雙T2c”方法將煤中飽和孔隙流體分為完全自由流體、部分自由流體和完全束縛流體。LI等[29]采用微波干燥的方式對(duì)神木煤進(jìn)行干燥試驗(yàn),并通過(guò)核磁共振測(cè)試?yán)L制了T2曲線隨微波照射時(shí)間的變化,發(fā)現(xiàn)其T2曲線圖呈三峰分布,并將T2曲線圖分為兩部分:T2>10 ms的緩慢弛豫部分,其與較大孔隙的自由水相關(guān)聯(lián);T2<10 ms的快速弛豫部分,其與較小孔中的自由水和結(jié)合水相關(guān)聯(lián)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)微波干燥首先去除了煤中較大孔隙的水分,T2曲線最右側(cè)的峰在干燥過(guò)程中首先開(kāi)始減小。HE等[30]對(duì)內(nèi)蒙古勝利褐煤進(jìn)行熱干燥試驗(yàn),并將不同干燥時(shí)間的煤樣進(jìn)行核磁測(cè)試得到T2曲線,發(fā)現(xiàn)其T2曲線都呈單峰分布且隨干燥時(shí)間增加T2曲線的峰逐漸左移,也證實(shí)了干燥過(guò)程中較大孔隙的水分首先被脫除,峰左側(cè)部分同樣左移證實(shí)了隨干燥進(jìn)行小部分水分進(jìn)入更小孔隙中。

綜上所述,煤中水分具有多種分類(lèi)方式,明確煤中不同類(lèi)型的水分有助于后續(xù)脫水工藝的選擇。離心等機(jī)械脫水方法只能脫除煤中自由水(顆粒間隙水和表面吸附水),其余水分可通過(guò)加熱干燥的方法使其蒸發(fā)脫除。非自由水(毛細(xì)管水和吸附水)在加熱干燥過(guò)程中所需干燥溫度和脫除所需能量不同,通過(guò)定量分析不同類(lèi)型水分含量控制干燥過(guò)程中能量的輸入,以達(dá)到精確干燥減少能量浪費(fèi)的目的。

1.2 高含水煤物理化學(xué)結(jié)構(gòu)特性

1.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)

高含水煤變質(zhì)程度低,內(nèi)部發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)為水分賦存提供了賦存空間,同時(shí),與外界連通的孔隙也是干燥過(guò)程內(nèi)部水分向外遷移的通道。目前針對(duì)煤中孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)有多種方法,依據(jù)孔徑尺寸、連通性、成因或吸附性能等進(jìn)行分類(lèi),根據(jù)孔隙大小的分類(lèi)方法目前常用B B霍多特孔隙分類(lèi)方式[31]和國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)提出的孔隙分類(lèi)方式[32],其他學(xué)者提出的分類(lèi)方案見(jiàn)表1。

表1 孔隙大小分類(lèi)方案

根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)的成因,煤中孔隙類(lèi)型可分為4類(lèi),即原生孔隙、變質(zhì)孔隙、礦物質(zhì)孔隙和應(yīng)力孔隙[36]。目前用于測(cè)試煤體孔隙結(jié)構(gòu)的方法包括壓汞法、氣體吸附/脫附法、電子掃描顯微鏡、計(jì)算機(jī)斷層掃描、核磁共振技術(shù)等方法。由于測(cè)試方法和原理的差異,不同測(cè)試方法在表征孔隙尺度上存在一定差異,如壓汞法對(duì)大孔范圍的測(cè)試表征更為準(zhǔn)確,氣體吸附法對(duì)微孔和中孔范圍的測(cè)試表征更為準(zhǔn)確。

壓汞法利用汞對(duì)固體不潤(rùn)濕的特性,分析注入體積和壓力間的關(guān)系,孔的半徑越小毛細(xì)管力越大,壓汞所需壓力越大,進(jìn)而得到樣品孔體積和孔徑分布。進(jìn)汞退汞曲線的類(lèi)型反映了孔隙的連通性。根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)的連通性可將煤中孔隙分為開(kāi)放型孔、半開(kāi)放型孔和封閉型孔3種[37]。開(kāi)放型孔具有良好的連通性,進(jìn)汞曲線和退汞曲線不重合,存在明顯的滯后環(huán);半開(kāi)放型孔進(jìn)汞和退汞時(shí)壓力相同,一般不出現(xiàn)滯后環(huán),但當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)為細(xì)瓶頸孔時(shí),由于瓶頸和瓶體進(jìn)汞和退汞的壓力不同,導(dǎo)致存在滯后環(huán)[36]。QIN等[38]選取褐煤、煙煤、無(wú)煙煤樣品進(jìn)行壓汞試驗(yàn),3種煤樣的進(jìn)汞退汞曲線均不重合,表明煤中至少存在開(kāi)放型孔或細(xì)瓶頸孔;其中褐煤的壓汞曲線具有明顯的滯后環(huán),表明褐煤的孔隙以開(kāi)放型孔為主。氣體吸附脫附法利用惰性氣體(N2、CO2)在壓力下與煤炭吸附行為的差異,依據(jù)IUPAC可將吸附等溫線分為6種類(lèi)型,煤的吸附等溫線形態(tài)多為第Ⅱ類(lèi)型,第II類(lèi)型等溫線隨著壓力的增大吸附量快速增大,曲線整體呈“S”形,通常發(fā)生在大孔分布較多的多孔介質(zhì)內(nèi)。煤樣的吸附/脫附曲線由于開(kāi)放型孔的存在,曲線存在滯后環(huán),NIE等[39]通過(guò)低溫氮吸附/脫附試驗(yàn)將5種類(lèi)型的吸附回線和孔隙形態(tài)相關(guān)聯(lián),認(rèn)為圓柱型孔隙會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)A類(lèi)吸附回線,狹縫型孔隙會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)B類(lèi)吸附回線,楔型孔隙會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)C類(lèi)和D類(lèi)吸附回線,出現(xiàn)E類(lèi)吸附回線(圖2)。

圖2 吸附回線及其對(duì)應(yīng)的孔隙[39]

煤中發(fā)達(dá)的孔隙為水分的賦存提供了場(chǎng)所,但復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征增加了水分脫除過(guò)程的難度[40]。煤中微孔的大小和水分子相近,水分子首先在微孔中吸附形成單層吸附,單層吸附水最難脫除;中孔比水分子大5～125倍,水分子易在中孔發(fā)生毛細(xì)凝聚形成毛細(xì)管水,脫除難度次之;而大孔直徑遠(yuǎn)大于水分子直徑,水分受大孔束縛作用較小,可以自由流動(dòng),大孔中水分最易被脫除[41]。FENG等[42]研究了云南褐煤氮?dú)猸h(huán)境下干燥過(guò)程比表面積、孔容積等孔隙結(jié)構(gòu)特性與表面吸附水(與表面官能團(tuán)結(jié)合的水分)的活化能、水分?jǐn)U散系數(shù)等干燥特性參數(shù)之間的關(guān)系,結(jié)果表明表面吸附水的活化能隨比表面積的增大而增大,推測(cè)氧官能團(tuán)在較大表面上的分布更加均勻,從而使氧官能團(tuán)在水的吸附中起協(xié)同作用,更多水在表面形成氫鍵,干燥活化能增大。水分?jǐn)U散系數(shù)隨大孔容積的增大而增大,表明大孔隙是影響水汽輸送的主要因素。曲嘯洋等[43]在鼓風(fēng)干燥箱中以60～140 ℃干燥溫度干燥勝利褐煤和昭通褐煤,研究了2種煤炭的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和比表面積間的關(guān)系,結(jié)果表明褐煤有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨比表面積的增大而增大,說(shuō)明比表面積越大,褐煤能提供更多的活性位點(diǎn),使內(nèi)部孔隙中的水分向外遷移的能力越大,因此導(dǎo)致有效水分?jǐn)U散系數(shù)增大。

煤炭水分脫除過(guò)程由于煤體的干縮作用和高壓蒸汽破壞,相應(yīng)影響煤炭孔隙結(jié)構(gòu)。GAO等[44]在氮?dú)猸h(huán)境中以120、200、280 ℃干燥昭通褐煤,對(duì)不同干燥溫度干燥后煤樣和原煤進(jìn)行壓汞測(cè)試以表征其孔隙結(jié)構(gòu)變化,研究表明隨干燥時(shí)間增長(zhǎng),其壓汞曲線的滯后環(huán)越來(lái)越窄,隨干燥溫度提高,其壓汞曲線的滯后環(huán)也越來(lái)越窄,表明隨干燥程度加深孔隙連通性變差,開(kāi)放型孔隙數(shù)量減少,同時(shí)分析了不同干燥溫度干燥后的煤樣和原煤的孔徑分布,結(jié)果表明隨干燥的進(jìn)行其孔體積逐漸減小,且溫度越高孔體積下降越多,其中>1 000 nm大孔對(duì)煤樣孔體積的貢獻(xiàn)最大。CHENG等[45]采用常溫干燥、熱風(fēng)干燥、冷凍干燥的方式對(duì)昭通褐煤進(jìn)行干燥試驗(yàn),褐煤經(jīng)常溫干燥和熱風(fēng)干燥后孔體積變小,冷凍干燥對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響較小,因此冷凍干燥常被用做孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試前預(yù)先脫水方法。曲嘯洋等[43]研究了在60～140 ℃干燥過(guò)程中勝利褐煤和昭通褐煤孔隙結(jié)構(gòu)的變化,隨溫度升高褐煤比表面積逐漸增大,隨干燥時(shí)間增加褐煤比表面積逐漸減小,孔容積逐漸減小。因此,常規(guī)蒸發(fā)干燥過(guò)程中隨煤中水分脫除煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮,造成孔體積降低,比表面積增大。

1.2.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)

煤是一種化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混合物,主要由有機(jī)物構(gòu)成,其主要構(gòu)成部分為雜環(huán)芳核和縮聚芳核,這些結(jié)構(gòu)單元通過(guò)不同含氧基團(tuán)、烷基側(cè)鏈和橋鍵相互連接。高含水的低階煤具有較強(qiáng)親水性的原因之一為煤中含有大量極性含氧官能團(tuán),這類(lèi)官能團(tuán)為水分的吸附提供親水位點(diǎn),通過(guò)氫鍵與水分子進(jìn)行結(jié)合。檢測(cè)煤中含量官能團(tuán)的常見(jiàn)方法有化學(xué)滴定法和傅里葉紅外(FTIR)光譜法,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[46-47]總結(jié)了煤結(jié)構(gòu)中官能團(tuán)的歸屬,煤中官能團(tuán)FTIR吸收峰的歸屬見(jiàn)表2。

表2 煤中官能團(tuán)FTIR吸收峰的歸屬

QIAN等[48]根據(jù)煤的FTIR曲線擬合結(jié)果,將煤的紅外光譜的吸收峰分為4個(gè)區(qū)域:羥基區(qū)域(3 600～3 000 cm-1)、脂肪族區(qū)域(3 000～2 800 cm-1)、含氧官能團(tuán)區(qū)域(1 800～1 000 cm-1)和芳香區(qū)域(900～700 cm-1)。CHEN等[49]探究了不同煤種含氧官能團(tuán)含量與其持水能力的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)焰煤比其他煤種含更多的羧基、羰基和醚基,其內(nèi)在水分含量也顯著高于其他煤種,并且發(fā)現(xiàn)無(wú)煙煤中雖然含氧官能團(tuán)含量較少,但其內(nèi)在水分含量多于肥煤、煉焦煤等中等變質(zhì)程度煤種,表明煤種持水能力與煤種變質(zhì)程度有關(guān),主要受微孔的影響,但長(zhǎng)焰煤的持水能力主要受含氧官能團(tuán)含量的影響。LIU等[50]通過(guò)制備不同氧化程度的石墨烯模擬褐煤持水能力與含氧官能團(tuán)的關(guān)系,隨著氧化程度的加深,羧基(—COOH)和羥基(—OH)含量逐漸增多,羧基含量為7.04%、羥基含量為6.57%時(shí)氧化石墨烯持水量為23.19%,而羧基含量為8.96%、羥基含量為6.46%時(shí)氧化石墨烯持水量為48.3%。表明隨含氧官能團(tuán)含量增加其持水量不斷增加。因此,高含水低階煤中羧基(—COOH)和羥基(—OH)等極性含氧官能團(tuán)使煤表面呈現(xiàn)較強(qiáng)親水性,含氧官能團(tuán)形成的親水位點(diǎn)與水分之間形成氫鍵,增強(qiáng)了水分子和煤炭之間的相互作用。

1.3 物理化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)水分賦存的影響

(2)

式中,Pr為液滴的飽和蒸氣壓,Pa;P0為平面的飽和蒸氣壓,Pa;γ為液態(tài)吸附質(zhì)的表面張力,N/m;M為液體的摩爾質(zhì)量,g/mol;θ為接觸角,(°);R為理想氣體常數(shù),J/(mol·K);T為試驗(yàn)溫度,K;ρ為液體密度,kg/m3;r為孔隙半徑,m。

由式(2)可知隨孔隙半徑的減小,液滴的飽和蒸氣壓Pr隨之減小,因此孔隙越小其內(nèi)賦存的水分越難蒸發(fā),脫除水分所需能量越大。

LIAO等[55]于氮?dú)猸h(huán)境下在500～600 W微波場(chǎng)下干燥50 g云南褐煤,發(fā)現(xiàn)總水分脫水能耗為9.3～11.4 kJ/g(以H2O計(jì),下同),可凍水脫水能耗為9.1～10.8 kJ/g,不可凍水的脫水能耗為10.4～15.8 kJ/g。FENG等[56]將褐煤中水分的結(jié)合能分為3個(gè)能級(jí),第1能級(jí)的水分結(jié)合能最低,包括自由水和孔隙水,去除自由水的溫度主要集中在100 ℃以下,孔隙水的脫水溫度主要集中在100～200 ℃;第2能級(jí)的水分結(jié)合能位于中間,包括與氫鍵結(jié)合的水和毛細(xì)管束縛水,脫水溫度主要集中在200～400 ℃;第3能級(jí)的水分結(jié)合能最高,并不屬于褐煤自身水分,而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水分。

煤的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)影響煤的持水能力,FENG等[57]用直徑1～2、5～10、20～50 nm的碳納米管進(jìn)行H2O2溶液氧化處理,處理后的納米管孔隙結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化,但其含氧官能團(tuán)顯著增加,以此研究孔隙結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)對(duì)煤持水能力的影響,結(jié)果表明含氧官能團(tuán)和5～10 nm的孔隙對(duì)煤持水能力具有顯著的協(xié)同作用。煤干燥過(guò)程中除水分脫除外還伴隨孔隙結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的變化,這種變化對(duì)煤在干燥脫水后的復(fù)吸產(chǎn)生影響,WU等[53]對(duì)不同干燥溫度處理后的脫水煤樣進(jìn)行水分復(fù)吸試驗(yàn),并將復(fù)吸的水分分為自由水、可凍束縛水、不可凍水,研究了水分與孔隙結(jié)構(gòu)、含氧官能團(tuán)之間的關(guān)系,結(jié)果表明煤樣總水分含量與孔隙體積正相關(guān),非自由水含量與平均孔徑負(fù)相關(guān),不可凍水含量與含氧官能團(tuán)在低溫和高溫干燥后呈現(xiàn)不同的相關(guān)性:在低溫下相關(guān)性極低,但在高溫下表現(xiàn)出正相關(guān),即煤中含氧官能團(tuán)越多,其不可凍水的含量越高。LIU等[58]對(duì)不同干燥技術(shù)處理后脫水褐煤的水分復(fù)吸行為進(jìn)行研究,結(jié)果表明ηRH(相對(duì)濕度)≤10%時(shí),脫水褐煤的復(fù)吸水分含量比原煤少,由含氧官能團(tuán)的下降引起;ηRH>10%時(shí),脫水褐煤的復(fù)吸水分含量比原煤少,由含氧官能團(tuán)和孔體積共同下降的協(xié)同效應(yīng)引起的。

由于水分含量和物理化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,不同煤樣的特征溫度不同,尤其著火溫度不同會(huì)影響干燥溫度上限。XU等[59]對(duì)新疆礦區(qū)長(zhǎng)焰煤進(jìn)行熱分析試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其著火溫度為245.6 ℃,并發(fā)現(xiàn)原煤經(jīng)水浸和風(fēng)干后活化能降低而自燃傾向升高,在水浸和風(fēng)干的作用下煤的孔隙增大膨脹,煤中脂肪側(cè)鏈出現(xiàn)斷裂,羥基和羧基的含量增加,提高了煤自燃的可能性。GUO等[60]對(duì)煙煤和褐煤的燃燒性能進(jìn)行分析,二者收到基水分均在39%左右,但煙煤和褐煤的著火溫度分別為434.9和343.8 ℃。為研究水分對(duì)著火點(diǎn)溫度的影響,賈廷貴等[61]利用水霧噴淋和恒溫干燥箱制備出不同水分的煤樣并進(jìn)行熱重試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)燃點(diǎn)隨水分增加先增加后減少,水分為13.88%時(shí)燃點(diǎn)達(dá)到最大值317.17 ℃。通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)煤炭燃點(diǎn)與不同煤種及自身水分相關(guān),因此在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)煤炭自身性質(zhì)確定合理的干燥溫度上限,防止在干燥過(guò)程中出現(xiàn)煤炭過(guò)熱燃燒的現(xiàn)象。

2 煤炭干燥技術(shù)

2.1 煤炭干燥機(jī)理

2.1.1 干燥技術(shù)分類(lèi)

煤炭干燥技術(shù)可以依據(jù)干燥方法、傳熱機(jī)理、加熱和干燥介質(zhì)熱源等差異分為不同類(lèi)別。依據(jù)水分脫除機(jī)理的差異可將煤炭分為蒸發(fā)脫水和非蒸發(fā)脫水。非蒸發(fā)脫水水分以液態(tài)的形式脫除,主要包括水熱脫水和機(jī)械熱壓脫水技術(shù)等。蒸發(fā)脫水通過(guò)加熱煤炭使水分以氣態(tài)形式蒸發(fā)脫除,是目前煤炭干燥領(lǐng)域主要的工業(yè)級(jí)干燥技術(shù),因此本文主要介紹現(xiàn)有蒸發(fā)干燥技術(shù)研究進(jìn)展。

煤炭蒸發(fā)干燥的熱介質(zhì)主要有熱煙氣、熱空氣和熱蒸汽。熱煙氣干燥技術(shù)利用鍋爐燃燒產(chǎn)生的廢熱加熱煤炭,能夠提升工廠整體能量效率。但煙氣干燥本身能耗較高,尤其煙氣溫度較低時(shí),需要補(bǔ)償大流量煙氣,導(dǎo)致綜合能耗約為3 200 kJ/kg(以水計(jì),下同),其中約2 600 kJ/kg能量用于水分蒸發(fā),剩余為熱損失和加熱濕煤所需能量。熱空氣由于氧氣含量較高,為防止干燥過(guò)程的自燃起火,其干燥溫度相比熱煙氣干燥溫度更低,其熱損失也有所降低,通過(guò)余熱回收技術(shù)綜合能耗約為2 700 kJ/kg。熱蒸汽作為熱介質(zhì)可通過(guò)冷凝的方式回收剩余熱量,通過(guò)較高的余熱回收效率及干燥流程的優(yōu)化,蒸汽干燥機(jī)的綜合能耗最低達(dá)600 kJ/kg[62]。

我跟阿花商量，別和大發(fā)廠狠了，狠不過(guò)人家的。阿花把林強(qiáng)信的祖宗八代操遍之后，說(shuō)也罷，我們自己培養(yǎng)熟手，現(xiàn)在訂單充裕了，王義山負(fù)責(zé)生產(chǎn)，你負(fù)責(zé)技術(shù)指導(dǎo)，盡快培養(yǎng)新員工。

根據(jù)傳熱機(jī)理不同,可將干燥方法分為直接干燥和間接干燥技術(shù)。直接干燥技術(shù)煤炭與熱介質(zhì)一般通過(guò)對(duì)流的方式進(jìn)行熱量傳遞。間接干燥煤炭和熱介質(zhì)之間通常分開(kāi),主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射進(jìn)行熱量傳遞。直接干燥相較間接干燥傳熱效率較高,但間接干燥可使用蒸汽作為熱介質(zhì),其余熱回收效率較高,可以降低整體能耗。

2.1.2 煤炭干燥過(guò)程

蒸發(fā)干燥的實(shí)質(zhì)為物料在干燥過(guò)程中水分由液態(tài)水蒸發(fā)為氣態(tài)水并傳輸?shù)礁稍锝橘|(zhì)環(huán)境中,由于干燥介質(zhì)與煤炭間存在溫度梯度,部分能量使煤炭受熱溫度升高,部分能量用于脫除表面自由水,由于濕度梯度的存在內(nèi)部水分以液態(tài)水由孔隙通道遷移至煤炭表面,而隨著干燥的進(jìn)行煤炭?jī)?nèi)能進(jìn)一步增大促使內(nèi)部水分蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài),煤炭顆粒內(nèi)部蒸氣壓增大,此時(shí)濕度梯度較小,蒸汽壓梯度作為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力促使水分向外遷移。干燥過(guò)程煤炭溫度的提升與水分存在相關(guān)關(guān)系,LIN等[63]在微波場(chǎng)下對(duì)褐煤進(jìn)行干燥試驗(yàn),研究了煤樣溫度與含水量之間的關(guān)系,可將煤樣的升溫曲線分為快速加熱階段、連續(xù)干燥階段、慢速干燥階段,在快速加熱階段煤樣溫度快速上升達(dá)到100 ℃左右,但水分下降較少;連續(xù)干燥階段水分大量蒸發(fā)導(dǎo)致內(nèi)部蒸汽壓上升,蒸汽壓驅(qū)動(dòng)水分向煤炭表面遷移,這一時(shí)期干燥脫水效率最高;慢速干燥階段水分含量過(guò)低剩余水分脫除難度較大。同樣證實(shí)了在干燥過(guò)程中蒸汽壓梯度對(duì)水分脫除的促進(jìn)作用。

煤炭水分脫除過(guò)程一般分為恒速干燥和降速干燥,但依據(jù)原煤性質(zhì)和水分賦存的差異,不同煤炭干燥過(guò)程也有所差異。賀瓊瓊[64]將低階煤干燥過(guò)程分為快速干燥和慢速干燥階段2個(gè)階段,杜峰等[65]在115 ℃的低溫干燥條件下對(duì)褐煤進(jìn)行干燥試驗(yàn),將水分脫除過(guò)程水分變化分為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)干燥階段和降速干燥階段,準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)干燥階段主要是不凍水和吸附水的脫除,干燥速度較快且煤中水分基本脫除;降速干燥階段水分更多存在于微孔中,造成脫除困難且整體變化不超過(guò)1%。RONG等[66]對(duì)內(nèi)蒙古低階煤在423 K和20 kPa條件下進(jìn)行負(fù)壓干燥,按干燥速率變化將其分為干燥速率增加階段和干燥速率減小階段,其分界點(diǎn)煤樣水分為21.38%,干燥速率增加階段主要是表面自由水的脫除,干燥速率減小階段主要是內(nèi)部水的脫除,包括內(nèi)部裂縫中的水、毛細(xì)水、結(jié)合水。不同學(xué)者對(duì)于快速干燥階段和慢速干燥階段的分界點(diǎn)定義各不相同,整體而言,快速干燥階段水分容易脫除,干燥速率較快,而慢速干燥階段水分脫除難度變大,干燥速率較慢。

2.2 典型干燥技術(shù)

2.2.1 滾筒干燥

滾筒干燥一般采用高溫?zé)釤煔庾鳛楦稍锝橘|(zhì)以直接干燥的方式干燥煤炭。滾筒干燥筒體傾斜放置,物料沿軸方向移動(dòng),移動(dòng)過(guò)程中物料與干燥介質(zhì)進(jìn)行熱交換,從而蒸發(fā)物料水分,設(shè)備簡(jiǎn)單易操作,滾筒干燥機(jī)如圖3所示[67]。滾筒干燥技術(shù)較為成熟,被用于部分選煤廠高含水的煤炭及煤泥的脫水提質(zhì)。塔拉壕選煤廠采用滾筒干燥技術(shù)對(duì)壓濾濕煤泥進(jìn)行干燥脫水,干燥煤泥的水分較原煤泥下降12%,發(fā)熱量提高2.09～3.35 MJ/kg,干燥煤泥既可單獨(dú)銷(xiāo)售也可摻入末精煤銷(xiāo)售,增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[68]。

圖3 滾筒干燥機(jī)[67]

滾筒干燥技術(shù)較為成熟,目前研究者主要研究了轉(zhuǎn)筒干燥器沿長(zhǎng)度的溫度分布、蒸發(fā)量和固體停留時(shí)間分布等干燥器的設(shè)計(jì)和干燥流程的優(yōu)化。PHICIATO等[69]采用2套滾筒干燥系統(tǒng)串聯(lián)組成雙級(jí)轉(zhuǎn)筒干燥系統(tǒng)對(duì)印度尼西亞褐煤進(jìn)行干燥,褐煤首先進(jìn)入一級(jí)滾筒干燥機(jī)進(jìn)行干燥脫水,干燥后的物料經(jīng)過(guò)破碎研磨預(yù)處理后進(jìn)入二級(jí)滾筒干燥機(jī)進(jìn)行干燥脫水,結(jié)果表明雙級(jí)滾筒干燥的脫水效果優(yōu)于傳統(tǒng)的單級(jí)滾筒干燥,可在沒(méi)有自燃的情況下實(shí)現(xiàn)較少的氧氣含量和較高的溫度。滾筒干燥由于溫度較高,干燥過(guò)程中需嚴(yán)格控制干燥溫度及含氧量,否則存在一定煤塵爆炸的安全隱患,也會(huì)導(dǎo)致煤炭不均勻干燥、揮發(fā)分析出、輕度焦化等現(xiàn)象。邢曦文等[70]研究了干燥介質(zhì)對(duì)滾筒干燥機(jī)內(nèi)煤泥干燥效果的影響,結(jié)果表明當(dāng)熱煙氣溫度超過(guò)500 ℃時(shí),滾筒干燥機(jī)內(nèi)的氧氣含量低于16%,可確保處于煤粉塵爆炸的安全范圍內(nèi)。且隨溫度升高,滾筒內(nèi)的對(duì)流換熱程度增強(qiáng),從而提高物料的脫水率,然而隨煙氣溫度升高,筒體內(nèi)外的溫差急劇增大,從而增加熱損耗。

2.2.2 低溫蒸汽干燥

1)蒸汽管式干燥。管式干燥是以蒸汽作為熱介質(zhì)的間接干燥技術(shù),最終起源于德國(guó)澤馬克(ZEMAG)公司。干燥過(guò)程煤走管程與管間周?chē)牡蛪赫羝M(jìn)行熱量交換,煤炭在重力和旋轉(zhuǎn)葉片作用下由入料向出料端運(yùn)動(dòng)[71]。蒸汽管式干燥技術(shù)有較成熟的工業(yè)應(yīng)用,其中大唐多倫煤化工項(xiàng)目通過(guò)蒸汽管式干燥技術(shù),實(shí)現(xiàn)了將褐煤由全水分36%降至水分13.27%,處理量60.19 t/h,干燥介質(zhì)為飽和蒸汽,溫度150.61 ℃,蒸汽流量24.21 t/h,干燥機(jī)運(yùn)行非常平穩(wěn)。內(nèi)蒙古某大型煤制烯烴項(xiàng)目引入蒸汽管式干燥技術(shù),單臺(tái)處理量50 t/h,原煤全水分由34%干燥至12%。蒸汽管式干燥技術(shù)作為較成熟的低溫蒸汽干燥技術(shù),具有一定工業(yè)應(yīng)用。低壓飽和蒸汽作為干燥介質(zhì)溫度一般低于煤的燃點(diǎn),因此其干燥過(guò)程安全性高,對(duì)干燥后產(chǎn)物性質(zhì)影響小,較多的干燥管(1 500根)增大了換熱面積,提升了熱效率。但蒸汽管式仍面臨以下幾點(diǎn)問(wèn)題:① 相較于其他干燥設(shè)備,其單臺(tái)設(shè)備干燥能力小。② 由于煤走管路,一般要求煤炭入料粒度6 mm以下,否則易發(fā)生堵煤現(xiàn)象。③ 設(shè)備干燥管數(shù)量多(1 500根),安裝周期長(zhǎng)。

2)回轉(zhuǎn)管式干燥?；剞D(zhuǎn)管式干燥和蒸汽管式干燥相近均為蒸汽間接干燥,但與蒸汽管式干燥技術(shù)的不同之處在于,回轉(zhuǎn)管式干燥煤走殼程、低壓蒸汽走管程?；剞D(zhuǎn)管式干燥器示意如圖4所示[72],干燥過(guò)程濕原煤進(jìn)入筒體后,物料在傾斜的筒體向前移動(dòng)中,蒸汽在換熱管通過(guò)管壁與物料進(jìn)行傳熱,干燥后煤從出料口排出,蒸汽冷凝后可收集回收利用,尾氣由除塵器處理后排入空氣環(huán)境。根據(jù)其換熱管結(jié)構(gòu)的不同可分為直管式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)和環(huán)管式回轉(zhuǎn)干燥機(jī),濟(jì)三選煤廠利用電廠余熱蒸汽作為熱源,采用直管式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)對(duì)選煤廠內(nèi)煤泥進(jìn)行干燥脫水,干燥處理后煤泥平均水分由27.1%降至14.2%,而煤泥平均發(fā)熱量由12.39 MJ/kg提高至16.25 MJ/kg,增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[73]。LIU等[74]研究了回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)用于預(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用,并建立了理論模型對(duì)其干燥效果進(jìn)行分析,計(jì)算結(jié)果表明干燥機(jī)出口蒸汽焓每提高100 kJ/kg,發(fā)電廠發(fā)電效率降低約0.05%。

圖4 回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)[72]

回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)采用0.15～0.55 MPa蒸汽作為干燥介質(zhì)間接加熱煤炭,減小煤在干燥過(guò)程中自燃的風(fēng)險(xiǎn),溫度較低能減少與外界的熱交換損失,熱效率較高,并且蒸汽冷凝后可回收利用。LIU等[75]對(duì)煙氣和蒸汽轉(zhuǎn)筒預(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,并建立經(jīng)濟(jì)技術(shù)模型進(jìn)行比較分析,結(jié)果表明,煙氣轉(zhuǎn)筒預(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的最大凈現(xiàn)值將比常規(guī)褐煤發(fā)電系統(tǒng)的收益高950萬(wàn)美元,而蒸氣轉(zhuǎn)筒預(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的最大凈現(xiàn)值將比常規(guī)褐煤發(fā)電系統(tǒng)的收益高4 010萬(wàn)美元。

2.2.3 流化床干燥

1)沸騰流化床干燥。沸騰流化床干燥也稱高溫流化床干燥,利用熱煙氣或熱空氣作為熱介質(zhì)和流化介質(zhì),使?jié)衩撼尸F(xiàn)流態(tài)化,提高了物料與熱煙氣之間的接觸面積和傳熱效率,煤炭升溫速度較快,濕煤水分迅速蒸發(fā)后,水蒸氣隨干燥廢氣排出,干燥后粗粒煤?jiǎn)为?dú)排出,微細(xì)粒煤粉通過(guò)旋風(fēng)除塵器回收。其干燥流程如圖5所示,劉文欣[76]針對(duì)內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)煤炭低燃點(diǎn)、高爆炸危險(xiǎn)性的特點(diǎn),改進(jìn)了沸騰流化床干燥設(shè)備,建立全密封干燥系統(tǒng),增設(shè)充氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng),控制干燥過(guò)程含氧量,降低了煤炭干燥過(guò)程危險(xiǎn)性,設(shè)備處理能力平均350 t/h,將煤炭水分由32%降至24%,發(fā)熱量提升2.4 MJ/kg。沸騰床干燥過(guò)程中,為保證流化質(zhì)量,研究者指出應(yīng)嚴(yán)格控制煤炭粒度、設(shè)備尺寸、初始?xì)馑俚葪l件,否則會(huì)影響顆粒的流化質(zhì)量。

圖5 沸騰床干燥系統(tǒng)[76]

2)旋翼式流態(tài)化干燥機(jī)。旋翼式流態(tài)化干燥機(jī)采用500～700 ℃熱煙氣與煤炭直接接觸干燥,干燥時(shí)高含水黏濕煤泥首先經(jīng)過(guò)緩沖倉(cāng)由給料機(jī)均勻給入干燥機(jī)內(nèi),由設(shè)備底部2個(gè)相向旋轉(zhuǎn)的旋翼將濕煤打碎結(jié)塊,并將其拋擲到干燥腔內(nèi),在引風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下,高溫?zé)犸L(fēng)在水平方向產(chǎn)生波浪式紊流,物料在氣流和重力的雙重作用下在干燥腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),與高溫?zé)犸L(fēng)充分接觸并進(jìn)行換熱[77]。其結(jié)構(gòu)如圖6所示,干燥機(jī)內(nèi)部存在3個(gè)工作區(qū)域,分別為成球區(qū)、解黏區(qū)、造粒區(qū),物料大量水分在解黏區(qū)被脫除,此工作區(qū)域內(nèi)物料處于恒速干燥階段,水分快速降低。旋翼式流態(tài)化干燥機(jī)在新景礦選煤廠用作干燥煤泥物料,干燥后煤泥平均水分降至11.19%,可脫除50%～60%的水分,平均發(fā)熱量由16. 74 MJ/kg提高至19.95 MJ/kg[78]。

圖6 旋翼式流態(tài)化干燥機(jī)結(jié)構(gòu)[78]

3)過(guò)熱蒸汽流化床。過(guò)熱蒸汽是一種不飽和蒸汽,具有吸水能力,其溫度大于相對(duì)應(yīng)條件下水的沸點(diǎn)溫度。相較于傳統(tǒng)熱空氣和熱煙氣,過(guò)熱蒸汽的起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)更低,余熱回收利用效率也更高。目前,德國(guó)WTA干燥技術(shù)以沸騰床干燥為基礎(chǔ)采用過(guò)熱蒸汽作為流化介質(zhì)和干燥介質(zhì),吸收了原煤蒸發(fā)出的水分。過(guò)熱蒸汽作為電廠中容易獲取的熱源,WTA流化床干燥技術(shù)常與電廠蒸汽余熱利用系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行煤炭的預(yù)干燥,WTA流化床干燥技術(shù)如圖7所示。RAKOPOULOS等[79]研究了WTA干燥技術(shù)在燃煤發(fā)電廠中的應(yīng)用,干燥介質(zhì)由余熱利用系統(tǒng)的蒸汽提供,干燥過(guò)程中褐煤的大部分水分被蒸發(fā)脫除,使用預(yù)干燥后的褐煤進(jìn)行燃燒降低了發(fā)電和供熱成本,從而增加了企業(yè)整體凈利潤(rùn)。AVAGIANOS等[80]研究了WTA干燥器、滾筒干燥器、蒸汽回轉(zhuǎn)管式干燥器分別與燃煤發(fā)電廠集成后的運(yùn)行情況,結(jié)果表明WTA干燥器在3種干燥技術(shù)中受電廠負(fù)荷的影響最小,且當(dāng)使用WTA干燥器時(shí)生產(chǎn)成本最低。

圖7 WTA流化床干燥技術(shù)[72]

2.2.4 振動(dòng)混流干燥

振動(dòng)流化床一般利用熱煙氣或熱空氣直接接觸煤炭干燥,通過(guò)在流化床中施加振動(dòng)能量,強(qiáng)化顆粒的松散,提升干燥效果。振動(dòng)混流干燥工藝是一種具有代表性的振動(dòng)流化床干燥方式,其流程如圖8所示。振動(dòng)混流干燥器內(nèi)布置了多層可振動(dòng)的傾斜篩板,煤炭由頂部均勻給入干燥器內(nèi),在篩板的振動(dòng)作用下形成“之”字形物料層,小顆粒干燥速度較快,可透過(guò)篩板下落提前干燥,大顆粒物料在振動(dòng)作用下移至下一級(jí)篩板繼續(xù)干燥,直至完成干燥排出,干燥過(guò)程中煤塵由除塵器分離排出。熱風(fēng)干燥介質(zhì)由干燥器底部進(jìn)入并自下而上與物料充分混合,氣流在上升過(guò)程中由于多層傾斜篩板的阻擋會(huì)產(chǎn)生水平氣流,因此物料在干燥過(guò)程中同時(shí)存在水平逆流和垂直逆流,形成特有的混流干燥作用。唐山神州機(jī)械集團(tuán)研發(fā)的MFD混流干燥系統(tǒng)在150～200 ℃下對(duì)50～0 mm低階煤進(jìn)行干燥可脫除5%～10%的水分。趙斌等[81]采用振動(dòng)混流干燥機(jī)對(duì)神華金峰礦褐煤進(jìn)行干燥試驗(yàn),在進(jìn)口熱風(fēng)溫度100 ℃、給料量100 t/h下對(duì)0～50 mm褐煤進(jìn)行干燥,結(jié)果表明不同粒級(jí)褐煤水分下降不超過(guò)3%,水分脫除率低于1%。進(jìn)口溫度205 ℃,給料量100 t/h下對(duì)0～30 mm褐煤進(jìn)行干燥,褐煤水分由28.1%降至25.0%[82]。通過(guò)減小入料粒度和提高進(jìn)口溫度對(duì)振動(dòng)混流干燥工藝的干燥效果有一定提升作用。

圖8 振動(dòng)混流干燥工藝流程[81]

2.2.5 微波干燥

微波是波長(zhǎng)在1 mm～1 m,頻率在300～300 000 MHz的電磁波,不同物質(zhì)材料受到微波輻射會(huì)發(fā)生透射、反射、吸收現(xiàn)象,而微波吸收材料是微波加熱的主要對(duì)象,物料在微波場(chǎng)受介電損耗的影響從而被加熱,多相材料由于不同相物質(zhì)的介電損耗能力不同,因此多相材料可在微波場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)選擇性加熱某一相物質(zhì)而其他相物質(zhì)基本不受影響的效果[83]?；谖⒉ㄟx擇性加熱的特點(diǎn),微波在干燥煤樣時(shí)可直接加熱內(nèi)部水分使其蒸發(fā)脫除,實(shí)現(xiàn)了低階煤內(nèi)部水分的快速脫除[84]。

LIN等[63]研究了在微波場(chǎng)下褐煤的水分遷移規(guī)律,使用不同水分的褐煤樣品在微波場(chǎng)下進(jìn)行干燥試驗(yàn),干燥過(guò)程中在樣品裂隙附近發(fā)現(xiàn)液態(tài)水滴,表明褐煤在微波場(chǎng)下水分的變化是液態(tài)水和水蒸氣的耦合遷移,而煤中水分不均勻蒸發(fā)形成的蒸汽壓是水分遷移的主要驅(qū)動(dòng)力,在壓力梯度和溫度梯度的雙重作用下促進(jìn)了孔隙和裂隙的發(fā)育,部分液態(tài)水由此通道遷移至煤樣表面。HE等[85]利用SEM、FTIR、BET等表征方法研究微波場(chǎng)下昭通褐煤干燥后孔隙結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)變化,結(jié)果顯示微波干燥后褐煤表面出現(xiàn)大量裂隙和裂紋,含氧官能團(tuán)顯著減少,比表面積和孔體積較原煤均呈增大趨勢(shì),孔隙主要以微孔和中孔為主,因此微波干燥后可在一定程度抑制水分復(fù)吸。

盡管微波干燥具有快速干燥、選擇性加熱等優(yōu)點(diǎn),但其干燥過(guò)程的能量實(shí)際由電能轉(zhuǎn)換而來(lái),造成微波干燥能耗和運(yùn)行成本較高,且易造成煤炭過(guò)度干燥導(dǎo)致熱失控。部分學(xué)者將微波干燥與傳統(tǒng)蒸發(fā)干燥相結(jié)合,以此提高微波脫水的經(jīng)濟(jì)適用性。GE等[86]探究了微波干燥和熱風(fēng)干燥相結(jié)合的褐煤干燥方法,褐煤樣品首先進(jìn)行不同程度的熱風(fēng)干燥隨后進(jìn)行微波干燥,微波干燥在降速干燥階段可顯著提高干燥速率,結(jié)果表明2種干燥方式相結(jié)合可減少干燥時(shí)間和能耗。雖然微波干燥在降速干燥階段可加快干燥進(jìn)程,但含水量較低時(shí)采用微波干燥可能導(dǎo)致煤樣發(fā)生熱解或燃燒,其安全性較難保障。LIAO等[55]分析了微波干燥和固定床干燥的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),確定了前期采用微波干燥后期采用固定床干燥的脫水方式,前期采用微波干燥煤樣水分的大量蒸發(fā)會(huì)帶走熱量,不會(huì)導(dǎo)致煤樣發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象,而后期采用固定床干燥來(lái)控制煤樣中殘余水分雖然干燥速度較慢但安全性更高,使用微波干燥+固定床干燥的方式可提高干燥效率。

2.2.6 典型干燥技術(shù)對(duì)比

上文總結(jié)了不同干燥技術(shù)的干燥原理及應(yīng)用現(xiàn)狀,典型干燥技術(shù)見(jiàn)表3。滾筒干燥、沸騰床干燥、旋翼式流態(tài)化干燥使用熱煙氣作為干燥介質(zhì),其干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、干燥溫度高,處理量較大,已在我國(guó)實(shí)現(xiàn)一定工業(yè)應(yīng)用,解決了部分煤泥和粉煤的干燥脫水提質(zhì)問(wèn)題。但熱煙氣干燥熱量回收效率低、能耗較高,干燥過(guò)程需嚴(yán)格控制含氧量。由于低階煤化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng),燃點(diǎn)低,高溫?zé)釤煔飧稍飳?shí)際應(yīng)用過(guò)程存在煤炭揮發(fā)分析出、輕度焦化等現(xiàn)象,影響煤炭質(zhì)量。此外,熱煙氣干燥效果不均勻,可能出現(xiàn)大顆粒煤炭外圍干燥但內(nèi)部水分仍較高的情況,干燥寬粒級(jí)末煤時(shí)也會(huì)出現(xiàn)大顆粒水分較高而細(xì)顆粒過(guò)干燥現(xiàn)象,導(dǎo)致煤炭起火或粉塵爆炸,風(fēng)險(xiǎn)高、安全性差。因此,熱煙氣干燥未能完全解決寬粒級(jí)煤炭的干燥提質(zhì)難題。

表3 典型干燥技術(shù)對(duì)比

低溫蒸汽干燥安全性高,且蒸汽作為熱源回收效率較高,能耗較低,且無(wú)廢水廢氣排出,適用于粉煤、末煤干燥。但低溫蒸汽干燥過(guò)程煤炭與蒸汽間接加熱,煤炭仍處于空氣環(huán)境,無(wú)法徹底隔絕煤炭自燃風(fēng)險(xiǎn),低溫蒸汽干燥煤炭干燥管較多,設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,維護(hù)成本相對(duì)較高,限制了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。過(guò)熱蒸汽流化床干燥熱效率高且尾氣仍為蒸汽,可回收其潛熱,在蒸汽環(huán)境下無(wú)失火和爆炸危險(xiǎn)。但過(guò)熱蒸汽干燥設(shè)備復(fù)雜,對(duì)入料、排料系統(tǒng)、廢氣回收設(shè)備密封要求高,費(fèi)用高。過(guò)熱蒸汽加熱物料到蒸發(fā)溫度過(guò)程中會(huì)不可避免產(chǎn)生凝結(jié),同時(shí)煤炭顆粒粒度過(guò)大會(huì)惡化床層的流化效果,因此過(guò)熱蒸汽干燥主要應(yīng)用于粉煤干燥過(guò)程。

微波干燥具有選擇性加熱的優(yōu)勢(shì),干燥速率快,但能耗高,且干燥后期易出現(xiàn)熱失控,目前主要處于實(shí)驗(yàn)室/中試研究階段。

煤中不同類(lèi)型水分干燥脫除過(guò)程所需能量不同,煤炭水分脫除過(guò)程一般分為恒速干燥和降速干燥,通過(guò)合理控制各階段干燥能量的輸入或采用多種干燥方式相組合的方式實(shí)現(xiàn)高含水低品質(zhì)煤的高效脫水。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

1)總結(jié)了煤中水分的不同分類(lèi)方式,分析了煤物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的特性及干燥前后變化,揭示了煤炭物理化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)水分脫除和干燥后復(fù)吸的影響,結(jié)果表明小孔隙中或與含氧官能團(tuán)以氫鍵形式結(jié)合的水分脫除所需能量較大,在干燥過(guò)程較難脫除。不同類(lèi)型水分干燥脫除過(guò)程所需能量不同,煤炭水分脫除過(guò)程一般分為恒速干燥和降速干燥,通過(guò)合理控制各階段干燥能量的輸入或采用多種干燥方式相組合的方式實(shí)現(xiàn)高含水低品質(zhì)煤的高效脫水。

2)干燥后煤孔隙體積和含氧官能團(tuán)的減少可有效抑制水分復(fù)吸,干燥溫度在160 ℃以上存在部分含氧官能團(tuán)分解,但干燥溫度過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致煤炭氧化,甚至超過(guò)燃點(diǎn)導(dǎo)致燃燒和粉塵爆炸,因此可通過(guò)合理控制干燥溫度達(dá)到抑制煤樣干燥后復(fù)吸的問(wèn)題,降低干燥溫度以防煤炭出現(xiàn)爆炸、燃燒隱患。

3)煤炭的滾筒、沸騰流化床、振動(dòng)混流、旋翼式等干燥技術(shù)已在我國(guó)實(shí)現(xiàn)一定工業(yè)應(yīng)用,解決了部分煤泥和末煤的干燥脫水提質(zhì)問(wèn)題。但由于高含水的低階煤化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng),燃點(diǎn)低,部分干燥技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程存在煤炭揮發(fā)分析出、輕度焦化等現(xiàn)象,影響煤炭質(zhì)量,甚至導(dǎo)致粉塵爆炸,風(fēng)險(xiǎn)高、安全性差。

4)為克服現(xiàn)有干燥技術(shù)易過(guò)熱失控、安全性差、能耗大、成本高,脫水產(chǎn)品易復(fù)吸和易自燃等問(wèn)題,應(yīng)開(kāi)發(fā)高效的煤炭蒸汽干燥脫水技術(shù),其中蒸汽溫壓瞬態(tài)脫水技術(shù)通過(guò)“蒸汽傳熱-瞬態(tài)釋壓-水分閃蒸”實(shí)現(xiàn)脫水提質(zhì),具有傳熱效率高、低能耗、安全性高和抑制水分復(fù)吸的技術(shù)優(yōu)勢(shì),未來(lái)可將蒸汽溫壓瞬態(tài)脫水作為煤炭提質(zhì)的研究重點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高含水低品質(zhì)煤清潔高效利用,保障國(guó)家能源安全。