褐煤的等温乾燥特性及其脱水動力學研究論文

由於經濟的快速穩定發展，我國能源需求趨勢逐年增長，從而導致優質煤資源大量消耗，以至於難以滿足能源安全和環境保護的要求，因此如何對資源儲量相對豐富的低階煤(尤其是褐煤)進行清潔利用無疑成為能源和化工領域的研究重點。但褐煤中高水分含量(2500-6000)是其大規模加工利用的最大難題，因此要實現對褐煤的高效轉化首先必須對其進行脱水提質處理。褐煤是一種類似膠質體的毛細多孔性物質，水分存在於其多樣的孔結構中，而其豐富的親水性含氧官能團也以氫鍵的形式與水分結合，隨孔結構及含氧官能團的不同，褐煤與水之間的結合力有所區別，從而使得脱除不同賦存形態的水所需能量不同。國內外諸多學者為探索褐煤乾燥特性進行了研究，如印尼褐煤煤粉、馬來西亞褐煤顆粒、寧夏褐煤顆粒及錫盟褐煤的乾燥動力學等口習。在熱風乾燥過程中褐煤乾燥受擴散機理控制，有效水分擴散係數隨温度升高、相對濕度及樣品質量的減小而增大比。也有學者利用體積平均法對褐煤乾燥建立了單顆粒及乾燥理論模型。利用掃描電鏡檢測發現錫盟褐煤經乾燥後表而會出現斷裂、粉化等現象叫，而蒙東褐煤孔體積在熱壓作用下略有減小，但其受壓力的影響不如比表而積受壓力的影響明顯。目前，對煤低温乾燥中水分脱除行為與其結構變化間的關聯尚無明確瞭解，筆者擬通過兩種不同升温方式的等温薄層乾燥對褐煤進行乾燥脱水研究，並進行相應的動力學計算和擬合分析，由於低温乾燥條件下褐煤內部的官能團不會發生明顯改變，故主要表徵了乾燥過程中的物理結構變化，即比表而積和孔結構的變化情況，旨在分析乾燥過程中煤中水分的變遷行為，為褐煤脱水提質乾燥工藝的設計提供一定的理論參考。

1實驗部分

1.1煤樣的選擇

選取一種內蒙古褐煤為實驗用樣，煤樣的工業分析與元素分析。為避免煤樣在製備過程中的氧化，將其在氮氣保護下進行破碎、研磨、篩分，選取粒徑為0. 18-0. 25 mm的.煤粒作為實驗用樣。

1. 2儀器及方法

乾燥實驗採用美國的MB45水分快速測定儀，其加熱方式為鹵素加熱，速度為紅外水分測定儀的兩倍，在乾燥過程中能夠持續測量樣品重量並在電腦上顯示結果。每次取樣約59，採用兩種升温方式進行褐煤乾燥，方法a是樣品直接快速升温到指定温度(60, 80, 100, 120 0C)進行樣品的恆温乾燥;方法b是將樣品在50℃恆温20 min，隨後快速升温到指定温度，然後進行恆温乾燥實驗。當1 min內質量減少小於1 mg時被認為達到乾燥平衡，乾燥實驗在持續穩定的氮氣流(400 mImin)保護下進行。

不同乾燥程度煤樣的孔結構特性及其比表面積採用北京精微高博科學技術有限公司的J W-BK122 W靜態氮吸附儀進行測定，為保證所得數據的可靠性和基準一致性，測定前需將煤樣在 60℃下加熱270 min進行預處理。

2實驗結果與討論之褐煤乾燥過程中孔結構及比表面積的變化

為了探究兩種乾燥方式對煤孔結構造成的影響，用低温氮吸附法對不同温度條件下乾燥所得煤樣的孔結構和比表面積的變化情況進行表徵。

顯示了依照方法a乾燥所得煤樣的孔體積V隨温度升高而增大，100℃時達到最大值，繼續升温至120℃有所降低，其平均孔徑在60℃和80℃乾燥時變化不大，100℃時升高，而在120℃時又有所降低，這應該是由於低温下，褐煤乾燥主要脱除外水而騰空了部分大孔隙，導致其孔體積增大，而隨温度升高，褐煤的類膠質體特性導致其失去內在水分時體積發生收縮造成的。另外，褐煤內部的孔徑範圍主要是大中孔，平均孔徑的變化程度較大程度上取決於大孔的變化，如前所述，低温乾燥時煤樣主要脱除外水，致使在大孔範圍內，較大孔先均勻塌陷成較小的孔，但表現為平均孔徑變化不明顯，當120℃乾燥時內水的脱除引發強度更大的收縮，大孔部分塌陷至中孔，故平均孔徑有減小的趨勢。方法b製得樣品的平均孔徑均小於方法a製得的樣品，其在80℃時最大、100℃時最小，而孔體積則明顯大於方法a乾燥製得的煤樣，且隨温度升高呈逐漸增大的趨勢，這可能是由於在恆温乾燥過程中，經過50℃乾燥預處理後的煤樣其孔結構的破壞程度大於直接乾燥所得煤樣。

兩種方法下煤樣乾燥過程中，比表面積均是隨温度升高而略有增大，而方法b製得樣品的數值相對較大，低階煤的表而積主要由中孔決定。可以這樣理解，温度升高，煤樣的乾燥程度加深，導致大孔坍塌成為中孔，中孔比例略有增多，從而使得比表面積增大。方法a的最可幾孔徑隨乾燥温度升高呈現略增的趨勢，預處理煤樣方法b製得樣品的最可幾孔徑隨温度升高而略有減小。因此，不同的升温方式對煤樣乾燥過程的物理結構變化具有顯著影響。

2.1褐煤等温乾燥特性

引入無量綱水分比進行褐煤乾燥特性的考察，定義為某時刻待除去的水與初始水含量之比。這是因為其表示的乾燥曲線與濕物料的初始水含量無關，為乾燥實驗數據的分析提供方便。

3結論

褐煤薄層乾燥脱水過程可以用升速乾燥階段和降速乾燥段來描述。隨温度升高，乾燥速率增大，但升温方式不同，對乾燥速率的影響各不相同。脱水過程中，温度升高，乾燥煤樣的孔體積呈先增大後減小，比表面略有增大，平均孔徑的變化較能反應大孔的變化情況。先經50℃預處理，然後進行恆温乾燥的方法對褐煤孔結構的破壞相對顯著。修正的Henderson and Pabi模型能較好地用於實驗所用褐煤等温薄層乾燥過程的描述，採用Arrheniu方程計算所得褐煤脱水的平均表觀活化能約為25 kJ /mol，脱除吸附水的活化能約為31 kJ/mol。