褐煤微波干燥及水分迁移特性试验研究

摘要

我国褐煤资源丰富，但其高水分、高挥发分、低热值、易自燃等特点，使得褐煤直接利用效率低、经济性差，需对褐煤进行提质后利用。褐煤众多利用途径中，脱水是提质第一步。传统的干燥工艺，通常采用热风或蒸汽进行，但加热速度慢、工艺复杂、环保处理难。由于微波干燥具有选择性、穿透性、高效性和即时性等优点，结合水分作为极性分子是强吸波介质，本文以中国内蒙古东部的典型褐煤为研究对象，采用微波的介电加热技术探索褐煤干燥的特性，通过试验揭示褐煤微波干燥过程中水分的迁移转化规律，并提出提高褐煤微波干燥安全性的措施。通过开展褐煤微波干燥的研究，希望对褐煤微波干燥技术的工业应用提供基础数据和理论参考。
　　首先，本文进行了不同影响因素（微波功率、煤样粒径、煤种、煤样余温、抽湿方式）下的褐煤微波干燥特性试验，考察褐煤微波脱水机理。结果表明，褐煤微波干燥过程分为三段:恒重段、快速失重段、慢速失重段，其中快速失重段和慢速失重段划分以临界含水率为界;并给出“饱和功率”这一概念，定义为某一粒径的一定质量煤样在微波干燥下的最佳功率，大于或小于饱和功率均使临界含水率增大，干燥程度降低;煤样粒径对干燥效果的影响与传统干燥不同:三种粒径煤样临界含水率依次为粉煤（小于0.2mm）＜块煤(8～12mm)＜粒煤(1～4mm)，相应的干燥效果依次为粉煤＞块煤＞粒煤;在不同煤质研究中发现煤样含水率是导致不同煤样升温和失重不同的最主要因素，含水率越高升温、失重越快，而煤质则决定了煤样的干燥程度;微波干燥后的余热，可以使煤样含水率继续降低1～2个百分点，其中煤样表面温度在60℃以上时的余热，对降低煤样含水率较为明显;对干燥系统中抽湿设备进行简单模拟，发现抽湿速率越大，煤样温度越高，着火风险提高，需对抽湿速率严格要求;通过对干燥过程中煤样内外水的分析，发现相比常规干燥微波干燥脱除内水具有一定效果，且两种干燥方式均是在煤样自由水大部分脱除后，内水才开始大量脱除。
　　通过对干燥后煤样物化性质的分析，发现经过微波照射的煤样热值提升，且当含水率每降低1个百分点，热值增加约60-65kcal/kg;干燥后煤样中的羟基和羧基含量及氧含量均呈下降趋势，表明微波照射可以使煤阶提升;干燥后煤样孔隙发生变化，总孔容和总比表面积先减小后增大，而褐煤的微孔孔容和微孔比表面积则是先增大后减小。干燥后褐煤的回吸试验表明，微波干燥并不能很好的抑制煤样回吸，不同粒径煤样干燥到相同含水率时，粒径越小回吸越明显。微波干燥后褐煤的燃点比常规干燥法燃点高约6℃，微波干燥后自燃和燃烧的倾向稍低，体现微波干燥独特性。
　　为降低褐煤干燥过程中的着火风险，通过调节微波功率分配方式、煤样温度、气氛氧含量等手段探寻抑制煤样着火的方法，结果表明:微波间歇加热方式可使煤样温度维持在70℃～90℃之间，且干燥过程更具安全性;控制煤样表面温度90℃、降低氧气浓度可以有效降低着火风险，并能使煤样达到深度干燥。
　　最后，本文对块状褐煤内部水分脱除形态进行了研究，结合煤样内部不同位置含水率和温度的对比分析，发现由于微波干燥过程中煤样内部压力升高，在“泵”效应的作用下，煤样中的部分水分以液态或气态形式从煤样内部快速排出，且数量可观的液态水聚集或喷离褐煤外表面，这些发现为通过非蒸发方式收集这些液体水分提供了可能，从而减少水分汽化的能耗，进而提高微波整体干燥效率。鉴于此，对于微波干燥来说，可直接采用较大粒径的块状煤样，不但可以有效降低破碎过程的能耗，而且也有望获得较好的干燥效果，以体现微波干燥的优越性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 褐煤利用方式

1．3 褐煤脱水工艺简介

1．3．1 蒸发脱水

1．3．2 非蒸发脱水

1．3．3 微波干燥

1．4 褐煤微波干燥研究进展

1．5 本文研究内容

第2章 褐煤微波干燥特性试验研究

2．1 引言

2．2 试验系统与设计

2．2．1 微波干燥试验系统

2．2．2 试验步骤

2．2．3 试验煤样

2．3 褐煤微波干燥的影响因素研究

2．3．1 微波功率的影响

2．3．2 煤样粒径的影响

2．3．3 煤质的影响

2．3．4 物料余温的影响

2．3．5 抽湿的影响

2．4 褐煤微波干燥提质效果

2．4．1 干燥样品的热值分析

2．4．2 含氧官能团变化

2．4．3 孔隙结构变化

2．4．4 微波干燥和常规干燥脱除内外水比较

2．4．5 微波干燥褐煤回吸特性

2．5 本章小结

第3章 褐煤微波干燥着火特性

3．1 不同功率大小的影响

3．2 不同功率组合方式的影响

3．3 微波间歇加热的影响

3．4 煤样终温的影响

3．5 氧含量的影响

3．6 微波干燥与常规干燥煤样燃点比较

3．7 本章小结

第4章 微波干燥褐煤水分迁移特性试验研究

4．1 试验设计

4．2 脱水过程中煤样表面处水分析出情况

4．3 脱水过程中煤样内部含水率和温度变化

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望与不足

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要成果