褐煤中水分类型的划分及微波和固定床干燥工艺的能耗分析

摘要

随着我国优质煤炭资源的大量消耗，褐煤等低阶煤的应用日趋重要。我国褐煤资源丰富，但褐煤较高的含水量导致其热值低、运输难。因此，在褐煤利用前，首先需要进行脱水提质。褐煤脱水提质方式包括固定床干燥、流化床干燥、微波干燥、水热提质等，其中微波干燥具有干燥速率快、选择性好等优点，固定床干燥技术成熟，但褐煤中水分赋存形态各异，在不同干燥工艺中脱水时需要的能量各不相同，对干燥过程中脱水能耗进行分析测试是褐煤脱水预处理操作必须关注的重点。基于此，论文进行了以下研究工作： （1）以含水量不同的内蒙褐煤及云南褐煤为研究对象，采用低温差示扫描量热仪（DSC）对褐煤中水分赋存形态进行了划分。结果表明，褐煤中水分可分为可冻水和不可冻水，可冻水又可分为自由水及可冻束缚水；内蒙褐煤及云南褐煤中水分含量大于40%db的部分为自由水，大于27%db小于40% db的水分归为可冻束缚水，小于27% db的归为不可冻水；通过冻结和升温过程中的DSC吸放热数据得到了云南褐煤及加湿后的内蒙褐煤的理论脱水能耗分别为2080±19 J/g H2O和2084±16 J/g H2O；实验结果显示，干燥气氛与煤表面含氧基团及水分子之间存在相互作用，进而影响脱水能耗；云南褐煤及内蒙褐煤在CO2气氛中的脱水能耗分别为2652±8 J/g H2O及2448±27 J/g H2O，较理论脱水能耗大。 （2）利用微波干燥装置对褐煤进行干燥实验，考察了操作条件对褐煤干燥特性及脱水能耗的影响。结果表明，450 W 功率微波场中褐煤很难完全干燥，当功率大于700 W时，褐煤脱水反应剧烈，容易发生轻微热解；当煤样用量较大时，气氛对其干燥特性影响很小。内蒙褐煤在较大功率微波场中容易释放出挥发分，需对其进行加湿处理。500~600 W 功率微波场中干燥50 g褐煤时，全水分的脱水能耗为8.6~15.3 kJ/g H2O，可冻水的脱水能耗为8.7~12.5 kJ/g H2O，不可冻水的脱水能耗为8.5~21.8 kJ/g H2O；粒径为1.00~3.00 mm及3.00~6.00 mm的内蒙褐煤全水分的脱水能耗分别为6.5~16.7 kJ/g H2O 和6.1~16.6 kJ/g H2O。 （3）采用自制的固定床装置对褐煤进行干燥实验，考察了操作条件对褐煤干燥特性及脱水能耗的影响。结果显示，云南褐煤及内蒙褐煤在固定床中最佳干燥温度分别为140~160 oC和120~140 oC。褐煤的慢速干燥也可以使其水分完全脱除，褐煤在慢速干燥初期的干燥过程较慢，随温度的升高，其干燥过程加快。120~160 oC 下固定床干燥 50 g 褐煤的脱水能耗为1.3~3.6 kJ/g H2O。随干燥温度的升高，其脱水能耗增大。气氛对脱水能耗影响不大，内蒙褐煤的脱水能耗较云南褐煤大。 （4）将固定床干燥和微波干燥进行耦合，探究了提质方式对干燥行为、以及干燥褐煤水分复吸行为的影响。结果表明，干燥褐煤时应采用先微波脱除自由水，后固定床脱除剩余水分的耦合工艺，此时能耗较低，所得提质煤的水分复吸量仅为原煤的1/3。

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