褐煤負壓干燥動力學研究

榮令坤，印萬忠，白春華，初 茉

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110004；2.內蒙古科技大學礦業工程學院，內蒙古包頭014010；3.中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京100083）

礦業縱橫

褐煤負壓干燥動力學研究

榮令坤1，2，印萬忠1，白春華2，初 茉3

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110004；2.內蒙古科技大學礦業工程學院，內蒙古包頭014010；3.中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京100083）

運用真空干燥箱，進行了不同壓強、不同溫度組合下的褐煤負壓干燥試驗研究，根據煤樣含水率與干燥時間之間對映規律，提出一個簡單數學模型，并引入干燥壓強、干燥溫度有關的系數k、m，得到褐煤負壓干燥的動力學方程及干燥速率方程另外，對干燥溫度和壓強對煤樣終點含水率的影響進行了分析探討，結果表明：使煤樣水分能夠徹底脫除的煤內孔隙半徑均在納米級，環境壓強越小、溫度越大，煤樣最終含水率越小，說明煤中存在大量盲孔，小的外輸能量（壓力梯度、溫度梯度）不足以使盲孔破裂。

負壓；動力學；褐煤；干燥

褐煤的顯著特點是含水量大（收到基含水30%～40%），這與其表面含氧官能團豐富，孔隙發達直接相關，總體上講，煤中水分為體表自由水、體內束縛水和化學結合水，體表自由水容易脫除，體內束縛水又分為毛細管水、孔隙吸附水，由于毛細作用、與煤中含氧官能團形成氫鍵，使其脫除較難［1-2］。總之，高含水的褐煤直接燃燒會帶來能耗和CO2排放增多的問題，同時也導致了運輸費用增加，限制了褐煤的利用［3-4］。因此，研究褐煤的干燥特性，開發褐煤干燥提質工藝已經成為褐煤潔凈利用研究的一個重要方向。

數名學者［5-6］對此進行了實驗室基礎研究，分析了干燥條件對褐煤干燥速率的影響及機理，并進行了干燥動力學分析。郭治等［7］認為干燥過程中可忽略液態水遷移，水分減少主要靠水蒸發為蒸汽再擴散出煤粒，據此建立了煤粒水分縮核動力學模型，試驗表明其能簡便、準確的模擬褐煤的干燥動力學行為。熊程程等［8］通過對褐煤薄層等溫干燥實驗結果進行分析，也認為褐煤干燥主要受煤粒內部水蒸

氣擴散機理控制，Page模型能較好的模擬褐煤的干燥脫水過程，王濤等［9］在褐煤干燥研究中也得出同樣的結論。Hong-jun Zheng等［10］進行了不同粒度、不同干燥溫度下單個煤粒的氮氣氣氛下的高溫干燥實驗，利用改進了的煤粒縮核模型，根據克努森擴散定律，推導出煤粒高溫干燥的速率方程，并計算了不同煤粒尺寸下的煤中水分擴散的平均活化能。

目前，褐煤的負壓干燥研究鮮有報到，負壓環境下褐煤的干燥行為及動力學模型研究很少，基于此，采用真空干燥箱，進行了褐煤的負壓干燥實驗研究，根據實驗結果，推導了褐煤負壓薄層干燥的動力學方程，并對干燥環境和終點含水量的關系進行了分析。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與設備

煤樣為鄂爾多斯地區所產褐煤，收到基煤樣經顎式破碎機破碎，方孔篩篩分，考慮煤粒較大操作不便，煤粒較小易被水蒸氣帶走，實驗取13～6mm粒級，再縮分裝入塑料密封袋保存，每袋45g，煤樣的工業分析、元素分析如表1所示，其中，元素分析在EL cube CHNSO型元素分析儀（德國Elementar公司）上進行。

表1 煤樣工業分析和元素分析/wt%

試驗在南京產DZF-6210型實驗室真空干燥箱中進行，此干燥箱控溫范圍：室溫～523K；可達真空度：133Pa；恒溫波動度：±1K；溫度分辨率：±0.1K；定時范圍：1～9999min。試驗中物料的稱量采用上海精密牌分析天平，型號FA2204B，稱量范圍0～220g，測量精度0.1mg。

1.2 試驗過程

試驗分12組分別進行，分組情況見表2，每組設3個水平，結果取算術平均值，具體操作是：將每袋煤樣分為3份，每份質量為15±1g，分別記為M01、M02、M03，放入預先干燥并稱重的3個稱量皿中，鋪平并蓋上蓋子，放入預先升溫到試驗溫度的真空干燥箱中，揭去稱量皿蓋子，關閉真空干燥箱密封門，并快速開啟真空泵，箱體內壓強迅速降低，待箱體中達到預定真空度后，關閉真空泵與干燥箱通路的閥門，煤樣即在設定試驗環境下脫水干燥，之后每隔一定時間將煤樣分別稱重記為Mj1、Mj2和Mj3，操作中打開真空干燥箱密封門之后要迅速將裝有煤樣的3個稱量皿蓋上蓋子，再拿出并快速在分析天平稱量，以盡量減少試驗誤差，那么時間ti時的煤樣百分質量W由式（1）計算得到。

每組試驗進行到間隔10min，煤樣失重小于1%時，即停止記錄數據，讓煤樣在設定實驗環境下繼續干燥，直到整個試驗用時為12h，停止試驗，記錄數據并計算得到該干燥環境下煤樣的終點百分質量。

表2 煤樣干燥分組

2 試驗結果和討論

2.1 褐煤負壓干燥動力學

圖1是338K、20k Pa環境下，褐煤的負壓干燥脫水失重曲線。

圖1 煤樣干燥失重曲線（338K，20kPa）

樣品含水率，如式（2）所示。

式中：W為為某一時刻樣品質量百分數，%；W0為

為樣品在20k Pa、423K環境下干燥失重后維持恒定的質量百分數，實驗認為此條件下得到的煤樣已經完全干燥，其值為72.08%。

圖2為同一壓強不同溫度下或同一溫度不同壓強下煤樣的含水率隨時間變化的曲線圖，由圖可以看到這樣一種現象：干燥初期，煤樣的含水率降低很快，隨著干燥時間的延長，含水率降低速度減慢。產生這種現象的原因是煤炭水分分為表面水、體內毛細水、結合水，其中體表水最容易蒸發，毛細水次之，結合水最難，干燥脫水初期，脫掉的是體表水，速度較大，隨后就是毛細水，由于水的表面張力，毛細水脫除難易與毛細管直徑直接相關，毛細直徑越小，所需蒸發熱越大，越難脫除。

因此，在最簡單的情況下，可以假定煤樣的干燥速率與該瞬間煤樣的含水率成正比，根據這個假設可以得如式（3）所示關系。

式中：t為干燥時間，min；k為比例系數，決定于干燥條件，負號表示含水量減少。

用分離變量法求解式（3）微分方程式，得到式（4）、式（5）。

設X0為煤樣的初始含水量，在干燥開始時，t=0，X=X0，從而C=ln X0。將C值代入式（5），得到式（6）。

考慮到壓強、溫度等也會影響到煤樣的含水率隨時間的變化，引入參數m，得到煤樣負壓干燥動力學方程（式（7））。

將式（7）取兩次對數，得到式（8）。

應用最小二乘法將圖3中12組數據分別進行線性擬合，得到不同壓強及溫度條件下煤樣的負壓干燥動力學方程，見表3。

圖2 煤樣干燥含水率曲線

表3 褐煤負壓干燥動力學方程參數

圖3隨干燥時間變化曲線

由表3可知：12組試驗數據的線性擬合相關系數均在0.96以上，說明式（7）完全適用于不同溫度不同壓強組合下煤樣負壓干燥過程，但此方程不能滿足一個邊界條件，因為只有t=∞時，煤樣的含水率才等于零。雖然如此，煤樣含水率在相當大的范圍內，這個方程式還是適用的。

褐煤負壓干燥動力學如用式（7）表示，則干燥速率見式（9）。

不同壓強、不同溫度組合下的煤樣干燥速率方程見表3。煤樣干燥動力學方程中m和k的值也可以應用解析幾何的方法，在式（8）描述的直線上選取點1〔lgt1，lg（lg X0/X1）〕和點2〔lgt2，lg（lg X0/ X2）〕，不難找出：直線的斜率m和直線的截距k，如式（10）、式（11）所示。

從式（10）、式（11）可以看出，參數m與時間的單位無關，與對數的種類也無關；參數k與時間的單位有關，但與對數的種類無關。由于試驗數據太少，不能用統計學的方法明確m、k與試驗條件（壓強、溫度）的關系，但根據文獻［10-11］，顆粒尺寸越小，或小尺寸顆粒在粒群中占多數，整體煤料的比表面積就越大，傳熱傳質的速度就越快，煤粒干燥速度就越快；煤料的孔徑分布中微孔越多，由于毛細凝聚作用，煤粒干燥速率就越低，故推斷m、k值與干燥煤料的性質（顆粒組成及均勻度、顆粒孔徑分布、比表面積等）和干燥環境（溫度、壓強）等有關。

2.2 干燥環境對煤樣終點含水率的影響

表4為不同壓強、不同溫度下褐煤干燥的終點含水率，每組實驗均進行12h，以達到徹底干燥。由

表4可知：環境壓強與溫度均能影響煤樣的終點含水率，環境壓強越大，同樣溫度下得到煤樣的終點含水率越大，煤樣脫水程度越低，低壓有助于脫水；溫度越高，煤樣的干燥程度越深。

褐煤孔隙發達，水分的蒸發將受到毛細管濃縮作用的影響，根據Kelven公式，得式（12）。

式中：R為氣體常數；T為溫度；P為液滴或氣泡的蒸汽壓；P0為平面液體對應的飽和蒸汽壓；γ為表面張力；M為液體的摩爾質量；ρ為液體密度；r為液滴或氣泡的曲率半徑，且前者大于零后者小于零。毛細管內彎液面曲率半徑r，毛細管半徑r′及液體與管壁的接觸角θ之間存在關系r=r′/cosθ，代入式（12）得毛細凝聚形成彎液面條件下對應的Kelven公式見式（13）。

式中：負號表示彎曲液面曲率半徑小于零。由式（13）可知：彎曲液面相應的蒸汽壓P小于平面液體對應的飽和蒸汽壓，并隨著毛細管半徑r′的減小，P變得更小，即毛細管濃縮作用加強，從而使液體蒸發的更困難，蒸發速率降低。

根據式（13），假設煤樣中孔隙結構均是開放的毛細管結構，并以極端情況下考慮（液滴或氣泡的蒸汽壓P為環境壓強，其實絕對小于環境壓強），可以計算得到能使毛細管內水完全蒸發的毛細管最小半徑（理論毛細管徑）。如表4所示，除第4組、7組、10組（沒能計算數據）外其余9組的理論毛細管徑均在納米級，水分子的半徑約為0.4nm，意味著，只要干燥時間足夠，9組試驗大部分均能將煤中水分脫除徹底，但試驗結果卻不同，原因可能是煤中孔隙結構有些是盲孔，沒有足夠的外輸能量（壓力梯度、溫度梯度）不足以使其破裂變為通孔，所以干燥環境壓強越小、溫度越高，煤樣最終含水量越小，脫水越徹底；相反，則使一些盲孔中的水不能脫除，所以最終含水量較大。

表4 褐煤負壓薄層干燥的終點含水率

3 結 論

1）褐煤負壓薄層干燥的動力學方程為X= X0e-ktm，煤樣含水率在相當大的范圍內，這個方程式是適用的，對應的負壓干燥速率方程為= X0e-ktm（-kmtm-1），其中參數k和m與煤炭性質和干燥條件有關。

2）根據開爾文公式，使煤樣水分能夠徹底脫除的毛細管經均在納米級，有些甚至小于水分子的半徑，但它們的干燥最終含水率卻不相同，環境壓強越小、溫度越大，煤樣最終含水率越小，說明煤樣中存在大量盲孔，小的外輸能量（壓力梯度、溫度梯度）不足以使盲孔破裂。

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Study on the drying kinetics of lignite under negative pressure

RONG Ling-kun1，2，YIN Wan-zhong1，BAI Chun-hua2，CHU Mo3
（1.Institute of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China；2.Institute of Mining Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China；3.Institute of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

Drying behaviors of lignite were studied with a vacuum drying oven under different pressures and temperatures in this study.A mathematical model was established according to the curves of the water content for different drying times to explain the kinetics of lignite drying.Further analysis explained the influence of pressure and temperature on final moisture content.The result suggests lower pressure and higher temperatures cause smaller final moisture contents，which indicates the existing of abundant blind holes in coal and the pressure and temperature gradients should be large enough to rupture the blind holes.

negative pressure；kinetics；low-rank coal；drying

TQ052

A

1004-4051（2016）09-0131-05

2015-05-22

國家自然科學基金與神華集團有限責任公司聯合資助項目“熱提質對褐煤水分復吸特性的影響規律研究”資助（編號：U1261101）；內蒙古科技大學校內創新基金項目資助（編號：2011NCL052；2014QDL03）

榮令坤（1983-），男，河北清苑人，博士研究生，講師，科研方向為為煤炭清潔轉化與綜合利用。E-mail：rlk090508@ 163.com。