高溫干燥對褐煤孔隙結構及水分復吸的影響探討

孫園園 尤長升 王廣潤 張蕾

摘 要：褐煤因其水分含量比較大，影響存儲、運輸和利用，需要進行干燥處理。論文主要研究高溫干燥對褐煤孔隙結構及水分復吸的影響，總結褐煤經(jīng)高溫干燥處理后，其孔隙結構及水分復吸的規(guī)律，希冀能為褐煤高溫干燥處理提供一定參考與借鑒。

關鍵詞：褐煤;高溫干燥;孔隙結構;水分復吸;影響

褐煤脫水技術主要有蒸發(fā)干燥技術和非蒸發(fā)干燥技術。傳統(tǒng)的蒸發(fā)脫水干燥工藝大多是低溫干燥，現(xiàn)在多采用高溫干燥技術。高溫干燥技術優(yōu)勢比較顯著，能降低干燥介質用量，防止高品位能量變成低品位能量，干燥成本也比較低。研究高溫干燥對褐煤孔隙結構及水分復吸的影響，將能對預測和控制褐煤燃燒過程提供有益的幫助。

一、實驗材料和方法

（一）實驗材料

實驗所用的褐煤選取的是寶日希勒褐煤，依據(jù)GB 474-2008煤樣的制備方法，對原煤進行破碎，將其碎至粒徑<3 mm。對實驗所用的褐煤進行煤質分析，可以發(fā)現(xiàn)其為年老褐煤，具有全水分高、灰分中等、發(fā)熱量較低等顯著特征。

（二）實驗方法

1、選擇實驗裝置。選擇臥式固定床實驗爐來進行本次褐煤高溫干燥實驗。將5g樣品放入干燥籃中，將干燥籃放置在操作桿前端的樣品槽內，將其推入冷卻室中。冷卻室中氮氣流量為0.3 L/min，干燥室中氮氣流量為0.5L/min，通氣30 min，目的是對干燥室與冷卻室中的空氣進行置換。當干燥室溫度升到600、700、800℃三個設定溫度后，再將樣品欄快速推到干燥室中央，30 s后再迅速抽出，使樣品槽在冷卻室氮氣中冷卻至室溫，之后將樣品取出。

2、水分復吸實驗。為研究高溫干燥的褐煤孔隙結構變化對水分復吸的影響，將干燥后的煤樣放置在恒溫恒濕箱中進行水分復吸實驗。恒溫恒濕箱的溫度為30℃，相對濕度為96%，干燥后的褐煤水分復吸實驗復吸時間為6 d，當干燥前和吸濕后的質量差小于初始質量的0.1%后，就認為水分復吸實驗成功。

3、孔隙結構測定。應用NOVAtouch型比表面積及孔徑測定儀測定煤樣的孔隙結構，應用t圖法確定煤樣的微孔體積及孔比表面積;;應用BJH吸附模型分析中孔和大孔孔徑及孔體積分布情況。為保證測試結果的準確性，稱取2-3 g煤樣，放置在150℃真空脫氣4 h，將其雜質氣體去除掉。然后，再將樣品放置在盛有77.3 K液氮的杜瓦瓶中，將杜瓦瓶與分析儀器連接，得到不同壓力下的氮氣吸附量，再根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行測定。

二、實驗結果與討論

（一）孔隙結構特征分析

從圖1可以看出，原煤及不同溫度干燥后半焦的低溫氮吸附等溫線均屬第Ⅱ類，曲線前半段緩慢上升，說明在壓力不斷增加的情況下，單層吸附結束，開始多層吸附;曲線后半段急劇上升，說明水分吸附量增加比較快速，毛細凝聚開始發(fā)生并接近飽和蒸氣壓，但還沒有達到吸附飽和。實驗結果顯示，褐煤及其脫水后半焦的孔隙，都是由小到大的連續(xù)孔系統(tǒng)。符合已有的文獻研究結果。根據(jù)吸附和凝聚理論可以判斷，毛細管形狀各不相同，同一孔的凝聚與蒸發(fā)時的相對壓力也存在差異，但是，凝聚與蒸發(fā)的相對壓力如果一樣，吸附等溫線的吸附分支與解吸分支就會發(fā)生重合;反之，吸附分支與解吸分支就會分開，形成吸附回線。從圖1中可知，YM原煤、YM-600℃、YM-700℃的吸附回線為L1型，其回線較不明顯，說明煤樣的孔系統(tǒng)以Ⅱ類孔為主，其狀如平行板狀孔、圓筒形孔、錐形孔，孔一端封閉。YM-800℃的回線呈現(xiàn)出從L1型轉變?yōu)長2型的特點，且吸附分支和解吸分支分開比較明顯，說明在此高溫條件下，孔隙系統(tǒng)變得更加復雜多樣。

（二）比表面積與孔體積分析

從實驗過程來看，隨著褐煤干燥溫度不斷升高，干燥半焦的褐煤比表面積呈現(xiàn)出先緩慢增大，然后逐漸減小的規(guī)律。整體來看，孔容積的變化趨勢是隨著干燥溫度升高而減小的，變化平緩。通過歸因分析，主要是因為褐煤高溫干燥過程中，所含的水分蒸發(fā)快速，加上亞甲基、甲基、羧基等活性物質也開始發(fā)生分解，就使得原煤中部分封閉孔打開，從而使得半焦的比表面積增加。同時，因為半焦介孔孔壁的增加，也使得孔容積不斷地變小。在800℃高溫條件下，褐煤的干燥半焦比表面積最小，大約減少了20%左右。高溫和快速脫水導致孔結構發(fā)生收縮，引發(fā)了半焦孔結構坍塌或貫通，所以才會出現(xiàn)比表面積下降、平均孔徑增大的情況。

（三）褐煤孔隙結構分形特征

從實驗過程來看，如果相對壓力較小，那么吸附曲線和解吸曲線就呈現(xiàn)基本重合的情況，氮氣分子先出現(xiàn)單層吸附，在孔表面，比氣體分子大的孔徑都會被填滿，隨著吸附的不斷發(fā)生，吸附曲線也逐漸平緩地上升。在相對壓力增大的條件下，氮氣分子從單層吸附發(fā)展到多層吸附，吸附曲線呈現(xiàn)出吸附滯后的情況，其原因主要是不同壓力段煤樣與氣體間的吸附作用機制不同。研究顯示，顆粒表面粗糙度及內部孔隙結構與半焦的比表面積緊密相關，介孔的變化對空間性質影響更大。在干燥溫度不斷升高的條件下，半焦的比表面積緩慢增大，相應地，煤顆粒表面粗糙度也在不斷地增加。當達到800℃高溫時，因在此條件下產(chǎn)生了快速射流沖擊壓力和熱應力作用，就使得半焦出現(xiàn)缺陷和裂紋，小顆粒數(shù)目不斷減少，因而半焦的比表面積也在不斷地減小。不過，半焦YM-800℃在2-20 nm范圍的孔徑微分變化是相對平緩的，這提示在該條件下，半焦的部分小孔隙出現(xiàn)封閉，孔隙結構的粗糙度降低，半焦小孔隙網(wǎng)絡結構減少。

（四）水分復吸分析

600、700、800℃干燥溫度處理后半焦的水分復吸率，在不同的時間段上，其變化曲線見圖2。水分復吸率在600、700、800℃干燥溫度下，半焦的復吸率曲線總體變化趨勢基本保持一致。在復吸剛開始時，復吸速率比較快，水分含量增加也非常快速，隨后，漸漸保持平穩(wěn)，提示在溫度不斷增加的情況下，水分復吸率呈現(xiàn)出逐漸降低的特征。

在600、700、800℃溫度條件下，干燥的半焦在2-20 nm范圍內孔徑分布波動是相對較大的。由于半焦表面孔隙的水分吸附是在介孔和大孔內進行的，這就說明干燥過程中半焦大孔和介孔變化會影響到平衡含水率，而褐煤孔隙結構變化也會影響賦存水分的表面和孔體積。水分復吸率與干燥溫度成反比趨勢，與孔體積的變化規(guī)律接近。這說明在高溫干燥中，褐煤孔體積越小，其水分復吸量也就越小。

三、結語

綜上所述，高溫干燥對于褐煤孔隙結構及水分復吸高溫具有重要的影響，高溫干燥下半焦的等溫吸附曲線均屬于第Ⅱ類吸附等溫線，YM-800℃干燥半焦的吸附回線有從L1型轉變?yōu)長2型的趨勢;干燥半焦的比表面積隨干燥溫度升高先增大后減小;介孔的變化對褐煤空間結構影響更大;不同干燥溫度下半焦的水分復吸曲線變化趨勢相同，呈現(xiàn)出先快后趨緩的特點，最終達到平衡。

參考文獻：

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