煤中水分存在形式及不同能量作用下的脫除機理探究

袁真平

(霍州煤電集團 李雅莊煤礦選煤廠，山西 霍州 031400)

我國是煤炭消耗大國，煤炭在我國作為一次能源得到了廣泛的應用[1]。但近些年，隨著煤炭開采的機械化和開采年代的久遠，細粒煤含量逐漸增加，且高品質煤的含量逐漸減少[2]。低變質程度的煤種，水分含量較高，且煤結構中含有豐富的親水性含氧官能團，揮發分高，發熱量低，經濟效益較差。同樣作為燃料發電，其二氧化碳排放量比高變質程度煤種高20%[3-4]。水分含量較高還限制了低變質程度煤種的遠距離運輸，增加運輸成本，增加自燃風險[4]。因此了解煤結構中水分存在形式，及對煤進行高效脫水勢在必行。本文采用了真空干燥、熱風干燥和微波干燥三種干燥方式對不同粒度的煤進行干燥，探究了不同作用能量下溫度及煤粒度對煤干燥機理的探究。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

本實驗用的煤樣經篩分破碎后得到不同粒度的煤樣，粒度分布如下：<0.18 mm、0.18～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～3 mm、3～6 mm.將不同的煤樣裝在塑封袋后置于干燥器內備用。

1.2 實驗儀器

實驗用到的儀器主要有：SDZF6090真空干燥箱(上海蘇達實驗儀器有限公司)、101-2型電熱鼓風干燥箱(康恒儀器設備有限公司)、G80D23CSP-135CB01微波爐(GALANZ)和FTIR-7600傅里葉紅外光譜儀(天津港東科技發展股份有限公司)。

1.3 真空干燥實驗

準確稱取一定質量的煤樣置于稱量瓶中，調節干燥箱的真空度為0.05 MPa，設定干燥溫度為60～200 ℃，每20 ℃為一個間隔，干燥時間為10～60 min，每10 min為一個時間間隔。干燥完成后，煤樣置于干燥器中冷卻至室溫，稱取干燥后樣品的質量。

1.4 熱風干燥實驗

準確稱取一定質量的煤樣置于稱量瓶中，放入鼓風干燥箱中，設定干燥溫度為60～200 ℃，每20 ℃為一個間隔，干燥時間為10～60 min，每10 min為一個時間間隔。干燥完成后，煤樣置于干燥器中冷卻至室溫，稱取干燥后樣品的質量。

1.5 微波干燥實驗

準確稱取一定質量的煤樣置于稱量瓶中，調節微波功率為800 W，微波頻率為(2 450±50)Hz，設定干燥時間為30 s至15 min，每30 s為一個時間間隔，干燥完成后，煤樣置于干燥器中冷卻至室溫，稱取干燥后樣品的質量。

1.6 傅里葉紅外光譜測定

準確稱取干燥后的煤樣，與溴化鉀(光譜純)以1∶100的比例混合，研磨壓片，收集400～4 000 cm-1范圍的紅外光譜圖。

2 結果與討論

2.1 真空干燥下溫度及粒度對煤樣脫水效果影響

2.1.1 真空干燥下溫度對煤樣脫水效果影響

從圖1可以看出，煤樣粒度對煤樣干燥后水分含量的影響不是很明顯，粒度為0.5～1 mm煤樣與粒度為1～2 mm的煤樣，干燥曲線的趨勢相一致。真空干燥條件下，干燥溫度對煤樣的干燥影響較大。干燥溫度為60～100 ℃，隨著干燥時間的增加，煤樣水分百分含量降低，干燥溫度越高，干燥后煤樣水分百分含量越低；干燥溫度為120～160 ℃，在前20 min內煤樣水分百分含量迅速降低，繼續干燥后，含水量降低緩慢；干燥溫度為180～200 ℃，在前10 min內煤樣水分百分含量迅速降低，10～20 min內煤樣含水量降低緩慢，繼續干燥后，煤樣的含水量幾乎不發生變化。這是因為，真空干燥條件下，煤樣表面水分迅速蒸發，繼續增加熱量，熱量滲透到煤樣顆粒內部，使得顆粒內外形成一定的壓力差，推動水分的蒸發，當達到一定推動力后，內部阻力的增加阻礙了內部水分的擴散，使得干燥速率減緩，煤樣水分含量維持平衡[5-6]。

2.1.2 真空干燥下粒度對煤樣脫水效果影響

從圖2可以看出，不同粒度的煤樣，在真空干燥條件下，煤樣干燥60 min后含水量值一樣。粒度為3～6 mm的煤樣，在前20 min內，水分含量變化較小，20～30 min內水分含量迅速下降，但相比于同一時間的其他粒度的煤樣來說，3～6 mm煤樣的含水量較高；中等粒度的煤樣干燥速率相近，粒度較小的煤樣干燥速率最高。在干燥時間為60 min時，不同粒度的煤樣含水量值相一致。

圖2 不同粒度煤樣真空干燥曲線

2.2 熱風干燥條件下溫度及粒度對煤樣脫水效果影響

2.2.1 熱風干燥條件下溫度對煤樣脫水效果影響

從圖3可以看出，熱風干燥條件下，較小粒度的煤顆粒在較低溫度下，干燥速率較慢，干燥后水分百分含量較高；干燥溫度為80～120 ℃，隨著干燥時間的增加，煤樣百分含水量在50 min內呈線性趨勢下降，繼續干燥，煤樣百分含水量不變；當干燥溫度為140～200 ℃時，煤樣含水量在30～40 min內達到最低值，繼續增加干燥時間，煤樣含水量不再變化。粒度較大的煤樣，其干燥曲線與粒度較小的煤樣干燥曲線相類似；且在干燥溫度為120 ℃時，干燥50 min時煤樣水分百分含量達到最低，接近溫度為200 ℃煤樣干燥后的含水量。

圖3 不同溫度下不同粒度煤樣熱風干燥曲線

2.2.2 熱風干燥條件下粒度對煤樣脫水效果影響

從圖4可以看出，隨著干燥時間的增加，煤樣粒度為1～2 mm的煤樣，干燥后水分含量值最低，其次是粒度更大一些的煤樣，粒度較小的煤樣在熱風干燥條件下，干燥效果較差。這是因為，熱風干燥是通過氣流對煤樣進行干燥，粒度較小的煤樣，煤顆粒間空隙較小，氣流可以流過的空間較小，使得有些顆粒無法受到熱風的吹襲，干燥效果較差；顆粒太大的煤樣，煤顆粒間空隙較大，但熱風并不能破壞煤的結構，只能干燥煤顆粒表面的水分，干燥效果也不是很明顯。中等粒度的煤樣，經篩分后，煤表面的大孔坍塌，儲水能力降低，且煤顆粒間空隙合適，可以允許更多的熱風穿過煤顆粒間，達到較好的干燥效果。

圖4 不同粒度煤樣熱風干燥曲線

2.3 微波干燥下干燥時間及粒度對煤樣脫水效果影響

從圖5可以看出，較小粒度的煤樣干燥效果較差，隨著煤樣粒度的增加，煤樣干燥后含水量依次降低；粒度在0.5～3 mm的煤樣，干燥后的含水量值相近。

圖5 不同粒度煤樣微波干燥曲線

由圖5可知，因為在微波磁場的作用下，煤樣中的極化分子和羥基等極性偶極子[5]，克服分子熱運動和分子間相互作用力產生大量的熱量干燥煤樣。首先，煤樣表面吸收微波能量轉化成熱能，煤樣水分快速蒸發，隨后，煤樣內部水分向外擴散，繼續加熱，內部水分擴散阻力增加，干燥速率降低[5-7]。

2.4 不同能量作用下煤樣的紅外光譜圖

從圖6可以看出，煤樣表面含有大量的含氧親水性官能團，真空干燥后，部分含氧官能團的峰消失或降低，說明真空干燥可以使得煤樣表面的親水性含氧官能團發生變化，且隨著干燥溫度的增加，含氧官能團的吸收峰值減小。

熱風干燥后，煤樣的骨架沒有發生變化，只是含氧官能團的吸收峰值降低，同真空干燥機理相類似；且熱風干燥后，煤樣表面含氧官能團的吸收峰強度比真空干燥后的低，這是因為熱風干燥使得煤樣表面發生了氧化而降低了煤樣表面的含氧官能團[5-7]。微波干燥后，煤樣的含氧官能團吸收峰強度明顯低于真空干燥和熱風干燥，微波能量可以快速脫除煤樣的水分，降低煤樣親水性基團的含量。

3 結 語

1) 干燥后的煤樣表面親水性基團含量降低，煤樣顆粒的骨架結構并未發生明顯的改變；

2) 熱風干燥通過煤樣表面含氧官能團的氧化，降低了煤樣親水性；熱風干燥對中等粒度的煤樣干燥效果較好；

3) 真空干燥與熱風干燥相比，在降低煤樣含水量的同時，可以避免煤樣表面的氧化；

4) 微波干燥可以在較短時間內達到真空干燥和熱風干燥140 ℃的干燥效果，干燥效率較快。