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褐煤的等温干燥特性及其脱水动力学研究

2016-8-6 13:06| 发布者: wangziyi| 查看: 263| 评论: 0|原作者: zhangni|来自: [db:来源]

摘要: 由于经济的快速稳定发展,我国能源需求趋势逐年增长,从而导致优质煤资源大量消耗,以至于难以满足能源安全和环境保护的要求,因此如何对资源储量相对丰富的低阶煤(尤其是褐煤)进行清洁利用无疑成为能源和化工领域的 ...

  由于经济的快速稳定发展,我国能源需求趋势逐年增长,从而导致优质煤资源大量消耗,以至于难以满足能源安全和环境保护的要求,因此如何对资源储量相对丰富的低阶煤(尤其是褐煤)进行清洁利用无疑成为能源和化工领域的研究重点。但褐煤中高水分含量(2500-6000)是其大规模加工利用的最大难题,因此要实现对褐煤的高效转化首先必须对其进行脱水提质处理。褐煤是一种类似胶质体的毛细多孔性物质,水分存在于其多样的孔结构中,而其丰富的亲水性含氧官能团也以氢键的形式与水分结合,随孔结构及含氧官能团的不同,褐煤与水之间的结合力有所区别,从而使得脱除不同赋存形态的水所需能量不同。国内外诸多学者为探索褐煤干燥特性进行了研究,如印尼褐煤煤粉、马来西亚褐煤颗粒、宁夏褐煤颗粒及锡盟褐煤的干燥动力学等口习。在热风干燥过程中褐煤干燥受扩散机理控制,有效水分扩散系数随温度升高、相对湿度及样品质量的减小而增大比。也有学者利用体积平均法对褐煤干燥建立了单颗粒及干燥理论模型。利用扫描电镜检测发现锡盟褐煤经干燥后表而会出现断裂、粉化等现象叫,而蒙东褐煤孔体积在热压作用下略有减小,但其受压力的影响不如比表而积受压力的影响明显。目前,对煤低温干燥中水分脱除行为与其结构变化间的关联尚无明确了解,笔者拟通过两种不同升温方式的等温薄层干燥对褐煤进行干燥脱水研究,并进行相应的动力学计算和拟合分析,由于低温干燥条件下褐煤内部的官能团不会发生明显改变,故主要表征了干燥过程中的物理结构变化,即比表而积和孔结构的变化情况,旨在分析干燥过程中煤中水分的变迁行为,为褐煤脱水提质干燥工艺的设计提供一定的理论参考。

  1实验部分

  1.1煤样的选择

  选取一种内蒙古褐煤为实验用样,煤样的工业分析与元素分析。为避免煤样在制备过程中的氧化,将其在氮气保护下进行破碎、研磨、筛分,选取粒径为0. 18-0. 25 mm的煤粒作为实验用样。

  1. 2仪器及方法

  干燥实验采用美国的MB45水分快速测定仪,其加热方式为卤素加热,速度为红外水分测定仪的两倍,在干燥过程中能够持续测量样品重量并在电脑上显示结果。每次取样约59,采用两种升温方式进行褐煤干燥,方法a是样品直接快速升温到指定温度(60, 80, 100, 120 0C)进行样品的恒温干燥;方法b是将样品在50℃恒温20 min,随后快速升温到指定温度,然后进行恒温干燥实验。当1 min内质量减少小于1 mg时被认为达到干燥平衡,干燥实验在持续稳定的氮气流(400 mImin)保护下进行。

  不同干燥程度煤样的孔结构特性及其比表面积采用北京精微高博科学技术有限公司的J W-BK122 W静态氮吸附仪进行测定,为保证所得数据的可靠性和基准一致性,测定前需将煤样在 60℃下加热270 min进行预处理。

  2实验结果与讨论之褐煤干燥过程中孔结构及比表面积的变化

  为了探究两种干燥方式对煤孔结构造成的影响,用低温氮吸附法对不同温度条件下干燥所得煤样的孔结构和比表面积的变化情况进行表征。

  显示了依照方法a干燥所得煤样的孔体积V随温度升高而增大,100℃时达到最大值,继续升温至120℃有所降低,其平均孔径在60℃和80℃干燥时变化不大,100℃时升高,而在120℃时又有所降低,这应该是由于低温下,褐煤干燥主要脱除外水而腾空了部分大孔隙,导致其孔体积增大,而随温度升高,褐煤的类胶质体特性导致其失去内在水分时体积发生收缩造成的。另外,褐煤内部的孔径范围主要是大中孔,平均孔径的变化程度较大程度上取决于大孔的变化,如前所述,低温干燥时煤样主要脱除外水,致使在大孔范围内,较大孔先均匀塌陷成较小的孔,但表现为平均孔径变化不明显,当120℃干燥时内水的脱除引发强度更大的收缩,大孔部分塌陷至中孔,故平均孔径有减小的趋势。方法b制得样品的平均孔径均小于方法a制得的样品,其在80℃时最大、100℃时最小,而孔体积则明显大于方法a干燥制得的煤样,且随温度升高呈逐渐增大的趋势,这可能是由于在恒温干燥过程中,经过50℃干燥预处理后的煤样其孔结构的破坏程度大于直接干燥所得煤样。

  两种方法下煤样干燥过程中,比表面积均是随温度升高而略有增大,而方法b制得样品的数值相对较大,低阶煤的表而积主要由中孔决定。可以这样理解,温度升高,煤样的干燥程度加深,导致大孔坍塌成为中孔,中孔比例略有增多,从而使得比表面积增大。方法a的最可几孔径随干燥温度升高呈现略增的趋势,预处理煤样方法b制得样品的最可几孔径随温度升高而略有减小。因此,不同的升温方式对煤样干燥过程的物理结构变化具有显著影响。

  2.1褐煤等温干燥特性

  引入无量纲水分比进行褐煤干燥特性的考察,定义为某时刻待除去的水与初始水含量之比。这是因为其表示的干燥曲线与湿物料的初始水含量无关,为干燥实验数据的分析提供方便。

  3结论

  褐煤薄层干燥脱水过程可以用升速干燥阶段和降速干燥段来描述。随温度升高,干燥速率增大,但升温方式不同,对干燥速率的影响各不相同。脱水过程中,温度升高,干燥煤样的孔体积呈先增大后减小,比表面略有增大,平均孔径的变化较能反应大孔的变化情况。先经50℃预处理,然后进行恒温干燥的方法对褐煤孔结构的破坏相对显著。修正的Henderson and Pabi模型能较好地用于实验所用褐煤等温薄层干燥过程的描述,采用Arrheniu方程计算所得褐煤脱水的平均表观活化能约为25 kJ /mol,脱除吸附水的活化能约为31 kJ/mol。


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