褐煤负压干燥动力学研究

荣令坤，印万忠，白春华，初 茉

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004；2.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010；3.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083）

矿业纵横

褐煤负压干燥动力学研究

荣令坤1，2，印万忠1，白春华2，初 茉3

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004；2.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010；3.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083）

运用真空干燥箱，进行了不同压强、不同温度组合下的褐煤负压干燥试验研究，根据煤样含水率与干燥时间之间对映规律，提出一个简单数学模型，并引入干燥压强、干燥温度有关的系数k、m，得到褐煤负压干燥的动力学方程及干燥速率方程另外，对干燥温度和压强对煤样终点含水率的影响进行了分析探讨，结果表明：使煤样水分能够彻底脱除的煤内孔隙半径均在纳米级，环境压强越小、温度越大，煤样最终含水率越小，说明煤中存在大量盲孔，小的外输能量（压力梯度、温度梯度）不足以使盲孔破裂。

负压；动力学；褐煤；干燥

褐煤的显著特点是含水量大（收到基含水30%～40%），这与其表面含氧官能团丰富，孔隙发达直接相关，总体上讲，煤中水分为体表自由水、体内束缚水和化学结合水，体表自由水容易脱除，体内束缚水又分为毛细管水、孔隙吸附水，由于毛细作用、与煤中含氧官能团形成氢键，使其脱除较难［1-2］。总之，高含水的褐煤直接燃烧会带来能耗和CO2排放增多的问题，同时也导致了运输费用增加，限制了褐煤的利用［3-4］。因此，研究褐煤的干燥特性，开发褐煤干燥提质工艺已经成为褐煤洁净利用研究的一个重要方向。

数名学者［5-6］对此进行了实验室基础研究，分析了干燥条件对褐煤干燥速率的影响及机理，并进行了干燥动力学分析。郭治等［7］认为干燥过程中可忽略液态水迁移，水分减少主要靠水蒸发为蒸汽再扩散出煤粒，据此建立了煤粒水分缩核动力学模型，试验表明其能简便、准确的模拟褐煤的干燥动力学行为。熊程程等［8］通过对褐煤薄层等温干燥实验结果进行分析，也认为褐煤干燥主要受煤粒内部水蒸

气扩散机理控制，Page模型能较好的模拟褐煤的干燥脱水过程，王涛等［9］在褐煤干燥研究中也得出同样的结论。Hong-jun Zheng等［10］进行了不同粒度、不同干燥温度下单个煤粒的氮气气氛下的高温干燥实验，利用改进了的煤粒缩核模型，根据克努森扩散定律，推导出煤粒高温干燥的速率方程，并计算了不同煤粒尺寸下的煤中水分扩散的平均活化能。

目前，褐煤的负压干燥研究鲜有报到，负压环境下褐煤的干燥行为及动力学模型研究很少，基于此，采用真空干燥箱，进行了褐煤的负压干燥实验研究，根据实验结果，推导了褐煤负压薄层干燥的动力学方程，并对干燥环境和终点含水量的关系进行了分析。

1 试验部分

1.1 试验原料与设备

煤样为鄂尔多斯地区所产褐煤，收到基煤样经颚式破碎机破碎，方孔筛筛分，考虑煤粒较大操作不便，煤粒较小易被水蒸气带走，实验取13～6mm粒级，再缩分装入塑料密封袋保存，每袋45g，煤样的工业分析、元素分析如表1所示，其中，元素分析在EL cube CHNSO型元素分析仪（德国Elementar公司）上进行。

表1 煤样工业分析和元素分析/wt%

试验在南京产DZF-6210型实验室真空干燥箱中进行，此干燥箱控温范围：室温～523K；可达真空度：133Pa；恒温波动度：±1K；温度分辨率：±0.1K；定时范围：1～9999min。试验中物料的称量采用上海精密牌分析天平，型号FA2204B，称量范围0～220g，测量精度0.1mg。

1.2 试验过程

试验分12组分别进行，分组情况见表2，每组设3个水平，结果取算术平均值，具体操作是：将每袋煤样分为3份，每份质量为15±1g，分别记为M01、M02、M03，放入预先干燥并称重的3个称量皿中，铺平并盖上盖子，放入预先升温到试验温度的真空干燥箱中，揭去称量皿盖子，关闭真空干燥箱密封门，并快速开启真空泵，箱体内压强迅速降低，待箱体中达到预定真空度后，关闭真空泵与干燥箱通路的阀门，煤样即在设定试验环境下脱水干燥，之后每隔一定时间将煤样分别称重记为Mj1、Mj2和Mj3，操作中打开真空干燥箱密封门之后要迅速将装有煤样的3个称量皿盖上盖子，再拿出并快速在分析天平称量，以尽量减少试验误差，那么时间ti时的煤样百分质量W由式（1）计算得到。

每组试验进行到间隔10min，煤样失重小于1%时，即停止记录数据，让煤样在设定实验环境下继续干燥，直到整个试验用时为12h，停止试验，记录数据并计算得到该干燥环境下煤样的终点百分质量。

表2 煤样干燥分组

2 试验结果和讨论

2.1 褐煤负压干燥动力学

图1是338K、20k Pa环境下，褐煤的负压干燥脱水失重曲线。

图1 煤样干燥失重曲线（338K，20kPa）

样品含水率，如式（2）所示。

式中：W为为某一时刻样品质量百分数，%；W0为

为样品在20k Pa、423K环境下干燥失重后维持恒定的质量百分数，实验认为此条件下得到的煤样已经完全干燥，其值为72.08%。

图2为同一压强不同温度下或同一温度不同压强下煤样的含水率随时间变化的曲线图，由图可以看到这样一种现象：干燥初期，煤样的含水率降低很快，随着干燥时间的延长，含水率降低速度减慢。产生这种现象的原因是煤炭水分分为表面水、体内毛细水、结合水，其中体表水最容易蒸发，毛细水次之，结合水最难，干燥脱水初期，脱掉的是体表水，速度较大，随后就是毛细水，由于水的表面张力，毛细水脱除难易与毛细管直径直接相关，毛细直径越小，所需蒸发热越大，越难脱除。

因此，在最简单的情况下，可以假定煤样的干燥速率与该瞬间煤样的含水率成正比，根据这个假设可以得如式（3）所示关系。

式中：t为干燥时间，min；k为比例系数，决定于干燥条件，负号表示含水量减少。

用分离变量法求解式（3）微分方程式，得到式（4）、式（5）。

设X0为煤样的初始含水量，在干燥开始时，t=0，X=X0，从而C=ln X0。将C值代入式（5），得到式（6）。

考虑到压强、温度等也会影响到煤样的含水率随时间的变化，引入参数m，得到煤样负压干燥动力学方程（式（7））。

将式（7）取两次对数，得到式（8）。

应用最小二乘法将图3中12组数据分别进行线性拟合，得到不同压强及温度条件下煤样的负压干燥动力学方程，见表3。

图2 煤样干燥含水率曲线

表3 褐煤负压干燥动力学方程参数

图3随干燥时间变化曲线

由表3可知：12组试验数据的线性拟合相关系数均在0.96以上，说明式（7）完全适用于不同温度不同压强组合下煤样负压干燥过程，但此方程不能满足一个边界条件，因为只有t=∞时，煤样的含水率才等于零。虽然如此，煤样含水率在相当大的范围内，这个方程式还是适用的。

褐煤负压干燥动力学如用式（7）表示，则干燥速率见式（9）。

不同压强、不同温度组合下的煤样干燥速率方程见表3。煤样干燥动力学方程中m和k的值也可以应用解析几何的方法，在式（8）描述的直线上选取点1〔lgt1，lg（lg X0/X1）〕和点2〔lgt2，lg（lg X0/ X2）〕，不难找出：直线的斜率m和直线的截距k，如式（10）、式（11）所示。

从式（10）、式（11）可以看出，参数m与时间的单位无关，与对数的种类也无关；参数k与时间的单位有关，但与对数的种类无关。由于试验数据太少，不能用统计学的方法明确m、k与试验条件（压强、温度）的关系，但根据文献［10-11］，颗粒尺寸越小，或小尺寸颗粒在粒群中占多数，整体煤料的比表面积就越大，传热传质的速度就越快，煤粒干燥速度就越快；煤料的孔径分布中微孔越多，由于毛细凝聚作用，煤粒干燥速率就越低，故推断m、k值与干燥煤料的性质（颗粒组成及均匀度、颗粒孔径分布、比表面积等）和干燥环境（温度、压强）等有关。

2.2 干燥环境对煤样终点含水率的影响

表4为不同压强、不同温度下褐煤干燥的终点含水率，每组实验均进行12h，以达到彻底干燥。由

表4可知：环境压强与温度均能影响煤样的终点含水率，环境压强越大，同样温度下得到煤样的终点含水率越大，煤样脱水程度越低，低压有助于脱水；温度越高，煤样的干燥程度越深。

褐煤孔隙发达，水分的蒸发将受到毛细管浓缩作用的影响，根据Kelven公式，得式（12）。

式中：R为气体常数；T为温度；P为液滴或气泡的蒸汽压；P0为平面液体对应的饱和蒸汽压；γ为表面张力；M为液体的摩尔质量；ρ为液体密度；r为液滴或气泡的曲率半径，且前者大于零后者小于零。毛细管内弯液面曲率半径r，毛细管半径r′及液体与管壁的接触角θ之间存在关系r=r′/cosθ，代入式（12）得毛细凝聚形成弯液面条件下对应的Kelven公式见式（13）。

式中：负号表示弯曲液面曲率半径小于零。由式（13）可知：弯曲液面相应的蒸汽压P小于平面液体对应的饱和蒸汽压，并随着毛细管半径r′的减小，P变得更小，即毛细管浓缩作用加强，从而使液体蒸发的更困难，蒸发速率降低。

根据式（13），假设煤样中孔隙结构均是开放的毛细管结构，并以极端情况下考虑（液滴或气泡的蒸汽压P为环境压强，其实绝对小于环境压强），可以计算得到能使毛细管内水完全蒸发的毛细管最小半径（理论毛细管径）。如表4所示，除第4组、7组、10组（没能计算数据）外其余9组的理论毛细管径均在纳米级，水分子的半径约为0.4nm，意味着，只要干燥时间足够，9组试验大部分均能将煤中水分脱除彻底，但试验结果却不同，原因可能是煤中孔隙结构有些是盲孔，没有足够的外输能量（压力梯度、温度梯度）不足以使其破裂变为通孔，所以干燥环境压强越小、温度越高，煤样最终含水量越小，脱水越彻底；相反，则使一些盲孔中的水不能脱除，所以最终含水量较大。

表4 褐煤负压薄层干燥的终点含水率

3 结 论

1）褐煤负压薄层干燥的动力学方程为X= X0e-ktm，煤样含水率在相当大的范围内，这个方程式是适用的，对应的负压干燥速率方程为= X0e-ktm（-kmtm-1），其中参数k和m与煤炭性质和干燥条件有关。

2）根据开尔文公式，使煤样水分能够彻底脱除的毛细管经均在纳米级，有些甚至小于水分子的半径，但它们的干燥最终含水率却不相同，环境压强越小、温度越大，煤样最终含水率越小，说明煤样中存在大量盲孔，小的外输能量（压力梯度、温度梯度）不足以使盲孔破裂。

［1］ K.Muthusamy，WU Zhonghua，A.S.Mujumdar，Low-rank coal drying technologies-current status and new developments［J］.Drying Technology，2009，27（3）：403-415.

［2］ 王建国，赵晓红.褐煤清洁高效梯级利用关键技术与示范［J］.中国科学院院刊，2012，27（3）：382-388.

［3］ 姜克隽，胡秀莲，庄幸，等.中国2050年的能源需求与CO2排放情景［J］.气候变化研究进展，2008，4（5）：296-302.

［4］ X.Li，H.Song，Q，Wang，C.Meesri，T.Wall，J.Yu，Experimental study on drying and moisture re-adsorption kinetics of an Indonesian low rank coal［J］.Journal of Environmental Sciences Supplement，2009，21（5）：127-130.

［5］ 沈望俊，刘建忠，虞育杰，等.锡盟褐煤干燥和重吸收特性的实验研究［J］.´中国电机工程学报，2013，33（17）：64-70.

［6］ 史勇春，李洁，李选友，等.过热蒸汽干燥凝结段的干燥动力学特性［J］.农业工程学报，2012，28（13）：211-216.

［7］ 郭治，杜万斗，初茉，等.褐煤干燥动力学模型研究［J］.神华科技，2011，9（5）：66-69.

［8］ 熊程程，向飞，吕清刚.褐煤干燥特性的实验研究［J］.化学工程，2011，39（8）：74-78

［9］ 王涛，于才渊，孟敏.基于薄层干燥模型的褐煤干燥动力学研究［J］.干燥技术与设备，2011，9（3）：110-118.

［10］ Zheng Hongjun，Zhang Shouyu，Guo Xi，Lu Junfu，Dong Aixia，Deng Wenxiang，Tang Wenjiao，Zhao Menghao，Jin Tao.An experimental study on the dying kinetics of lignite in high temperature nitrogen atmosphere［J］.Fuel processing technology，126（2014）259-265.

［11］ 赵卫东，刘建忠，周俊虎，等.褐煤等温脱水热重分析［J］.中国电机工程学报，2009，29（14）：74-79.

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

国家自然科学基金与神华集团有限责任公司联合资助项目“热提质对褐煤水分复吸特性的影响规律研究”资助（编号：U1261101）；内蒙古科技大学校内创新基金项目资助（编号：2011NCL052；2014QDL03）

荣令坤（1983-），男，河北清苑人，博士研究生，讲师，科研方向为为煤炭清洁转化与综合利用。E-mail：rlk090508@ 163.com。