不同干燥方式耦合作用下煤泥干燥特性的研究

任建宾

(阳泉煤业集团 新景矿选煤厂，山西 阳泉 045000)

我国属于煤炭生产和消费大国，我国的能源结构体系表明，煤炭在我国占有相当重要的地位，且在未来很长一段时间内其重要性不会发生明显的改变[1]。煤炭的加工利用给我国国民的生产生活带来了许多便利，与此同时，也对环境产生了破坏。随着国家环保力度的加大，清洁能源的呼声越来越高，能否在满足资源消耗的同时，高效清洁地利用煤炭已成为目前最受关注的问题[2]。随着近些年来采煤机械化程度及开采量的逐年增加，细粒煤含量增加，同时煤泥产量也逐渐增加。煤泥在利用之前需对其进行干燥处理，这样可以降低煤泥运输费用，提高煤泥燃烧热值，增加煤炭利用效率[3-4]。传统的热风干燥过程，在干燥末期出现干燥时间延长、干燥不均匀和干燥效率降低等问题；微波干燥过程，由于其干燥选择性、均匀性等特点广泛应用于食品[5]、药材等领域，对于煤泥干燥过程的报道不是很多。因此，本文通过干燥特性、干燥过程中能耗等问题，探究了热风/微波联合干燥方式对煤泥干燥的影响，选出了最佳含水率下两者联合干燥的最佳条件，为工业应用提供理论基础。

1 实验部分

1.1 煤样分析

试验煤样取自新景矿选煤厂，其元素分析和工业分析如表1所示。

表1 煤泥元素分析和工业分析

1.2 试验方法

热风干燥试验方法：开启热风机，调节热风机出口温度及风速，使其误差分别控制在±2 ℃和±0.1 m/s内，准确称取一定质量的煤泥置于干燥台上，煤泥开始干燥，与此同时开始数据采集，每隔2 s记录一次煤泥的质量变化，直到载煤泥的天平示数不再发生变化，取出样品。

微波干燥试验方法： 准确称取一定质量的煤样置于微波炉内托盘上，托盘通过传感器与外部的电子天平相连，设定好微波功率，开启微波炉，每隔10 s记录一次煤泥样品的质量变化，直到天平示数不再发生改变，关闭微波炉取出煤样。

热风/微波联合干燥试验方法：将称取的一定质量的煤泥置于热风干燥试验台上，进行热风干燥，当质量达到目标含水率后，迅速将煤样取出置于微波炉中继续干燥(拿取过程尽量保证在较短时间内完成，且尽量保证每次所用时间相同)，直到煤样质量不再发生明显的变化，干燥过程结束。

2 结果与讨论

2.1 煤泥热风/微波联合干燥临界点的确定

取一定量的煤泥以热风干燥方式进行干燥，探究煤泥热风干燥特性以及煤泥热风/微波联合干燥临界水含量点选取。其热风干燥TG-DTG曲线如图1所示。

图1 煤泥热风干燥TG-DTG曲线

从图1可以看出，该干燥过程总共分为升速、恒速和降速干燥三个部分，升速和恒速干燥时间占总干燥时间的16.8%，共脱去总水分含量的28%，继而进入降速干燥阶段，该阶段由于煤泥内部传质传热方向的不同，煤泥水分主要靠水蒸气压力脱除，干燥速率降低，最终在煤泥恒速干燥结束时，煤泥含水量可降至15%。

2.2 煤泥热风/微波干燥特性分析

干燥试验采用粒径为10 mm的球型煤泥样品进行干燥试验，热风/微波联合干燥失重曲线如图2所示。其中CD表示热风干燥曲线，CD+MD表示热风/微波联合干燥曲线。

图2 热风/微波联合干燥煤泥失重曲线

从图2可以看出，在干燥的第一阶段，两种干燥方式下煤泥失重曲线基本重合，越过C点后，两种干燥方式下煤泥失重曲线发生了明显的不同。对于热风干燥过程，在第一阶段是恒速干燥，主要脱除煤泥表面水，当表面水脱除后以C为转折点进入降速干燥阶段，C点也为临界含水量点，继续热风干燥，煤泥失重率降低，干燥速率减缓，这是由于煤泥内部的传热传质方向相反，水分扩散动力主要为浓度梯度，干燥速率下降，干燥时间仍需1 200 s；热风/微波联合干燥就是在临界含水量点C以后转为微波干燥，图2显示，CD+MD曲线在越过C点后煤泥失重率较高，干燥时间短，仅为190 s，这是因为，微波直接作用于煤泥内部并形成热源，内热源的存在改变了干燥过程中传热和传质的方向，同时微波辐射使煤泥内部热量迅速增加，水分在内部水蒸气压力梯度下迅速析出，干燥时间大大缩短[6]。煤泥联合干燥过程的TG—DTG曲线如图3所示。

图3 热风/微波联合干燥过程TG—DTG曲线

从图3可以看出，i段为热风干燥阶段，ii为微波干燥阶段。在i阶段，煤泥干燥为恒速干燥，主要脱除煤泥表面水；ii阶段为微波干燥，煤泥失重率大幅度降低，干燥时间缩短，此后进入降速干燥阶段，煤泥水分含量大约在5%，继续干燥过程则能耗大幅度增加，故在满足煤泥可利用含水量的条件下，持续干燥则显得不那么必要。

2.3 不同目标含水量下干燥能耗的分析

不同目标含水量下煤泥脱除单位质量水分的能耗如图4所示。其中0%为热风干燥过程，其余为热风/微波联合干燥过程。

图4 不同目标含水量下能耗分析

从图4可以看出，热风/微波联合干燥过程下，煤泥水分含量为15%时，干燥过程能耗最小，这是因为，水为强的吸波介质，当煤泥中水分含量较多时，越能吸收微波辐射，煤泥内部能量集聚越多[6]，干燥速率越快，能耗越低，因此，热风/微波联合干燥过程最佳能耗消耗为将煤泥干燥至水分含量为15%。

2.4 不同干燥方式下煤泥水分复吸分析

煤泥不同于低变质程度的褐煤，煤泥主要是煤粉与水混合物，没有丰富的孔隙结构贮存水分，故煤泥粒径对水分复吸不存在明显的影响[6]。图5为不同干燥方式下煤泥水分复吸状况。

图5 不同干燥方式下煤泥水分复吸状况

从图5可以看出，不同的干燥方式下，煤泥水分复吸曲线基本重合，即干燥方式的不同不影响煤泥水分复吸，这是因为，虽然煤泥干燥方式发生了变化，但对煤泥的结构和性质并未造成明显的改变，故不影响煤泥干燥后对周围环境中水分的再吸收。

3 结 语

1) 单一的热风干燥过程，煤泥在降速干燥阶段，干燥速率明显降低；

2) 热风/微波联合干燥过程，在降速干燥阶段其干燥速率比单一干燥速率高，干燥时间大大缩短，干燥速率明显提高；

3) 将煤泥干燥到水分含量15%时，热风—微波联合干燥过程能耗最小；

4) 单一干燥及热风/微波联合干燥过程对煤泥的性质不发生变化，仅影响干燥过程，故两种干燥方式下煤泥干燥后的水分复吸率不变。