煤泥低温薄层干燥动力学分析

孟庆杭，宋 刚，胡远丰，王晓波，胡光涛

(江苏徐矿综合利用发电有限公司，江苏 徐州 221000)

我国煤炭资源储量丰富，2019年我国煤炭产量达27.2342×108t，占一次能源生产总量的68.6%[1]。煤炭洗选作为煤炭清洁高效利用的重要手段，近年来取得长足的发展。煤泥作为原煤洗选的副产物，产量也逐年攀升。煤泥热值较高，具有一定的利用价值，但含水量高、粒度小、黏性大的特点限制了其大规模利用。根据煤泥性质的不同，利用方式主要有燃烧发电、制作型煤等，其中锅炉燃烧发电是目前最为普遍的利用方式[2]。燃煤电厂直接掺烧湿煤泥容易造成输煤系统堵煤、锅炉燃烧不稳定、污染物排放浓度上升等问题[3-5]，而煤泥干燥处理则可以解决上述问题。电厂直接采购湿煤泥并利用自身条件对煤泥进行干燥后掺烧发电，可以大幅降低燃料成本。目前煤泥的干燥多采用高温烟气、蒸汽等[6-7]，温度大多在 150 ℃ 以上，能耗较高。为了充分利用电厂的低品位热源(100 ℃ 以下)，研究煤泥在低温条件下的干燥机理具有重要的指导意义。本文通过研究低温条件下湿煤泥的干燥过程，分析了煤泥的干燥动力学，为煤泥干燥规模化生产提供理论指导。

1 试验部分

1.1 试验材料与装置

湿煤泥，含水量(质量分数，下同)为25.58%，徐州某选煤厂；DHG-91408电热鼓风干燥箱，常州市奥联科技有限公司；UX420S电子天平，SHIMADZU。

1.2 试验方法

煤泥干燥使用电热鼓风干燥箱。将煤泥平铺在搪瓷托盘中，铺成 10 mm 厚，放置在干燥箱中。控制加热温度为 40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃，考察不同温度下煤泥的干燥特性。

2 结果分析

2.1 煤泥干燥特性分析

不同干燥温度下煤泥含水量随干燥时间的变化如图1所示。从图1看出，干燥温度升高，煤泥干燥速度加快，干燥时间缩短。煤泥含水量由25.58%降至15.00%，干燥温度由 40 ℃ 提高至 70 ℃，干燥时间缩短了50.05%。干燥温度升高，促使煤泥内部水分子运动速度加快，水分蒸发速度随之提高，干燥效率提高。

图1 不同干燥温度下煤泥的干燥曲线

2.2 煤泥干燥速率分析

不同干燥温度下煤泥的干燥速率曲线如图2所示。

从图2看出，煤泥的干燥过程分为预干燥阶段、恒速干燥阶段、降速干燥阶段。在预干燥阶段，煤泥的表面黏附水率先蒸发，随着煤泥温度的升高，干燥速率逐渐增大，待水分的蒸发速率与水分在煤泥内部的扩散速率相当时，进入恒速干燥阶段，此阶段蒸发的主要是煤泥中的颗粒间隙水。当颗粒间隙水降至很低含量后，煤泥中的毛细水开始蒸发，由于煤泥颗粒内部水分扩散很慢，干燥速率降低，进入降速干燥阶段。通过计算可知，煤泥干燥的临界含水量约为 8.91 g/g。

图2 不同干燥温度下的煤泥干燥速率

2.3 煤泥干燥动力学分析

2.3.1 水分有效扩散系数

煤泥的干燥过程是煤泥中的水分从内部向外界扩散的过程，通过水分有效扩散系数的计算，可以分析煤泥中的水分在干燥过程中的迁移状况，为煤泥干燥过程提供理论指导。水分有效扩散系数可以通过Fick定律计算，其计算式[8]如下：

式中：M为煤泥含水量，g/g；Deff为水分有效扩散系数，m2/s；L为污泥厚度，m；n-试验采样数量。

经计算，不同干燥温度下的水分有效扩散系数见表1。从表1中看出，随着干燥温度的升高，水分子运动速度加快，水分扩散动能增加，有效扩散系数呈上升趋势。温度从 40 ℃ 升高至 70 ℃，有效扩散系数提高了2.10倍。水分有效扩散系数越大，干燥速度越快，在煤泥干燥生产中，应尽可能提高水分有效扩散系数，增加干燥速度。

表1 不同干燥温度下煤泥水分有效扩散系数

2.3.2 表观活化能

表观活化能可以直观的表现煤泥中水分逸出的难易程度，表观活化能越小，干燥越容易进行。根据Arrhenius方程可以得出有效扩散系数和表观活化能之间的关系，其计算式[9]如下：

(2)

式中：D0为Arrhenius方程指前因子，m2/s；Ea为表观活化能，kJ/mol；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；T为干燥温度，K。

将式(2)两边同时取对数，得式(3)。

(3)

由式(3)看出，lnDeff与1/T呈线性关系，通过其斜率即可计算出Ea，拟合结果如图3所示。经计算，10 mm 厚煤泥的表观活化能为 22.55 kJ/mol。

图3 煤泥lnDeff与1/T的拟合结果

3 结论

1)干燥温度升高，煤泥干燥时间缩短，干燥速率增大，煤泥干燥的临界含水量约为 8.91 g/g。

2)10 mm 厚煤泥在40～70 ℃ 下的水分有效扩散系数分别为2.72×10-5m2/s、3.28×10-5m2/s、4.42×10-5m2/s、5.71×10-5m2/s，表观活化能为 22.55 kJ/mol。