高温干燥对褐煤孔隙结构及水分复吸的影响探讨

孙园园 尤长升 王广润 张蕾

摘 要：褐煤因其水分含量比较大，影响存储、运输和利用，需要进行干燥处理。论文主要研究高温干燥对褐煤孔隙结构及水分复吸的影响，总结褐煤经高温干燥处理后，其孔隙结构及水分复吸的规律，希冀能为褐煤高温干燥处理提供一定参考与借鉴。

关键词：褐煤;高温干燥;孔隙结构;水分复吸;影响

褐煤脱水技术主要有蒸发干燥技术和非蒸发干燥技术。传统的蒸发脱水干燥工艺大多是低温干燥，现在多采用高温干燥技术。高温干燥技术优势比较显著，能降低干燥介质用量，防止高品位能量变成低品位能量，干燥成本也比较低。研究高温干燥对褐煤孔隙结构及水分复吸的影响，将能对预测和控制褐煤燃烧过程提供有益的帮助。

一、实验材料和方法

（一）实验材料

实验所用的褐煤选取的是宝日希勒褐煤，依据GB 474-2008煤样的制备方法，对原煤进行破碎，将其碎至粒径<3 mm。对实验所用的褐煤进行煤质分析，可以发现其为年老褐煤，具有全水分高、灰分中等、发热量较低等显著特征。

（二）实验方法

1、选择实验装置。选择卧式固定床实验炉来进行本次褐煤高温干燥实验。将5g样品放入干燥篮中，将干燥篮放置在操作杆前端的样品槽内，将其推入冷却室中。冷却室中氮气流量为0.3 L/min，干燥室中氮气流量为0.5L/min，通气30 min，目的是对干燥室与冷却室中的空气进行置换。当干燥室温度升到600、700、800℃三个设定温度后，再将样品栏快速推到干燥室中央，30 s后再迅速抽出，使样品槽在冷却室氮气中冷却至室温，之后将样品取出。

2、水分复吸实验。为研究高温干燥的褐煤孔隙结构变化对水分复吸的影响，将干燥后的煤样放置在恒温恒湿箱中进行水分复吸实验。恒温恒湿箱的温度为30℃，相对湿度为96%，干燥后的褐煤水分复吸实验复吸时间为6 d，当干燥前和吸湿后的质量差小于初始质量的0.1%后，就认为水分复吸实验成功。

3、孔隙结构测定。应用NOVAtouch型比表面积及孔径测定仪测定煤样的孔隙结构，应用t图法确定煤样的微孔体积及孔比表面积;;应用BJH吸附模型分析中孔和大孔孔径及孔体积分布情况。为保证测试结果的准确性，称取2-3 g煤样，放置在150℃真空脱气4 h，将其杂质气体去除掉。然后，再将样品放置在盛有77.3 K液氮的杜瓦瓶中，将杜瓦瓶与分析仪器连接，得到不同压力下的氮气吸附量，再根据实验数据进行测定。

二、实验结果与讨论

（一）孔隙结构特征分析

从图1可以看出，原煤及不同温度干燥后半焦的低温氮吸附等温线均属第Ⅱ类，曲线前半段缓慢上升，说明在压力不断增加的情况下，单层吸附结束，开始多层吸附;曲线后半段急剧上升，说明水分吸附量增加比较快速，毛细凝聚开始发生并接近饱和蒸气压，但还没有达到吸附饱和。实验结果显示，褐煤及其脱水后半焦的孔隙，都是由小到大的连续孔系统。符合已有的文献研究结果。根据吸附和凝聚理论可以判断，毛细管形状各不相同，同一孔的凝聚与蒸发时的相对压力也存在差异，但是，凝聚与蒸发的相对压力如果一样，吸附等温线的吸附分支与解吸分支就會发生重合;反之，吸附分支与解吸分支就会分开，形成吸附回线。从图1中可知，YM原煤、YM-600℃、YM-700℃的吸附回线为L1型，其回线较不明显，说明煤样的孔系统以Ⅱ类孔为主，其状如平行板状孔、圆筒形孔、锥形孔，孔一端封闭。YM-800℃的回线呈现出从L1型转变为L2型的特点，且吸附分支和解吸分支分开比较明显，说明在此高温条件下，孔隙系统变得更加复杂多样。

（二）比表面积与孔体积分析

从实验过程来看，随着褐煤干燥温度不断升高，干燥半焦的褐煤比表面积呈现出先缓慢增大，然后逐渐减小的规律。整体来看，孔容积的变化趋势是随着干燥温度升高而减小的，变化平缓。通过归因分析，主要是因为褐煤高温干燥过程中，所含的水分蒸发快速，加上亚甲基、甲基、羧基等活性物质也开始发生分解，就使得原煤中部分封闭孔打开，从而使得半焦的比表面积增加。同时，因为半焦介孔孔壁的增加，也使得孔容积不断地变小。在800℃高温条件下，褐煤的干燥半焦比表面积最小，大约减少了20%左右。高温和快速脱水导致孔结构发生收缩，引发了半焦孔结构坍塌或贯通，所以才会出现比表面积下降、平均孔径增大的情况。

（三）褐煤孔隙结构分形特征

从实验过程来看，如果相对压力较小，那么吸附曲线和解吸曲线就呈现基本重合的情况，氮气分子先出现单层吸附，在孔表面，比气体分子大的孔径都会被填满，随着吸附的不断发生，吸附曲线也逐渐平缓地上升。在相对压力增大的条件下，氮气分子从单层吸附发展到多层吸附，吸附曲线呈现出吸附滞后的情况，其原因主要是不同压力段煤样与气体间的吸附作用机制不同。研究显示，颗粒表面粗糙度及内部孔隙结构与半焦的比表面积紧密相关，介孔的变化对空间性质影响更大。在干燥温度不断升高的条件下，半焦的比表面积缓慢增大，相应地，煤颗粒表面粗糙度也在不断地增加。当达到800℃高温时，因在此条件下产生了快速射流冲击压力和热应力作用，就使得半焦出现缺陷和裂纹，小颗粒数目不断减少，因而半焦的比表面积也在不断地减小。不过，半焦YM-800℃在2-20 nm范围的孔径微分变化是相对平缓的，这提示在该条件下，半焦的部分小孔隙出现封闭，孔隙结构的粗糙度降低，半焦小孔隙网络结构减少。

（四）水分复吸分析

600、700、800℃干燥温度处理后半焦的水分复吸率，在不同的时间段上，其变化曲线见图2。水分复吸率在600、700、800℃干燥温度下，半焦的复吸率曲线总体变化趋势基本保持一致。在复吸刚开始时，复吸速率比较快，水分含量增加也非常快速，随后，渐渐保持平稳，提示在温度不断增加的情况下，水分复吸率呈现出逐渐降低的特征。

在600、700、800℃温度条件下，干燥的半焦在2-20 nm范围内孔径分布波动是相对较大的。由于半焦表面孔隙的水分吸附是在介孔和大孔内进行的，这就说明干燥过程中半焦大孔和介孔变化会影响到平衡含水率，而褐煤孔隙结构变化也会影响赋存水分的表面和孔体积。水分复吸率与干燥温度成反比趋势，与孔体积的变化规律接近。这说明在高温干燥中，褐煤孔体积越小，其水分复吸量也就越小。

三、结语

综上所述，高温干燥对于褐煤孔隙结构及水分复吸高温具有重要的影响，高温干燥下半焦的等温吸附曲线均属于第Ⅱ类吸附等温线，YM-800℃干燥半焦的吸附回线有从L1型转变为L2型的趋势;干燥半焦的比表面积随干燥温度升高先增大后减小;介孔的变化对褐煤空间结构影响更大;不同干燥温度下半焦的水分复吸曲线变化趋势相同，呈现出先快后趋缓的特点，最终达到平衡。

参考文献：

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