褐煤振动热压脱水工艺与机理研究

发布时间：2020-07-18 02:01

【摘要】：近年来中国对于褐煤的开采逐渐增加,成为部分区域的主要能源来源,但是过高的水分含量高影响了褐煤大规模应用,褐煤高效脱水是实现褐煤大规模利用的必要前提。本文提出了褐煤振动热压脱水工艺,将振动力场引入热压脱水工艺,加速了热压脱水过程,获得了更高的脱水效率,并且在较温和的工艺条件下同时完成褐煤脱水和成型过程,避免了脱水后褐煤粉化、复吸和自燃等问题。研究了不同温度、机械压力与振动条件下振动热压与热压过程对昭通褐煤、小龙潭褐煤与蒙东褐煤中水分的脱除的影响,分析了脱水后煤样的物理化学结构变化。振动力场作用能够提升褐煤热压脱水的脱水率,并能够促进热压脱水过程的进行,提高脱水速率,降低脱水过程耗时。在温度为200oC、机械压力为10MPa、振动强度为3.14MPa、振动频率为50Hz的情况下,昭通褐煤中80.0%的水分被脱除,比热压脱水工艺高出10%左右。随着脱水进行,褐煤孔隙率持续降低,褐煤孔径分布发生显著改变,颗粒间孔与大孔明显降低,中孔有所增加;煤样平均孔径随水分含量的降低而减小,但是比表面积没有明显的趋势性变化。探讨了温度场、机械力场与振动力场对脱水过程的作用机理。温度升高使褐煤中更多的水分处于活化状态,在单位时间内更多的水分流动单元能够越过能量势垒,提高了流动单元定向移动的速率,促进了水分的脱除。机械压力升高提升了煤样中液相的分压力,在水分出口压力不变的情况下,提升了褐煤中水分渗流压降,获得更高的体积流速。机械压力升高也提高了褐煤中固相的分压力,较高的压力能够降低煤样的孔隙率,减少水分赋存空间。振动强度的提升有助于降低褐煤中的水分含量,振动强度在1.13MPa至3.40MPa的范围内变化能够对褐煤振动热压脱水产生较为明显的影响。当振动频率与煤样的固有频率较为接近时脱水效果最好,过高或者过低的振动频率会对振动力对脱水的促进作用产生负面影响。振动热压脱水过程将水分脱除到某一定值所需时间明显低于热压脱水过程,具有更高的脱水效率。在初始煤样质量较大时,振动力对热压脱水过程的促进更加明显,完成同样的脱水过程振动热压脱水所需的时间远低于热压脱水,使脱水效率得到大幅度的提升。证实了褐煤振动热压脱水成型一体化的可行性,在实验条件范围内,昭通褐煤和小龙潭褐煤经振动热压脱水过程处理后其型煤强度可达到935.3k Pa和514k Pa,能够满足运输、存储的要求。工艺条件与煤质特性对热压与振动热压脱水过程中褐煤无粘结剂成型特性具有重要影响。温度升高能够使煤中焦油沥青等粘结性物质发生软化,增加粘结性,提高脱水后型煤的抗压强度;机械压力升高能够缩小褐煤颗粒间的间隙,使得褐煤颗粒间的排列更加密实,增加颗粒间的接触面积,提升型煤产品的抗压强度;振动强度增加能够促进振动热压脱水过程中褐煤中水分的脱除,并且能够促使褐煤颗粒排列的更加紧密,从而提升了型煤产品的抗压强度。但是振动强度过高会破坏褐煤颗粒的结构,不利于褐煤颗粒间形成稳固的作用力,降低型煤产品的抗压强度;振动频率在褐煤固有频率附近时容易产生共振现象,可取得最好的成型效果,过高或者过低的振动频率均不利于成型。脱水后型煤产品中较低的水分含量有利于强化褐煤颗粒表面见的吸引力,提高型煤的抗压强度;腐殖酸以及羧基(-COOH)、羟基(-OH)等官能团能够促进褐煤颗粒表面间氢键的形成,增强颗粒界面间的吸引力,提升型煤产品的抗压强度。测定了煤炭脱水过程中的能量消耗,基于脱水过程能量消耗将脱水过程划分为3个阶段:第1阶段,脱水能耗不高于2300 k J/kg,主要脱除存在于褐煤颗粒间孔与大孔中的水分;第2阶段,脱水能耗为2300~3500 k J/kg,脱除的水分主要为存在于尺寸较小的孔隙和毛细管中的水分以及官能团周围的水簇;第3阶段,脱水能耗不低于3500 k J/kg,脱除的水分主要为直接受到官能团的作用而吸附与煤表面的水分。煤中羧基官能团对脱水过程的影响起到主导作用,煤中水分含量随着羧基官能团含量的增加近似于线性增加,在各个脱水阶段中脱除的水分含量与煤样中羧基官能团浓度呈线性关系;从脱水的第2阶段开始,在煤样中水分含量相同时,脱除水分所需要的能量随羧基官能团含量增加近似线性增加。基于实验分析结果获得了基于褐煤表面羧基官能团浓度影响下的脱水过程能量消耗的数值计算方法,为褐煤振动热压脱水过程模拟奠定基础。基于温度对煤样中水分的活化作用与脱水过程能耗计算了振动热压与热压脱水过程中煤样中活化水分含量;提出了煤中活化水分所占据的空间为脱水过程中水分迁移的有效通道,定义了有效孔隙率;使用有效孔隙率替代常用的孔隙率概念,并应用与褐煤振动热压脱水过程模拟;获得了振动热压脱水过程中煤中固相与液相分压的数值关系;建立了褐煤振动热压脱水过程数学模型,模拟结果与实验结果基本吻合,较为准确的描述了褐煤振动热压脱水过程机理。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ536
【图文】：

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图 1-1 煤炭脱水方法分类Figure 1-1 Technologies of Coal Dewatering脱水燥[3, 55]干燥器可分为直接加热转筒干燥器、间接加热转筒干燥器热转筒干燥器示意图如图 1-2(a)所示。其基本流程是：煤输送进转筒干燥器，在干燥器内与热烟气直接接触加热褐煤，褐煤内水分受热蒸发，从而实现褐煤的干燥。热烟气同相移动，即并流操作。并流操作时干燥器出口端小，有助于减轻颗粒的粉化现象。由于转筒干燥操作过量较高，需严格控制热烟气中的氧含量以避免发生着干燥器(图 1-2(b))圆筒内以同心圆方式排列 1~3 圈加热

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b 间接加热图 1-2 转筒干燥器示意图[55]Figure 1-2 The schematic diagram of a rotary-drum drying system式回转干燥器改进自间接加热转筒干燥器，不同之处在于管式回转料走管层，热载体走壳层。管式回转干燥器示意图如图 1-3 所示，褐煤原煤通过布料装置进入筒内的众多干燥管中，煤通过重力和干片的导流作用在干燥管内运动，在圆筒内干燥管外部通入热载体，换加热干燥管内的褐煤原煤，使煤中所含的水分蒸发逸出，从而达。与转筒干燥器相比，管式回转干燥器所需热载体的温度较低，一可降低褐煤自燃的风险；但是管式回转干燥器能处理的煤料粒度低于 6.3mm，限制了其应用范围。

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图 1-3 管式回转干燥器示意图[19]igure 1-3 The schematic diagram of a rotary tubular drying干燥工艺燥工艺示意图如图 1-4，螺旋传送器置于壳体内脱除其中水分[56, 57]。加热介质可以是热水、蒸汽油类、熔盐。设备的外壳和轴可以设计成中空结用最小的设备体积获得更大的换热面积。螺旋传螺旋传送干燥器可广泛应用于干燥各种形态固体性的物体和纤维状物体皆可使用此装置进行干燥点：可实现间接换热，可实现真空操作，换热效于其它干燥装置；由于使用间接加热的方式，降如果使用过热蒸汽、氮气充满壳内空间，或者使，螺旋传送干燥工艺可完全避免着火事故的发生多级干燥的一部分使用，使用两级螺旋传功干燥和其它干燥方式(例如，振动床干燥)合理组合，

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