彭好義，周孑民，彭庚，謝東江，劉艷軍

(1. 中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南黃沙坪鉛鋅礦生產(chǎn)部，湖南 郴州，424421)

型煤技術(shù)作為一項重要的潔凈煤技術(shù)，具有工藝簡單、投資少和成本低，且能提升燃煤品質(zhì)、提高燃燒效率、實現(xiàn)廢物利用和降低燃煤污染等特點[1-3]。目前，各種工業(yè)型煤如鍋爐型煤[4]、氣化型煤[5]、生物質(zhì)型煤[6-7]等得到大規(guī)模應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國型煤的年生產(chǎn)量已超過3000萬t[8]。不僅如此，近年來，由于焦炭和塊煤價格不斷高漲，使得一些原本采用焦炭或塊煤作燃料的生產(chǎn)企業(yè)如采用機立窯生產(chǎn)石灰的企業(yè)等，為降低生產(chǎn)成本，提出采用型煤代替焦炭或塊煤的新方法。然而，目前常用的普通工業(yè)型煤還不能滿足型煤代替焦炭或塊煤的生產(chǎn)要求，這就產(chǎn)生了研制高強型煤代替焦炭或塊煤的新課題。為此，彭好義等[9]采用正交實驗法研制出一種用于石灰立窯的高強代焦型煤。根據(jù)高強代焦型煤生產(chǎn)工藝可知，型煤的機械強度不僅與型煤黏結(jié)劑、成型參數(shù)及原料煤屬性有關(guān)，而且與型煤干燥過程密切相關(guān)[1,10]。因此，有必要深入研究高強型煤的干燥特性。林瑞泰[11]對含濕多孔介質(zhì)的熱對流干燥過程進行理論分析，并總結(jié)出多孔介質(zhì)熱對流干燥過程的一般特點。Moreno等[12]采用熱重分析法對木質(zhì)生物質(zhì)顆粒物在流化床上的干燥特性進行了實驗研究。國內(nèi)張玉軍[13]對型煤干燥過程含水率隨干燥時間和干燥溫度的變化規(guī)律進行了實驗研究，但沒有研究型煤內(nèi)部溫度隨干燥時間的變化規(guī)律，而且實驗采用間斷測量干燥過程中型煤的質(zhì)量的方法，給實驗結(jié)果帶來較大的誤差。在此，本文作者采用連續(xù)稱重和測溫的方法，對高強型煤干燥過程中型煤含水率及內(nèi)部溫度隨干燥時間的變化情況進行實驗研究，并研究型煤冷態(tài)機械強度隨含水率變化的基本規(guī)律，從而掌握高強型煤的干燥特性，以便為高強型煤干燥設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計及高強型煤干燥的運行管理提供指導。

1 型煤試樣制備

彭好義等[9]通過正交實驗研制出石灰立窯用高強代焦型煤。該型煤由低灰分和低揮發(fā)分的無煙粉煤和少量煙煤經(jīng)過一種優(yōu)化配制的復合黏結(jié)劑冷壓而成。本次試驗的型煤試樣即按該文中的最優(yōu)試驗方案制備。型煤原料煤為90%的無煙煤粉和10%的煙煤煤粉，煤粉的粒度組成為：0.5 mm以下煤粉占總量的58%，0.5～1.0 mm的粉煤占14%，1.0～2.0 mm的粉煤占17%，2.0～3.0 mm 的粉煤占 11%，復合粘結(jié)劑的添加量為5.72%。型煤試樣采用WE-100B型液壓萬能試驗機冷壓成型，成型壓力為20 kN。將制備好的濕型煤試樣為圓柱體，直徑為40 mm，質(zhì)量約40 g；型煤試樣的初始含水率wC0為13.8%(含水率wC定義為型煤中的水分質(zhì)量占濕型煤總質(zhì)量的百分比)。

2 濕型煤熱對流干燥特性曲線

2.1 試驗方法與裝置

自行設(shè)計濕型煤熱對流干燥試驗臺，其系統(tǒng)組成如圖1所示，設(shè)備性能見表1。

圖1 熱對流干燥實驗裝置系統(tǒng)圖Fig.1 System figure of thermal convection drying tester

表1 干燥實驗裝置Table 1 Experimental drying equipment and accuracies

試驗設(shè)定干燥溫度為150 ℃。為測試濕型煤干燥過程中型煤表面及內(nèi)部溫度隨干燥時間的變化，在成型后的濕型煤上共布置3個E型探針式熱電偶，其測點布置如圖2所示。圖2中：h為濕型煤高度；r為濕型煤半徑。

圖2 測溫點布置示意圖Fig.2 Sketch map of temperature measuring points

試驗時先將干燥箱預(yù)熱到設(shè)定溫度。將熱電偶固定在圖2所示的測點位置，并置于支架上的金屬網(wǎng)兜里，連接好熱電偶的連接導線后將支架置于電子秤上，稱量初始時刻(t0)的質(zhì)量。然后，將型煤移入到干燥箱內(nèi)進行熱對流干燥，并開始計時，多點溫度記錄儀開始自動記錄各測點溫度。在干燥過程中，前5 min內(nèi)每隔30 s，5～25 min每隔1 min，25 min后每隔5 min人工記錄1次電子天平的讀數(shù)，當型煤的含水率降至1.5%時結(jié)束試驗。經(jīng)測試，干燥箱內(nèi)的熱風風速為(0.52±0.05) m/s，室內(nèi)空氣相對濕度為57.1%。

在試驗過程中，干燥 ti時刻型煤的含水率 wCi的計算公式為：

式中：m0為干燥前濕型煤質(zhì)量，g；0m′為t0時刻電子秤的讀數(shù)，g；mi為干燥ti時刻電子秤的讀數(shù)，g。

2.2 試驗結(jié)果及分析

圖3 濕型煤干燥過程含水率變化曲線Fig.3 Change curves of water content of wet briquette

整理試驗數(shù)據(jù)得濕型煤熱對流干燥過程中含水率的變化曲線如圖3所示，整個干燥過程為90 min。從圖3可以看出：干燥0～3 min時，濕型煤的含水率下降幅度逐漸增大，為升速干燥期；干燥3～25 min時，濕型煤的含水率隨干燥時間呈直線下降，為恒速干燥期；干燥25～90 min時，濕型煤含水率隨干燥時間呈二次拋物線形下降，下降幅度逐漸變小，為降速干燥期。定義干燥時間從ti-1至ti時間段內(nèi)濕型煤的相對干燥速率DRi為：

DRi表征從ti-1至ti時間段內(nèi)濕型煤干燥的快慢程度，通過式(2)將圖3中的干燥曲線進行數(shù)據(jù)處理可得出濕型煤相對干燥速率的變化曲線，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出：濕型煤的熱對流干燥過程分為升速干燥期、恒速干燥期和降速干燥期3個階段，其中，升速干燥期歷時最短，約占總干燥時間的3.3%，恒速干燥期約占總干燥時間的 24.4%，而后期的降速干燥期歷時最長，在整個干燥過程中占支配地位。

圖4 型煤相對干燥速率變化曲線Fig.4 Change curve of wet briquettes drying rate

圖5 給出了濕型煤干燥過程中在圖2所示各測點的溫度隨干燥時間的變化曲線。從圖5可以看出：沿型煤半徑方向不同位置的溫度隨干燥時間的變化不同。結(jié)合圖4與圖5可明顯地看出：在濕型煤干燥過程中存在熱質(zhì)耦合現(xiàn)象，傳熱與傳質(zhì)相互影響[14]；干燥0～3 min時，濕型煤外表面溫度急劇上升(由12.5 ℃快速增加到 59.6 ℃)，促進了型煤表面水分的蒸發(fā)，使得型煤的相對干燥速率也快速提升。由于型煤內(nèi)部熱量的傳遞以導熱為主，而型煤導熱系數(shù)又較小，因此，型煤內(nèi)部的升溫速率比其外表面小，且自外向里逐漸降低；干燥3～25 min時，型煤外表面溫度升高較小。圖4中，干燥速率變化曲線近似地呈水平線。這是因為此階段型煤水分蒸發(fā)主要發(fā)生在外表面，干燥熱空氣傳遞給型煤的熱量主要被型煤表面水分蒸發(fā)所消耗，僅有少量的熱量在溫差作用下向型煤內(nèi)部傳遞[15]，從能量守恒關(guān)系上看，達到一個近似的平衡狀態(tài)，型煤的相對干燥速率保持基本不變。在此時間段內(nèi)，由于型煤自外向里存在一定的溫度差，熱量繼續(xù)自外向里傳遞，使得型煤內(nèi)部繼續(xù)升溫，但升溫速率較升速干燥期下降許多。干燥25 min后，型煤外表面又開始出現(xiàn)較明顯的溫升，此時，型煤外表面水分蒸發(fā)量開始減少，型煤吸收的熱量用于水分蒸發(fā)后還有剩余，這部分多余的熱量則促使型煤溫度升高。自此以后，型煤干燥進入降速干燥期。

圖5 各測點溫度與干燥時間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between temperature of measuring points and drying time

從測點2的溫升與干燥時間關(guān)系曲線可知：在型煤降速干燥期，存在蒸發(fā)相界面內(nèi)移的現(xiàn)象；在干燥時間為67～73 min時，測點2的升溫速度比其前后相鄰時間段明顯變緩，6 min內(nèi)，溫度升高僅1.8 ℃，溫度基本保持不變。這說明該時間段內(nèi)，測點2正處于蒸發(fā)相界面上，水分蒸發(fā)的吸熱量與得熱量基本保持平衡。

由于型煤干燥經(jīng)歷恒速干燥期后，其含水率仍高達 9.54%，因此，實際應(yīng)用中必須使型煤干燥進入降速干燥期。然而，實驗結(jié)果表明：型煤降速干燥期的干燥速率隨干燥時間增加而不斷下降。型煤干燥最終含水率要求越低，干燥所需的時間就越長，干燥的能耗以及干燥成本也就越大。因此，有必要進一步研究高強型煤干燥最終含水率與型煤機械強度的關(guān)系。

3 型煤含水率對冷態(tài)機械強度的影響

3.1 試驗方法與裝置

試驗采用分時干燥與強度測試的方法，從制備的一批濕型煤試樣中隨機選取10個，并分成5組，分別用精度為0.01 g的HT-1000B電子秤稱量每個試樣的質(zhì)量。采用FN101-2型電熱鼓風干燥箱作為濕型煤的干燥裝置，該裝置具有控溫功能，控溫靈敏度為1 ℃?？紤]到型煤干燥速度過快可能會對其機械強度造成不利影響，本次試驗干燥溫度設(shè)定為120 ℃。干燥箱內(nèi)風速為0.35 m/s。干燥時間設(shè)定為1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 h共5個時間段。將10個濕型煤平放于陶瓷盤內(nèi)，型煤之間保持1 cm左右間距。當干燥箱內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度時，將放置型煤的陶瓷盤平放于干燥箱內(nèi)，并開始計時。根據(jù)設(shè)定的干燥時間，依次取出干燥后的型煤試樣并置于帶蓋的器皿內(nèi)封閉冷卻，對冷卻后的型煤稱量后再進行冷態(tài)抗壓和冷態(tài)抗跌強度測試，測試方法見文獻[9]。為提高實驗準確性，共進行3次相同的實驗，取其平均值進行實驗結(jié)果分析。

3.2 試驗結(jié)果與分析

圖6所示為型煤冷態(tài)機械強度隨含水率的變化曲線。從圖6可以看出：型煤的冷態(tài)抗壓強度與冷態(tài)抗跌強度隨型煤含水率的變化具有相似性，隨著含水率的不斷降低，型煤冷態(tài)抗壓強度與冷態(tài)抗跌強度先升高后降低，存在極大值。從提高型煤強度方面來說，高強型煤干燥存在最佳含水率。

圖6 型煤冷態(tài)機械強度隨含水率變化曲線Fig.6 Curves of cold mechanical strength changing with water content of briquette

型煤干燥最佳含水率的確定具有重要的實用價值，它可作為型煤干燥實踐中結(jié)束型煤干燥的判據(jù)。當干燥條件確定以后，最佳含水率所對應(yīng)的干燥時間即為該條件下的最佳干燥時間。本次試驗得出的高強型煤的最佳含水率為 2.32%，在此干燥條件下的最佳干燥時間為2 h。

高強型煤冷態(tài)機械強度隨含水率的下降先升高后降低的原因如下：型煤壓制成型后，煤粒與黏結(jié)劑雖然形成絡(luò)合狀態(tài)，但由于型煤內(nèi)部存在較多的游離水，使得型煤內(nèi)部煤顆粒之間以及煤顆粒與黏結(jié)劑之間的間距較大，煤與黏結(jié)劑之間的結(jié)合力較弱且不穩(wěn)定，導致濕型煤的強度不高。隨著型煤干燥的不斷進行，型煤黏結(jié)劑水化后產(chǎn)生的凝膠體失水固結(jié)硬化，與煤顆粒的邊緣基團結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的物質(zhì)[16]。煤顆粒與煤顆粒之間就靠這一穩(wěn)定物質(zhì)結(jié)合在一起，形成具有一定強度的型煤。從另一角度來看，型煤成型后，濕型煤顆粒之間存在著一層具有較強表面張力的黏結(jié)劑液膜。隨著型煤干燥的不斷進行，游離水分逐漸蒸發(fā)，黏結(jié)性液膜逐漸變薄，其表面張力逐漸增大。煤顆粒在這表面張力的作用下發(fā)生微小位移，并產(chǎn)生一定的搭接，使得煤顆粒彼此之間靠得更近，接觸更緊密。當煤顆粒間的液膜蒸發(fā)完后，相當于失去了煤顆粒間的“潤滑劑”，煤顆粒間的機械嚙合力增加[1,17]。因此，高強型煤的冷態(tài)機械強度隨含水率的下降而不斷升高。但是，當型煤含水率達到最佳含水率以后，因蒸發(fā)界面內(nèi)移，型煤內(nèi)部干燥區(qū)域面積不斷增大，蒸發(fā)界面水分蒸發(fā)量不斷下降，型煤內(nèi)部溫度上升加快。由于型煤是由煤顆粒和復合黏結(jié)劑組成的復合體，各物質(zhì)之間的熱膨脹系數(shù)存在一定的差異，型煤內(nèi)部各部分因熱膨脹而發(fā)生的形變差異無法通過自身的協(xié)調(diào)而消除，因而必然產(chǎn)生熱應(yīng)力。隨著熱應(yīng)力的積累，導致型煤內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的改變。型煤內(nèi)部熱應(yīng)力的產(chǎn)生是導致型煤因過度干燥而降低其冷態(tài)機械強度的根本原因。

4 結(jié)論

(1) 高強濕型煤的熱對流干燥過程經(jīng)歷升速干燥期、恒速干燥期和降速干燥期3個階段，其中，升速干燥期歷時最短，恒速干燥期約占總干燥時間的24.4%，而降速干燥期在整個干燥過程中占支配地位。

(2) 濕型煤干燥過程中存在熱質(zhì)耦合現(xiàn)象，型煤溫度自外向內(nèi)隨干燥時間的變化不同。在型煤干燥過程中，存在蒸發(fā)界面內(nèi)移的現(xiàn)象。

(3) 高強型煤熱對流干燥過程中其冷態(tài)機械強度隨含水率的降低先增加后降低，型煤干燥存在最佳含水率，試驗條件下高強型煤干燥的最佳含水率為2.32%。

[1] 徐振剛, 劉隨芹. 型煤技術(shù)[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2001:2-10 XU Zhen-gang, LIU Sui-qin. Briquette technology[M]. Beijing:Coal Industry Press, 2001: 2-10.

[2] 吳占松. 煤炭清潔有效利用技術(shù)[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社,2007: 3-13.WU Zhan-song. Coal clean utilization technology[M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2007: 3-13.

[3] 錢劍青, 任有中, 李洪強, 等. 固硫潔凈型煤的工業(yè)性應(yīng)用研究[J]. 浙江大學學報: 工學版, 2001, 35(4): 356-359.QIAN Jian-qing, REN You-zhong, LI Hong-qiang, et al.Research on the industrial utilization of and combustion of clean desulfurized briquette[J]. Journal of Zhejiang University:Engineer Science, 2001, 35(4): 356-359.

[4] 溫翔宇, 閻亞明, 武戈, 等. 鍋爐型煤的技術(shù)經(jīng)濟分析及其應(yīng)用途徑[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 1999, 22(4): 21-25.WEN Xiang-yu, YAN Ya-ming, WU Ge, et al. Tech-economic analysis of boiler briquette and its application[J]. Coal Conversion, 1999, 22(4): 21-25.

[5] 王燕芳, 高晉生, 吳春來. 氣化型煤粘結(jié)劑的研究[J]. 華東理工大學學報, 1998, 24(2): 150-156.WANG Yan-fang, GAO Jin-sheng, WU Chun-lai. Study on binder used in gasification briquette[J]. Journal of East China University of Science and Technology, 1998, 24(2): 150-156.

[6] Amaya A, Medero N, Tancredi N, et al. Activated carbon briquettes from biomass materials[J]. Bioresource Technology,2007, 98(8): 1635-1641.

[7] Yaman S, Sahan M, Haykiri-Acma H, et al. Fuel briquettes from biomass-lignite blends[J]. Fuel Processing Technology, 2001,72(1): 1-8.

[8] 張香亭. 我國工業(yè)型煤發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)方向[J]. 遼寧工程技術(shù)大學學報: 自然科學版, 2002, 21(4): 533-534.ZHANG Xiang-ting. Development and technology direction of industrial briquette in china[J]. Journal of Liaoning Technical University: Natural Science Edition, 2002, 21(4): 533-534.

[9] 彭好義, 周孑民, 鄧勝祥, 等. 采用正交試驗法優(yōu)配石灰立窯代焦型煤的研究[J]. 煤炭學報, 2006, 31(6): 799-803.PENG Hao-yi, ZHOU Jie-min, DENG Sheng-xiang, et al.Optimization study of lime shaft furnace briquettes as a coke substitute with orthogonal experiments[J]. Journal of China and Society, 2006, 31(6): 799-803.

[10] Blesa M J, Miranda J L, Izquierdo M T, et al. Curing time effect on mechanical strength of smokeless fuel briquettes[J]. Fuel Processing Technology, 2003, 80(2): 155-167.

[11] 林瑞泰. 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)引論[M]. 北京: 科學出版社,1995: 12-45.LIN Rui-tai. Introduction to heat and mass transfer of porous media[M]. Beijing: Science Press, 1995: 12-45.

[12] Moreno R, Antolin G, Reyes A, et al. Drying characteristics of forest biomass particles of pinus radiate[J]. Biosystems Engineering, 2004, 88(1): 105-115.

[13] 張玉軍. 型煤干燥過程的研究[J]. 潔凈煤技術(shù), 1999, 5(2):29-30.ZHANG Yu-jun. Study on the drying process of briquettes[J].Clean Coal Technology, 1999, 5(2): 29-30.

[14] Whitaker S. Simultaneous heat, mass and momentum transfer in porous media:a theory of drying[J]. Advances in Heat Transfer,1977, 13: 119-203.

[15] 張哲, 楊世銘. 多孔介質(zhì)對流干燥機理及其模型[J]. 化工學報, 1997, 48(1): 52-58.ZHANG Zhe, YANG Shi-ming. Mechanism and mathematical model of heat and mass transfer during convection drying of porous media[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering,1997, 48(1): 52-58.

[16] 楊永斌, 黃桂香, 姜濤, 等. 有機粘結(jié)劑替代膨潤土制備氧化球團[J]. 中南大學學報: 自然科學版, 2007, 38(5): 850-854.YANG Yong-bin, HUANG Gui-xiang, JIANG Tao, et al.Application of organic binder as substitutes for bentonite in pellet preparation[J]. Journal of Central South University:Science and Technology, 2007, 38(5): 850-854.

[17] 趙玉蘭, 常鴻雁, 吉登高, 等. 粉煤成型機理研究進展[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 2001, 24(3): 12-14.ZHAO Yu-lan, CHANG Hong-yan, JI Deng-gao, et al. The research progress on the briquetting mechanism of fine coal[J].Coal Conversion, 2001, 24(3): 12-14.