蒙东褐煤的干燥特性及其对水分复吸的影响

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长久以来,煤炭一直是我国的主体能源。近年来,虽然在一次能源消费中所占比例有所下降,但其生产与消费量持续增加,高品质煤炭资源的短缺已逐渐成为我国国民经济持续发展中必须面对的突出问题。大规模开发低品质煤,尤其是储量相对丰富的褐煤资源,对于满足我国快速增长的能源需求及实现节能减排的目标具有重要意义。我国褐煤资源丰富,但因其具有含水量高、热值低、易风化和自燃等特性,且干燥提质后易复吸,使得褐煤利用效率低,经济性差,因此在大规模利用褐煤资源之前必须进行褐煤的干燥提质。褐煤的脱水机理及其主要影响因素、脱水过程与干燥煤再吸附水分的能力间的关系以及脱水煤复吸的主要因素等尚不清楚,这在很大程度上限制了褐煤的有效利用。基于此,本研究选取具有代表性的蒙东褐煤为研究对象,考察了温度、粒径、时间、气氛等因素对褐煤干燥行为的影响,研究了不同条件下脱水煤的水分复吸特性,表征了褐煤干燥前后样品孔结构特性和表面活性基团的变化,并与其复吸行进行了关联。实验结论主要包括以下几个方面:干燥过程中,褐煤的脱水效率随温度的升高而增大,孔结构的破坏程度随之加深,促进了孔隙内水分的脱除,在120℃时干燥效率已趋于100%;当干燥温度继续升高到160℃时,褐煤表面的含氧基团(-COOH)发生分解,释放出CO2气体。干燥褐煤的复吸能力随干燥温度的升高呈现先增大后减小的趋势,100℃时干燥煤样的水分复吸量最低;但不同条件干燥煤样的总水分含量随温度的升高而降低,160℃干燥煤样总水分含量最少。在干燥的初始阶段,褐煤表面结构受到破坏,出现膨胀龟裂的现象。在此过程中,大孔首先坍塌,碎裂成孔径更小的结构,比表面积、孔隙率等都有所增加。但随着干燥温度的升高,褐煤孔结构破坏程度加深,孔与孔之间发生交联反应,致使一部分孔道结构堵塞。对比孔结构变化以及复吸量变化可以发现,中孔结构在很大程度上影响着干燥提质褐煤的复吸过程。对于粒径较小的煤样来说,由于比表面积更大,受热时能够吸收更多的热量,更有利于水分的脱除,干燥效率更高。对比MIP表征结果发现,小粒径煤样的孔隙结构不如大粒径煤样的发达,在相同的干燥条件下孔结构的破坏程度也较深。因此,干燥煤复吸过程中,复吸效率随粒径的减小而降低。这也从一个侧面反应了干燥煤复吸过程中,中孔发挥了更大的作用,对中孔结构的调节是控制水分复吸的主要因素。褐煤的干燥效率随干燥时间的延长呈现规律性的变化。随着干燥时间的延长,水分脱除量增大,随后趋于平衡。且随着干燥温度的升高,达到平衡所需的时间缩短。不同干燥时间所得煤样的复吸量不同,主要表现为随干燥时间的延长,呈现先增大后减小的趋势,且干燥时间为30min时,水分的复吸量最大。对比不同干燥煤样的总水分含量发现,干燥时间为20min所得煤样的总水分含量最少。CO2气体分子呈直线型,更利于与煤中水分子发生置换;在褐煤表面活性位点吸附的能力比CH4气体强。与Ar气氛相比,C02气氛有着更高的干燥效率,但随着干燥温度的升高,两者间的差距减小。CO2气体能够使褐煤表面提前发生膨胀龟裂,扩孔作用较明显,干燥煤样的中孔体积含量比Ar气氛下干燥煤样大,复吸能力强。褐煤干燥过程中,CO2气体对孔结构特性的改变是一个循序渐进的过程,随着干燥时间的延长,CO2气氛下的干燥效率逐渐大于Ar气氛。
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