印尼褐煤干燥和水分再吸收特性的试验研究

印尼褐煤干燥和水分再吸收特性的试验研究 李先春1 ,3 ,余江龙2 ,胡广涛1 ,汪 　琦1 ,3 (1. 辽宁科技大学材料科学与工程学院 ,辽宁 鞍山 114051 ; 2. 沈阳航空工业学院能源与 动力工程学院 ,辽宁 沈阳 110036 ; 3. 大连理工大学化工学院 ,辽宁 大连 116012) 摘要 :利用热重分析仪 (TGA)和等温吸湿实验装置对一种印尼褐煤干燥和水分再吸收过程进行了试验研究。结果表明干 燥过程的平均表观活化能为 25177 kJ/ mol ,脱去吸附水的表观活化能为 33114 kJ/ mol。吸湿等温线的形状为 S 型等温线 ,Chung Pfost 数学模型更适合于拟合印尼褐煤的等温吸湿过程。 关键词 :褐煤 ;干燥动力学 ;等温吸湿 中图分类号 :TQ531. 1 　 文献 标识 采样口标识规范化 下载危险废物标识 下载医疗器械外包装标识图下载科目一标识图大全免费下载产品包装标识下载 码 :A 　 文章编号 :0253 - 4320 (2009) S1 - 0005 - 03 Experimental study on drying and moisture adsorption characteristics of an Indonesian lignite LI Xian2chun1 ,3 , YU Jiang2long2 , Hu Guang2tao1 , WANG Qi1 ,3 (1. School of Material Science and Engineering , University of Science and Technology Liaoning , Anshan 114051 , China ; 2. School of Energy and Dynamic Engineering , Shenyang Institute of Aeronautical Engineering , Shenyang 110136 , China ; 3. School of Chemical Engineering , Dalian University of Technology , Dalian 116012 ,China) Abstract : The drying kinetics of low rank coal and moisture adsorption of the dried coal using a thermobalance and a climatic chamber are investigated. Results show that the average apparent activation energy ( E) of drying is 25177 kJ/ mol ,the apparent activation energy of removing adsorbed water is 33114 kJ/ mol. The shape of sorption isotherm is S2style. Chung Pfost mathematical model is more suitable for the isothermal moisture adsorption process. Key words : lignite ; drying kinetic ; isothermal moisture adsorption 　收稿日期 :2009 - 07 - 19 　作者简介 :李先春 (1972 - ) ,男 ,硕士 ,副教授 ,主要研究方向为煤的洁净燃烧技术 ,0412 - 5929536 ,askd1972 @163. com ;余江龙 (1965 - ) ,男 ,博士 , 教授 ,主要研究方向为煤炭转化过程中污染物形成理论和控制技术、低阶煤清洁转化理论及低阶煤提质和型煤技术 ,通讯联系人 , 024 - 89724438 ,jianglong. yu @syiae. edu. cn。 　　印度尼西亚拥有丰富的煤炭资源 ,其中褐煤的 蕴藏量丰富 ,我国华东华南地区的电厂每年进口大 量的印尼褐煤。与烟煤、无烟煤相比 ,褐煤的优点是 挥发份含量高、反应性好 ,缺点是水分含量高、热值 相对较低 ,长期堆放极易自燃。从运输成本和燃烧 热值方面考虑 ,褐煤需要在干燥与提质处理后才能 被有效的利用。褐煤干燥后重新吸收水分易导致煤 的自燃。关于褐煤干燥动力学特性和水分再吸收数 学模型的研究 ,国内外报道较少 ,研究褐煤干燥和水 分再吸收特性对于指导干燥设备的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和实际操作 运行具有现实意义。 1 　实验部分 111 　实验样品 选取一种典型的印尼褐煤 ,煤的元素分析和工 业分析见表 1。煤样用小型球磨机磨制成煤粉 ,然 后用振动筛筛分成 63～90μm 的样品。样品装入充 满氮气密封的塑料袋内 ,并保存在零摄氏度环境下 备用。 表 1 　印尼褐煤的工业分析与元素分析 % 工业分析 元素分析 Mad Aad Vad Cd Hd Od Nd Sd 24100 2130 37110 69130 4179 21160 1100 0124 112 　实验设备和方法 干燥动力学实验采用法国 Setaram 的 Labsys 综 合热分析仪 ,用 Al2O3 坩埚称取 10 mg 样品放入热分 析仪中。实验采用 2 种升温方式 ,方法 1 使样品在 35 ℃下恒温 90 min ,然后从 35 ℃升温到 110 ℃,升温 速率为 015 ℃/ min。方法 2 采用相同的升温速率使 样品从 35 ℃直接升温到 110 ℃。实验过程中通氮 气 ,气体流量为 50 mL/ min。 水分再吸收实验称取煤样 200 mg 平铺在陶瓷 皿上 ,在 80 ℃下干燥后迅速放入吸湿实验装置内。 ·5· 第 29 卷增刊 (1) 现代化工 Sep . 2009 2009 年 9 月 Modern Chemical Industry 利用电子天平 (德国 Satorius BT224S ,精度 011 mg)连 续记录样品质量的变化 ,数据被传输到计算机并存 储在 Excel 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 中 ,记录间隔为 1 min。实验装置的 密封容器中分别装入 KOH、LiCl、CH3COOK、MgCl2、 Mg (NO3) 2·6H2O、NaCl、KCl 和 K2SO4 的饱和溶液。 实验进行 12 h ,直到煤样达到吸湿平衡。 2 　结果与讨论 211 　干燥动力学 水分按照其在煤中存在的状态 ,可以分为表面 水、毛细水、吸附水和结晶水。表面水和毛细水以薄 层的形式覆盖在煤颗粒和大孔的表面 ,很容易从煤 中除去。而脱除吸附水则需要更多的能量 ,这个能 量用于克服煤的结构中水分子与亲水因子之间形成 的氢键。煤的热力干燥过程可以表示为 :A (固体) B (固体) + C(水蒸气) ,宏观动力学参数的测定 可以采用 Coats - Redefern 积分方法求解。假定在恒 定升温速率下 ,干燥过程为简单反应 ,其动力学方程 可表示为 : dα/ d T = ( A/β) ·e - E/ R Tf (α) ,式中α为 试样转化率 ; E 为干燥过程的表观活化能 ,J / mol ; A 为频率因子 ,min - 1 ;R 为气体常数 ,81314J / (mol·K) , T 为温度 ,K; f (α) 为反应机理 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数 ;β为升温速率 , K/ min。其中α可以用下式表示 :α = ( w0 - w ) / ( w0 - w ∞) ,式中 w0 为煤样的初始质量 ,mg ; w ∞为 煤样干燥后的最终质量 ,mg ; w 为煤样在 t 时刻的质 量 ,mg。Coats - Redefern 对上述动力学方程进行积 分 ,近似求解后可以得到 ln[ G(α) / T2 ] = ln[ AR(1 - 2R T/ E) /βE] - E/ R T ,式中 G(α) 为 f (α) 的积分形 式 ,可以用下式表示 : G(α) = ∫α0 dα/ f (α) 。 利用相关系数判别法[1 ] ,文献[2 ]求出了一种印 尼褐煤干燥过程的最概然机理函数 G (α) = [ - ln (1 - α) ]1/ 3。本文利用其结果对实验数据进行 处理 ,求得的干燥动力学参数见表 2。从表中数据 可以看出褐煤干燥过程的表观活化能数值在 25177～33114 kJ / mol 之间 ,与文献 [ 2 - 6 ]求得的数 据相吻合。由于方法 1 是使煤在 35 ℃停留 90 min , 这样的干燥过程可以使煤中的表面水和毛细水脱 去。然后升温到 110 ℃,煤脱去的是物理吸附水和 化学吸附水。采用 Coats - Redefern 方法求解的活化 能应当为脱去吸附水的值。而方法 2 是使煤直接从 35 ℃升温到 110 ℃,煤中的表面水、毛细水和吸附水 分在升温过程中依次脱去 ,求解的应当为干燥过程 的平均表观活化能。因此方法 1 求得的表观活化能 值大于方 法 2。 表 2 　印尼褐煤干燥动力学参数 表观活化能 E/ kJ·mol - 1 指前因子 ln(A/ min - 1) 相关系数 R2 方法 1 33114 6195 01973 方法 2 25177 2101 01987 212 　水分再吸收特性 图 1 　褐煤在 30 ℃动态吸湿曲线 图 1 为印尼褐煤干燥后的煤样在 30 ℃下吸湿 率随时间变化曲线。褐煤是一种类似于胶体的多孔 性物质 ,在干燥过程中会发生孔的收缩和崩塌。干 燥温度提高会增加孔收缩和崩塌的程度 ,进而影响 水分的吸收过程。在干煤样的吸湿过程中 ,吸湿能 力随着时间的增加而增大 ,吸湿首先在煤的表面进 行 ,随着吸湿过程的进行 ,水蒸气需要通过孔隙向煤 的内部扩散 ,由于干燥导致扩散通道的破坏 ,使得水 蒸气向微孔内的扩散受到阻碍 ,吸湿速率降低 ,并最 终达到平衡。 　　(上接第 4 页) [3 ] 赵庆波 ,田文广. 中国煤层气勘探开发成果与认识 [J ] . 天然气 工业 ,2008 ,28 (3) :16 - 18. 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[11 ] 赵庆波 ,田文广 ,孙钦平. 我国煤层气产业政策解读及建议[J ] . 天然气工业 ,2008 ,28 (7) :8 - 11. ■ ·6· 现代化工 第 29 卷增刊 (1) 图 2 　褐煤在 30 和 40 ℃等温吸湿曲线 图 2 为印尼褐煤干燥后的煤样在 30 ℃和 40 ℃ 下的等温吸湿曲线 ,可看出在同一温度下平衡水分 随着相对湿度的增加而增加。等温线的形状为 S 型 属于 Ⅱ型等温线。这和文献 [ 3 ]中观察到澳大利亚 褐煤吸湿等温线形状是一致的。在一定的相对湿度 下 ,随着温度升高平衡含水率下降 ,褐煤的吸湿率 下降。 许多农产品是多孔吸湿性物料 ,国内外学者提 出了很多描述农产品水分吸附等温线的数学模型 , 但对于褐煤在相关文献中却未见报道。表 3 列举了 文献[7 - 10 ]中描述食品水分等温吸附的模型 ,借鉴 上述模型 ,利用 Origin 软件采用非线性拟合的方法 , 对印尼褐煤等温吸湿的数据进行处理 ,其结果见 表 3。可看出 Chung Pfost 模型的相关系数要大于其 他模型 ,因此该模型更适合于描述印尼褐煤的等温 吸湿过程。 表 3 　褐煤吸湿模型及其拟合参数 数学模型 模型方程 系数 A 系数 B 相关系数 R2 特征参数 Oswin m = A [ aw/ (1 - aw) ] B 011022 012186 019674 Henderson m = [ - ln (1 - aw) / A ]1/ B 010048 211244 019723 Chung Pfost m = - 1/ B·ln[ - ln aw/ A ] 2511319 3414828 019897 Smith m = A + Bln (1 - aw) 010729 - 010362 019352 Hasley m = ( A/ ln aw) 1/ B 0100013 419727 019542 m :平衡水分 ;aw :相对湿度 ;A ,B :系数 3 　结语 印尼褐煤干燥过程的平均表观活化能数值为 25177 kJ / mol 之间 ,脱去吸附水的表观活化能为 33114 kJ / mol。印尼褐煤的吸湿等温线形状为 S 型 等温线 ,在一定的相对湿度下随着温度升高其吸湿 能力下降。同其他数学模型相比 ,Chung Pfost 模型 更适合于拟合印尼褐煤的等温吸湿过程。 参考文献 [1 ] 李靖华 ,张桂恩 ,黄山. 草酸锰分解过程的机理函数判别和动力 学研究[J ] . 高等学校化学学报 ,1991 ,12 (11) :1513 - 1516. 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