提质褐煤复吸水分主要影响因素的解析及其动力学分析

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随着一次能源消耗的持续增长,优质煤储量大幅下降。低品质煤,尤其是相对丰富的褐煤资源的大规模开发利用可在较大程度上减轻我国能源资源短缺和环境污染的压力。褐煤高水分含量导致其运输成本较高、转化效率较低,在很大程度上限制了褐煤大规模利用的范围。为了使褐煤利用效率最大化,必须对其进行提质预处理。而提质褐煤具有的发达的孔隙结构及丰富的亲水性含氧官能团使其表面活性较高、极易复吸水分,因此有必要探究褐煤孔结构与含氧官能团对提质褐煤水分复吸影响的内在机制,以使提质煤储存过程中能够保持表面稳定,这对于褐煤提质具有重要指导意义。论文选取内蒙古锡盟褐煤作为研究对象,首先对褐煤原煤进行了不同程度的干燥提质,详细考察了不同提质煤样的孔结构特性、含氧官能团含量及水分复吸行为,分析了孔结构及含氧官能团对提质褐煤平衡含水量的影响;考察了水蒸气在煤样上的等温吸附行为及吸附动力学,初步探究了水蒸气在提质煤上的吸附机理。所得结果主要包括以下几个方面:(1)褐煤在热处理过程中的孔结构变化主要由大孔和中孔结构的收缩与坍塌引起,孔结构的这种变化导致了提质褐煤亲水性下降。孔结构的持水能力随干燥温度的升高而降低,且干燥温度高于280oC制得的提质煤中孔结构对平衡含水量的贡献相对较大。(2)提质煤与原煤中含氧官能团含量大小顺序一致,均为酚羟基>羰基>羧基>甲氧基。热处理过程中,甲氧基和羧基在160oC左右发生分解,羰基约在200oC开始分解,酚羟基较稳定,280oC分解显著。不同含氧官能团的持水能力不同,亲水性顺序为羧基>酚羟基>羰基>甲氧基;而同一种含氧官能团在不同程度提质煤中的持水能力也不相同,羧基的持水能力随干燥温度的升高显著下降,而甲氧基和羰基的持水能力随干燥温度的升高缓慢降低。干燥温度低于280oC制得的提质煤中含氧官能团对平衡含水量的贡献相对较大。(3)水分在褐煤表面的吸附曲线属于第II类吸附等温线,可用修正的BET模型进行描述。由修正BET模型计算所得提质褐煤对水分的单层饱和吸附量及第一类吸附热的值与煤中含氧官能团含量相关,含氧官能团含量越高,单层饱和吸附量及第一类吸附热的值越大。第二类吸附热的值与水蒸气的液化潜热接近。(4)在水分复吸过程中,吸附温度对扩散系数影响显著,相对湿度对扩散系数无明显作用,提质煤最可几孔径与扩散系数之间呈正相关;提质褐煤吸附水分的速率常数在整个吸附过程中均随吸附温度的升高而增大,随相对湿度及煤样干燥程度的增加有所下降。(5)相对湿度为0.75时,120oC与240oC条件下分别干燥60min的煤样对水分吸附的活化能分别为45.51kJ/mol与18.85kJ/mol。
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