论文部分内容阅读
摘要： 在不同的加热温度、保温时间、粒度提质条件下，对内蒙古锡林浩特褐煤进行低温干燥，研究了提质后褐煤的表观性质，分析了提质前后褐煤的水分、挥发分、发热量的变化，得出各提质条件对褐煤表观性质的影响从大到小依次为煤样粒度、加热温度、保温时间.综合考虑提质条件对褐煤表观性质的影响、提质后所需褐煤的水分和挥发分要求以及现有的试验设备和试验条件等因素考虑，最终确定褐煤干燥提质的条件为：煤样粒度6 mm，加热温度200 ℃，保温时间20 min.
关键词： 褐煤； 低温干燥； 提质
中图分类号： TQ 531文献标志码： A
Influence of qualityimproving conditions on
lignite surface characteristics
LV Yuting， HE Ping， ZHAO Liying， ZHANG Shancheng
（Heilongjiang Institute of Science and Technology，Harbin 150027，China）
Abstract： Under different qualityimproving conditions，i.e.the heating temperature，the heatretaining time and the particle size，lowtemperature drying of lignite samples from Xilinhot，Inner Mongolia，was carried out，and the surface characteristics of lignite of the improved quality were investigated in this paper.Variations of moisture and volatile contents，and heat value of the lignite samples before and after quality improvements were analyzed.It was concluded that the particle size has the greatest impact on the lignite surface characteristics and the heatretaining time has the smallest impact.According to a comprehensive consideration for the impacts of qualityimproving conditions on the lignite surface characteristics，the required moisture and volatile contents of qualityimproved lignite，and existing experimental devices and experimental conditions，the conditions for lignite quality improvement by drying were finally determined as follows：the particle size is 6 mm，the heating temperature is 200 ℃ and，the heatretaining time is 20 min.
Key words： lignite； lowtemperature drying； quality improvement
世界褐煤的地质储量约为4万亿t，1995年底已探明的褐煤及烟煤储量达到5 100亿t，以欧洲和亚洲居多，各国的褐煤可采储量，前苏联和德国位居前列，我国褐煤可采储量为186亿t，居世界第6位[1]，其中75%分布在内蒙古东北部地区，12.5%分布在西南地区[2]，东北、华东和中南地区的褐煤只占全国储量的5%左右.褐煤属低变质程度煤，本身具有三高二低即高水分、高灰分、高挥发份、低热值、低灰熔点的特点，使其只能是一种劣质燃料，一度出现了现采现烧的状况[3].为了改变这一现状，提高褐煤的利用效率，许多专家学者就褐煤提质进行了研究[4-8]，且取得了一定成果，本文就褐煤提质条件对褐煤表观性质的影响进行研究分析.
能源研究与信息2013年第29卷
第3期吕玉庭，等：提质条件对褐煤表观性质的影响研究
1试验材料与方法
1.1样品分析
煤样选取内蒙古锡林浩特褐煤，按照GB/T 212—2001进行工业分析得到煤样水分Mad为21.75%，灰分Aad为15.53%，挥发分Vad为49.13%，发热量Qnet，ad为21 376 kJ·kg-1，由此确定该煤样为中老年褐煤.
1.2试验设计
取1 kg煤样经均匀化缩分后均分为三份，用万能粉碎机粉碎1 min，分别破碎至1 mm、3 mm、6 mm以下，作为试验煤样备用.经过对褐煤干燥的前期探索，褐煤低温干燥所需温度在300 ℃左右、保温时间40 min左右.为了探索煤样的提质优化条件，掌握提质条件对煤样提质过程中的影响，综合考虑褐煤破碎功耗和初步试验结果，确定采用粒度、干燥温度、保温时间三个试验因素进行正交设计.试验因素水平见表1.正交表试验方案设计与试验结果见表2.
表1因素水平表
Tab.1Table of factor level
因素A（粒度）/mmB（温度）/℃C（时间）/min水平1120020水平2330040水平3640060 表2L9（34）正交表
Tab.2Orthogonal array of L9（34）
序
号因素水平ABC实验方案Mad/%Vad/%Qnet，ad/
（kJ·kg-1）1111A1B1C110.1145.9821 3762122A1B2C29.1834.6821 2593133A1B3C36.5526.3221 6764213A2B1C310.5039.4021 5315221A2B2C111.0239.9221 0326232A2B3C27.9430.5821 6487312A3B1C213.4545.8721 3228323A3B2C310.4635.0021 6469331A3B3C111.7738.5522 611
2试验结果分析
2.1干燥温度对褐煤的影响
干燥温度反映着褐煤在干燥过程中的提质程度，因此干燥温度对褐煤低温干燥抗氧化性有着重要影响.干燥温度对挥发分、发热量、水分的影响如图1所示.
图1干燥温度对褐煤提质后性质的影响
Fig.1Effect of heating temperature on lignite
quality after improvement
由图1可以看出随着温度升高，褐煤外在水分和内在水分释放，到200 ℃左右时，褐煤发生初步裂解，亲水侧链部分断裂.空气干燥基煤样水分大部分下降，随着干燥温度提高，褐煤支链大量断裂，干燥煤样的挥发分也逐步下降.在干燥温度超过200 ℃后，褐煤较短的支链大量断裂，较长的支链也开始发生裂解挥发，因此干燥后的煤样具有重新吸附外在水分的亲水支链大量减少，随着干燥温度的提高，褐煤的空气干燥基水分下降缓慢.
由发热量曲线可以看出，从室温到200 ℃的区间内发热量升高的较快，主要是水分的失去导致，200 ℃到300 ℃略有下降，在300 ℃到400 ℃之间又快速升高，主要是由于褐煤中一些低热值的物质挥发和煤样第一次热解煤样发生缩聚时侧链断裂挥发，固定碳含量升高导致.加热温度越高煤样的干燥效果越好，但是从能耗角度考虑确是加热温度越低越好.
2.2保温时间对褐煤的影响
保温时间的长短影响褐煤加热过程中的热解程度.所以保温时间的长短决定着褐煤在加热过程中水分、挥发分、发热量和官能团的变化.保温时间对挥发分、发热量、水分的影响如图2所示.
图2保温时间对褐煤提质后性质的影响
Fig.2Effect of heatretaining time on lignite
quality after improvement
从图2中可以看出，保温时间对煤样的水分、挥发分和发热量的影响具有类似的作用.随着保温时间延长，水分显著降低，到20 min以后，水分基本不变，挥发分变化也逐步变缓.虽然从理论上来说，褐煤表面的支链断裂与干燥温度关系较大，而与保温时间的关系较小.但褐煤的干燥试验结果表明，适当延长干燥温度对于褐煤的支链断裂与提高干燥温度具有同样的作用效果.
由发热量曲线可以看出，发热量在保温时间20 min以前快速升高，20～40 min呈缓慢下降趋势，40 min以后缓慢上升，主要是因为保温初期煤样中的水分和挥发分迅速降低，导致发热量快速升高，随着保温时间的继续，煤样中低热值物质挥发，使发热量略有降低，40 min后煤样中侧链、含氧官能团断裂，使煤样表面发生缩聚，发热量缓慢上升.
2.3粒度对褐煤的影响
粒度的大小影响褐煤低温干燥过程中煤样热解的速度.所以粒度的大小决定着褐煤在加热过程中水分、挥发分、发热量和官能团的变化.粒度对挥发分、发热量、水分的影响如图3所示.
图3粒度对褐煤提质后性质的影响
Fig.3Effect of particle size on lignite
quality after improvement
由图3可以看出，粒度的大小对褐煤提质有着重要的影响.水分和挥发分随着粒度的增大先快速降低，然后缓慢增高，主要是粒度大小的不同，暴露出的孔隙数量不同导致[9]，发热量先快速升高然后缓慢降低，主要是褐煤支链断裂、褐煤本体缩聚等因素导致.在粒度为1 mm时，水分和挥发分降到最低点，发热量升到最高点.随着粒度的增大，干燥去除的水分越少、剩余的水分越多.
观察图3中三条曲线可知，粒度在3 mm以下对褐煤进行低温干燥提质，效率最高，但是考虑到性价比和资源保护，试验选用粒度为6 mm的煤样.
2.4最优试验确定及验证
综合水分、挥发分处理的因素主次关系和不同的提质条件对褐煤提质后性质的影响，资源和能源的利用以及试验设备、试验条件和性价比等方面的考虑，最终选取6 mm，200 ℃和20 min 的试验方案.
在最优试验方案为6 mm，200 ℃和20 min的条件下在马弗炉内干燥褐煤煤样后，分别测定水分、灰分、挥发分和发热量，Mad为13.81%，Aad为14.01%，Vad为35.23%，Qnet，ad为19 380 kJ·kg-1.将该组数据与正交设计九组试验的数据进行对比，可以看出该组试验在性价比上优于其它各组实验，更符合生产需要.
3结语
通过试验指标显著性次序可以看出，各试验条件对褐煤提质后表观性质的影响从大到小依次为煤样粒度、试验温度、保温时间.通过对各个因素平均指标值的比较，确定最佳试验方案条件：试验温度200 ℃、保温时间20 min和煤样粒度6 mm.经最佳提质条件下提质的褐煤煤样的水分、挥发份有着明显降低，发热量有着明显升高，抗风化性能也有很大提高，这对褐煤的运输和保存有着重要意义.
参考文献：
[1]张殿奎.我国褐煤综合利用的发展现状及展望[J].神华科技，2010，8（1）：51-56.
[2]赵振新，朱书全，马明杰，等.中国褐煤的综合优化利用[J].洁净煤技术，2008，14（1）：23-31.
[3]王天威.褐煤改制的基础研究[J].应用能源技术，2007（9）：19-20.
[4]王文清.浅谈褐煤提质的意义[J].山西化工，2012，32（3）：44-46.
[5]宋彬彬.褐煤低温改质及成浆性能研究[D].大连：大连理工大学，2008.
[6]乔军伟.低阶煤孔隙特征与解析规律研究[D].西安：西安科技大学，2009.
[7]穆静静，张旭辉，苗文华，等.褐煤干燥特性及产品特性研究[J].洁净煤技术，2012，18（4）：30-32.
[8]辛海会，王德明.褐煤颗粒表面官能团的分布特征[J].光谱实验室，2012，29（2）：691-693.
[9]李培，周永刚，杨建国，等.轻度热解条件对霍林河褐煤水分复吸性能影响的研究[J].动力工程学报，2011，31（3）：176-180.
关键词： 褐煤； 低温干燥； 提质
中图分类号： TQ 531文献标志码： A
Influence of qualityimproving conditions on
lignite surface characteristics
LV Yuting， HE Ping， ZHAO Liying， ZHANG Shancheng
（Heilongjiang Institute of Science and Technology，Harbin 150027，China）
Abstract： Under different qualityimproving conditions，i.e.the heating temperature，the heatretaining time and the particle size，lowtemperature drying of lignite samples from Xilinhot，Inner Mongolia，was carried out，and the surface characteristics of lignite of the improved quality were investigated in this paper.Variations of moisture and volatile contents，and heat value of the lignite samples before and after quality improvements were analyzed.It was concluded that the particle size has the greatest impact on the lignite surface characteristics and the heatretaining time has the smallest impact.According to a comprehensive consideration for the impacts of qualityimproving conditions on the lignite surface characteristics，the required moisture and volatile contents of qualityimproved lignite，and existing experimental devices and experimental conditions，the conditions for lignite quality improvement by drying were finally determined as follows：the particle size is 6 mm，the heating temperature is 200 ℃ and，the heatretaining time is 20 min.
Key words： lignite； lowtemperature drying； quality improvement
世界褐煤的地质储量约为4万亿t，1995年底已探明的褐煤及烟煤储量达到5 100亿t，以欧洲和亚洲居多，各国的褐煤可采储量，前苏联和德国位居前列，我国褐煤可采储量为186亿t，居世界第6位[1]，其中75%分布在内蒙古东北部地区，12.5%分布在西南地区[2]，东北、华东和中南地区的褐煤只占全国储量的5%左右.褐煤属低变质程度煤，本身具有三高二低即高水分、高灰分、高挥发份、低热值、低灰熔点的特点，使其只能是一种劣质燃料，一度出现了现采现烧的状况[3].为了改变这一现状，提高褐煤的利用效率，许多专家学者就褐煤提质进行了研究[4-8]，且取得了一定成果，本文就褐煤提质条件对褐煤表观性质的影响进行研究分析.
能源研究与信息2013年第29卷
第3期吕玉庭，等：提质条件对褐煤表观性质的影响研究
1试验材料与方法
1.1样品分析
煤样选取内蒙古锡林浩特褐煤，按照GB/T 212—2001进行工业分析得到煤样水分Mad为21.75%，灰分Aad为15.53%，挥发分Vad为49.13%，发热量Qnet，ad为21 376 kJ·kg-1，由此确定该煤样为中老年褐煤.
1.2试验设计
取1 kg煤样经均匀化缩分后均分为三份，用万能粉碎机粉碎1 min，分别破碎至1 mm、3 mm、6 mm以下，作为试验煤样备用.经过对褐煤干燥的前期探索，褐煤低温干燥所需温度在300 ℃左右、保温时间40 min左右.为了探索煤样的提质优化条件，掌握提质条件对煤样提质过程中的影响，综合考虑褐煤破碎功耗和初步试验结果，确定采用粒度、干燥温度、保温时间三个试验因素进行正交设计.试验因素水平见表1.正交表试验方案设计与试验结果见表2.
表1因素水平表
Tab.1Table of factor level
因素A（粒度）/mmB（温度）/℃C（时间）/min水平1120020水平2330040水平3640060 表2L9（34）正交表
Tab.2Orthogonal array of L9（34）
序
号因素水平ABC实验方案Mad/%Vad/%Qnet，ad/
（kJ·kg-1）1111A1B1C110.1145.9821 3762122A1B2C29.1834.6821 2593133A1B3C36.5526.3221 6764213A2B1C310.5039.4021 5315221A2B2C111.0239.9221 0326232A2B3C27.9430.5821 6487312A3B1C213.4545.8721 3228323A3B2C310.4635.0021 6469331A3B3C111.7738.5522 611
2试验结果分析
2.1干燥温度对褐煤的影响
干燥温度反映着褐煤在干燥过程中的提质程度，因此干燥温度对褐煤低温干燥抗氧化性有着重要影响.干燥温度对挥发分、发热量、水分的影响如图1所示.
图1干燥温度对褐煤提质后性质的影响
Fig.1Effect of heating temperature on lignite
quality after improvement
由图1可以看出随着温度升高，褐煤外在水分和内在水分释放，到200 ℃左右时，褐煤发生初步裂解，亲水侧链部分断裂.空气干燥基煤样水分大部分下降，随着干燥温度提高，褐煤支链大量断裂，干燥煤样的挥发分也逐步下降.在干燥温度超过200 ℃后，褐煤较短的支链大量断裂，较长的支链也开始发生裂解挥发，因此干燥后的煤样具有重新吸附外在水分的亲水支链大量减少，随着干燥温度的提高，褐煤的空气干燥基水分下降缓慢.
由发热量曲线可以看出，从室温到200 ℃的区间内发热量升高的较快，主要是水分的失去导致，200 ℃到300 ℃略有下降，在300 ℃到400 ℃之间又快速升高，主要是由于褐煤中一些低热值的物质挥发和煤样第一次热解煤样发生缩聚时侧链断裂挥发，固定碳含量升高导致.加热温度越高煤样的干燥效果越好，但是从能耗角度考虑确是加热温度越低越好.
2.2保温时间对褐煤的影响
保温时间的长短影响褐煤加热过程中的热解程度.所以保温时间的长短决定着褐煤在加热过程中水分、挥发分、发热量和官能团的变化.保温时间对挥发分、发热量、水分的影响如图2所示.
图2保温时间对褐煤提质后性质的影响
Fig.2Effect of heatretaining time on lignite
quality after improvement
从图2中可以看出，保温时间对煤样的水分、挥发分和发热量的影响具有类似的作用.随着保温时间延长，水分显著降低，到20 min以后，水分基本不变，挥发分变化也逐步变缓.虽然从理论上来说，褐煤表面的支链断裂与干燥温度关系较大，而与保温时间的关系较小.但褐煤的干燥试验结果表明，适当延长干燥温度对于褐煤的支链断裂与提高干燥温度具有同样的作用效果.
由发热量曲线可以看出，发热量在保温时间20 min以前快速升高，20～40 min呈缓慢下降趋势，40 min以后缓慢上升，主要是因为保温初期煤样中的水分和挥发分迅速降低，导致发热量快速升高，随着保温时间的继续，煤样中低热值物质挥发，使发热量略有降低，40 min后煤样中侧链、含氧官能团断裂，使煤样表面发生缩聚，发热量缓慢上升.
2.3粒度对褐煤的影响
粒度的大小影响褐煤低温干燥过程中煤样热解的速度.所以粒度的大小决定着褐煤在加热过程中水分、挥发分、发热量和官能团的变化.粒度对挥发分、发热量、水分的影响如图3所示.
图3粒度对褐煤提质后性质的影响
Fig.3Effect of particle size on lignite
quality after improvement
由图3可以看出，粒度的大小对褐煤提质有着重要的影响.水分和挥发分随着粒度的增大先快速降低，然后缓慢增高，主要是粒度大小的不同，暴露出的孔隙数量不同导致[9]，发热量先快速升高然后缓慢降低，主要是褐煤支链断裂、褐煤本体缩聚等因素导致.在粒度为1 mm时，水分和挥发分降到最低点，发热量升到最高点.随着粒度的增大，干燥去除的水分越少、剩余的水分越多.
观察图3中三条曲线可知，粒度在3 mm以下对褐煤进行低温干燥提质，效率最高，但是考虑到性价比和资源保护，试验选用粒度为6 mm的煤样.
2.4最优试验确定及验证
综合水分、挥发分处理的因素主次关系和不同的提质条件对褐煤提质后性质的影响，资源和能源的利用以及试验设备、试验条件和性价比等方面的考虑，最终选取6 mm，200 ℃和20 min 的试验方案.
在最优试验方案为6 mm，200 ℃和20 min的条件下在马弗炉内干燥褐煤煤样后，分别测定水分、灰分、挥发分和发热量，Mad为13.81%，Aad为14.01%，Vad为35.23%，Qnet，ad为19 380 kJ·kg-1.将该组数据与正交设计九组试验的数据进行对比，可以看出该组试验在性价比上优于其它各组实验，更符合生产需要.
3结语
通过试验指标显著性次序可以看出，各试验条件对褐煤提质后表观性质的影响从大到小依次为煤样粒度、试验温度、保温时间.通过对各个因素平均指标值的比较，确定最佳试验方案条件：试验温度200 ℃、保温时间20 min和煤样粒度6 mm.经最佳提质条件下提质的褐煤煤样的水分、挥发份有着明显降低，发热量有着明显升高，抗风化性能也有很大提高，这对褐煤的运输和保存有着重要意义.
参考文献：
[1]张殿奎.我国褐煤综合利用的发展现状及展望[J].神华科技，2010，8（1）：51-56.
[2]赵振新，朱书全，马明杰，等.中国褐煤的综合优化利用[J].洁净煤技术，2008，14（1）：23-31.
[3]王天威.褐煤改制的基础研究[J].应用能源技术，2007（9）：19-20.
[4]王文清.浅谈褐煤提质的意义[J].山西化工，2012，32（3）：44-46.
[5]宋彬彬.褐煤低温改质及成浆性能研究[D].大连：大连理工大学，2008.
[6]乔军伟.低阶煤孔隙特征与解析规律研究[D].西安：西安科技大学，2009.
[7]穆静静，张旭辉，苗文华，等.褐煤干燥特性及产品特性研究[J].洁净煤技术，2012，18（4）：30-32.
[8]辛海会，王德明.褐煤颗粒表面官能团的分布特征[J].光谱实验室，2012，29（2）：691-693.
[9]李培，周永刚，杨建国，等.轻度热解条件对霍林河褐煤水分复吸性能影响的研究[J].动力工程学报，2011，31（3）：176-180.