微波作用下的细粉煤脱水研究

文章编号: 0253-2409( 2002) 02-0178-04 收稿日期: 2001-08-05; 修回日期: 2001-12-18 作者简介: 崔 平( 1964-) ,男,安徽肥东人,副教授,主要从事煤化学学科的教学和科研工作。E-mail: masrep@ ah1631 com 微波作用下的细粉煤脱水研究 崔 平1 , 王知彩1 , 胡政平1 , 胡新亮2 (11 安徽工业大学 化工与环境学院,安徽 马鞍山 243002; 21 济南钢铁公司技术中心,山东 济南 250101) 关键词: 微波; 煤浆; 脱水 中图分类号: TD92612 文献标识码: A 在煤炭开采和加工工业中, 泥煤的脱水问变 得越来越重要。改进细粉煤脱水效果的方法主要有 物理方法和化学方法两类。现有的物理方法主要是 提高过滤压力, 使滤饼的结构变得致密,从而挤出其 中的水分; 微波加热脱水是指煤饼中的极性分子水 在微波场的作用下快速摆动, 产生类似于摩擦的作 用,而以热的形式现出来,使水分蒸发[ 1]。本文是 在微波加热条件下,探讨了微波对脱水效果的影响 以及微波脱水的最佳工艺条件。 1 实验部分 111 原料 实验样品为朱仙庄气煤、山家林肥煤、 西曲焦煤、青龙山瘦煤。其工业见表 1, 其中空 气干燥基水分为块煤破碎至< 80 目时的含水量。 煤的变质程度依次为: 朱仙庄煤< 山家林煤< 西曲 煤< 青龙山煤。 表 1 煤粉的性质 Table 1 Characteristics of coal sample Sample Proximate analysis / % Vad A ad Mad V daf G Xiqu charrd coal 19147 9113 0195 21165 7911 Zhuxianzhang gas coal 29165 8194 2116 33135 6016 Qinglongshan lean coal 14191 10105 1102 16177 4610 Shanjialin fat coal 32120 8126 0184 35142 10210 112 实验方法 取上述 4种煤样, 置于空气中自然 晾干得到空气干燥基状态,用研钵将其磨碎, 分别制 成160目、140目、120目、100目、80 目五种,装于 20 个磨口瓶中并防止氧化, 以备实验时使用。 11211 含湿量测定 称取一定量的煤样, 按煤粉与 水1B5的配比制成相应浓度的煤浆,过滤后,经数次 干燥( 105 e ~ 110 e ) , 直至恒重。失去的水分即为 细粉煤的含湿量,其计算公式如下: W% = ( mw-md) / ( mw-m ) @ 100% 式中: W ) 滤饼含湿量, % ; m d ) 烘干后滤饼及烧 杯质量, ( g) ; mw ) 烘干前滤饼及烧杯质量, ( g) ; m ) 烧杯质量, ( g) 11212 微波炉加热脱水 将一定浓度的煤浆在布 氏漏斗中过滤 2 h 后将滤饼取出, 连同烧杯放入微 波炉中加热脱水, 每 3min(或 5min)称量一次,直到 恒重。 2 结果与讨论 211 煤料粒度对含湿量的影响 用不同粒度的气 煤、肥煤、焦煤、和瘦煤, 经常温常压过滤 2 h 后, 将 滤饼在微波炉内进一步加热脱水, 直至重量不再变 化为止。测得含湿量结果如图 1所示。从图 1可以 看出, 当粒度从 80 目增加到 160目时, 气煤的含湿 量从 4813% 增加到 6215%, 而肥煤的含湿量从 4715%增加到 5611% , 焦煤的含湿量从 4218%增加 到 5412% ,瘦煤的含湿量从 4810%增加到 6013%。 随粒度的减小,滤饼的比表面积增加,因而含湿量增 加;而且,随着煤料细度的增加, 滤饼含湿量增加的 图 1 粒度与含湿量关系 Figure 1 Relationshipp of coal size and cake moisture ( 1) gas coal; ( 2) lean coal; ( 3) cherred coal; ( 4) fat coal 第 30卷 2002年 第 2期 4 月 燃 料 化 学 学 报 JOURNAL OF FUEL CHEMISTRY AND TECHNOLOGY Vol130 No12 Apr1 2002 幅度有增加的趋势。这与负压条件下, 煤料细度与 含湿量的关系基本一致[ 2, 3] , 说明微波作用下, 滤饼 含湿量的大小仍然受其比表面积大小的影响。 212 煤的变质程度对滤饼含湿量的影响 煤阶不 同,其空间结构、表面性质、热学性质和光学性质亦 有差异。实验取气煤、肥煤、焦煤和瘦煤各五种粒度 进行实验, 以测定煤种对含湿量的影响, 结果如表 2。从表中可知, 不同煤化程度的煤,其含湿量随煤 化程度的增强, 呈现两头高,中间低现象, 即气煤> 肥煤> 焦煤< 瘦煤。一般认为, 煤中有机质的润湿 性是随含氧量的增加而增强, 特别是含氧官能团的 增加,煤中有机质的亲水性显著增强[ 4~ 6] ,其含湿量 也就越大;同时, 随孔隙率的增加,煤的含湿量也增 加。在气煤、肥煤、焦煤、瘦煤四种变质程度不同的 煤中,含氧官能团随煤化程度的增加而减少, 煤的孔 隙率随煤化程度的增加呈现两头高中间低的形式。 微波作用下并没有改变这一关系。气煤的含氧官能 团相对较多,孔隙率也大些,因而其含湿量较高; 而 肥煤的含氧官能团和孔隙率介于气煤和焦煤之间, 故含湿量也介于两者之间; 瘦煤的含氧官能团虽然 最少,但它的孔隙率却比焦煤大, 因此, 其含湿量比 焦煤高。当然, 含湿量与煤化程度的关系和孔隙率 与煤化程度的关系是一致的, 这可以从另一方面来 解释:孔隙率越大,比表面越大,吸水能力就越强, 滤 饼含湿量就越大。 表 2 煤种对含湿量的影响 Table 2 Effect of the different coal on the cake moisture Mesh Moisture content W / % Gas coal Lean coal Charred coal Fat coal 160 6215 601 3 541 2 5611 140 5416 531 5 491 0 5114 120 5311 521 2 471 6 4915 100 4918 491 4 441 7 4816 80 4813 481 0 421 8 4715 213 不同强度的微波加热对滤饼含湿量的影响 为研究不同强度的微波加热对滤饼含湿量的影 响,取四种煤样的三种不同粒度各一份,做常压过滤 实验, 过滤后的煤饼再进行不同强度的微波加热脱 水。图 2~ 图 5为四种煤的不同粒度( 80目、120目、 160目 )的煤饼在微波炉的不同输出功率下加热 6min所得到的微波强度与含湿量的关系图。从图可 知,在同一时刻下, 随微波输出功率的减弱, 滤饼含 湿量增大,脱水效果变差, 当微波输出功率为 100W 时,微波炉处于保温阶段, 磁控管工作时间极短, 供 给的能量很低,四种煤的含湿量比较接近;微波的输 出功率越强,磁控管工作时间越长,单位时间里提供 的能量就越多,水分蒸发越快,体现在图中表现为在 相同时刻时,滤饼含湿量越小。从图中还可看出,随 微波输出功率的增强, 滤饼的含湿量与煤粉粒度的 图 2 微波强度与肥煤含湿量的关系 Figure 2 Relationship of microwave strength and fat coal ( 1) 160mesh; ( 2) 120mesh; ( 3) 80mesh 图 3 微波强度与气煤含湿量的关系 Figure 3 Relationship of microwave strength and gas coal legends: see Figure 2 图 4 微波强度与焦煤含湿量的关系 Figure 4 Relationship of microwave strength and charred coal legends: see Figure 2 1792 期 崔 平 等: 微波作用下的细粉煤脱水研究 图 5 微波强度与瘦煤含湿量的关系 Figure 5 Relationship of microwave strength and lean coal legends: see Figure 2 关系仍然是煤粉越细含湿量越大,说明微波的作用 并没有改变这一关系。 214 微波作用时间对滤饼含湿量的影响 为得到 微波作用时间与滤饼含湿量的关系,取四种煤样的 三个粒级( 80目、120目、160目)煤浆进行过滤试验, 并在同一微波强度不同作用时间下进行滤饼的含湿 量实验,结果如表 3。由表 3可知, 随作用时间的延 长,滤饼含湿量逐渐降低, 这主要是因为时间延长, 磁控管的绝对工作时间长,提供的热能多;同时,滤 饼中含有较多的极性分子水,吸收磁控管产生的微 波,在微波外电场的作用下极性水分子成有序排列, 并随外电场方向反复变动而频繁地摆动, 造成分子 间类似摩擦作用而产生热,从而使水分子有足够的 能量进行热运动以挣脱煤粒表面的吸附并达到干燥 的目的。从表 3还可以看出,当滤饼被加热到 9min 以后,所有煤的最终含湿量基本一致,受煤种和粒度 的影响较小, 此时的水分主要为内在水。表 4是四 种煤样在相同功率的微波炉和电热鼓风干燥箱内 (干燥箱预先升温至 105 e ~ 110 e )经加热相同时 间 9min 后, 所得到的脱水率。从表 4可看出,用微 波加热滤饼到 9min 时, 煤饼中的水分已减少 83% 以上;而同样条件下的电热鼓风干燥最多只能降低 27%,二者相差三倍多, 可见微波加热用于煤浆脱 水,效率高成本低。这主要是因为微波对煤饼中水 分的耗散是通过偶极分子旋转和离子传导两种机理 实现的,这种内加热的方式增加了分子的碰撞频率, 同时,也可能增加了分子碰撞取向。这样,煤饼在加 热过程中,内外同时被加热, 而且水分越多的地方, 吸收的微波能量越多, 水分子运动越激烈,水分散失 也就越多;而电热鼓风干燥是由表及里逐步深入干 燥的,受煤饼厚度影响。因此,微波加热的显著特点 表 3 微波作用时间与滤饼含湿量的关系 Table 3 Relationship of heating time of microwave and cake moisture Sample-mesh Moisture content W / % 0min 3min 6min 9min 12 min 15 min Gas coal 160 621 5 451 08 22105 9189 4156 2125 120 531 1 411 91 20101 8153 4152 2126 80 481 3 391 75 18172 7198 2174 1199 Fat coal 160 601 3 431 60 22135 9170 4128 1168 120 521 2 391 86 17102 7120 3113 1172 80 481 0 361 42 15186 6155 2181 1173 Charred coal 160 541 2 381 84 16191 7132 4145 2153 120 471 6 361 64 14114 6138 4114 2151 80 421 8 331 48 11157 5153 3187 2148 Lean coal 160 561 1 401 86 22130 9111 4161 2191 120 511 4 381 34 18129 7177 3195 2102 80 471 5 351 90 16178 7102 3174 1170 表 4 不同加热方式在同一时间内的脱水率 Table 4 Efficiency of dewatering under the condition of the same time and the different heating ways Dewatering way Gas coal 160 120 80 Fat coal 160 120 80 Charred coal 160 120 80 Lean coal 160 120 80 Microwave dewatering rate W / % 8412 8319 8315 831 9 861 2 8614 8615 8616 8711 8318 8413 8513 Electronic dewatering rate W / % 2215 3211 2518 211 2 221 5 2418 2217 2216 2714 2012 2115 2312 180 燃 料 化 学 学 报 30 卷 是几倍甚至几十倍的提高加热速度。 4 结 论 (1)煤饼的含湿量在微波的作用下仍然受煤的 粒度、煤种的影响。粒度越细含湿量越高;随煤的变 质程度增加,煤的含湿量有一个最低点在焦煤处, 即 焦煤的含湿量最低。 ( 2)随着微波加热时间的延长,煤饼的最终含湿 量趋于一致,基本不受煤种和粒度的影响。 ( 3)利用微波加热能缩短脱水时间,降能增效。 参 考 文 献 [ 1] 水启刚1 微波技术[ M]1 北京: 国防工业出版社, 198615-381 [ 2] 崔 平,王知彩1 降低细粉煤含湿量的研究[ J] 1 矿业安全与环保, 1999, 26( 5) : 12-141 [ 3] 王知彩,崔 平1 细粉煤脱水工艺研究[ J] 1 矿业安全与环保, 2000, 27( 5) : 28-311 [ 4] 朱春笙,龚祯祥, 译1 煤的润湿性研究及应用[ M]1 北京: 煤炭工业出版社, 5-681 [ 5] Singh B P, Besra L, Reddy P S R, et al 1 Use of surfactants to aid the dewatering of fine clean coal[ J]1 Fuel, 1998, 77( 12) : 1 349-1 3561 [ 6] Bimal P Singh1 The rule of surfactant adsorption in the improved dewatering of fine coal[ J]1 Fuel, 1999, 78( 5) : 501-5061 STUDY ON THE EFFECT OF THE MICROWAVE ON THE DEWATERING OF FINE COAL CUI Ping1, WANG Zh-i cai1, HU Zheng-ping1, HU Xin- liang2 (11 Chemical and Environmental Engineering Department of Anhui Polytechnical University , Maanshan 243002, China; 21 The Center of Technology of Jinan Iron & Steel CO. , Jinan 250101, China) Abstract: The coa-l water slurry with different concentrations was prepared using 4 different kinds of coal ( gas coal, fat coal, coking coal and lean coal) and dewatered using microwave1 The effect of coal particle, rank, strength and irradia- tion time of microwave on the moisture content of the f ilter cake was invest igated1 In addit ion, the dewatering efficiency using microwave and electronic heat under same power and time was compared1 The results show that the moisture content of the coal cake depends on the particle size and coal rank1 The fine coal has higher water content in its cake1 With in- creasing coal rank, the moisture content in the cake decrease and then increase and the coking coal cake has the lowest value1 With increasing irradiation time, the water content of the cake with different rank and particle size tends to be same1 The water content in the cake decreases with the enhancement of the microwave strength, but has no effect on the relationship between the water content and the gronularity1 Compared with electronic heating, microwave decrease dewa- tering time, therefore, decrease energy consumption and improve efficiency1 Key words: microwave; coal water slurry; dewatering Author introduction: CUI Ping( 1964- ) , male, Associate Professor, mainly engaged in the scientific research and teaching of coal chem-i cal engineering1 E-mail: masrep@ ah1631 com 1812 期 崔 平 等: 微波作用下的细粉煤脱水研究