褐煤中的水分

1、褐煤中的水分賈建軍，吳陽(yáng)，劉嬌萍(西安科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 西安 710000)摘要：我國(guó)褐煤儲(chǔ)量豐富，然而其較高的水分極大的制約了褐煤的開(kāi)采與利用，對(duì)褐煤中水分的存在機(jī)理及脫除能耗的研究是褐煤高效利用的關(guān)鍵。主要介紹了褐煤高水分的原因、褐煤中水分的存在形式、褐煤中不同形式水分脫除所需能耗及比例，指出了褐煤研究的重要性。關(guān)鍵詞：褐煤；存在形式；能耗The moisture in lignite JIA jian-jun, WU yang, LIU jiao-ping(School of chemistry and chemical engineering, Xian university

2、 of science and technology,Xian 710000,China)Abstract: Lignite reserves are abundant in China, but the high water content greatly limits its exploitation and utilization, the key to solve the efficient use of lignite is to study the existence mechanism of moisture and energy consumption of removal t

3、he water in lignite. Introduce the reasons for the high water content, the existing forms of moisture, the proportion and energy consumption of removal the different forms of moisture and noted the importance of lignite research.Key words:lignite; existing forms; energy consumption褐煤的煤化程度較低，是介于泥炭與煙煤

4、之間的一種棕黑色、無(wú)光澤的低階煤，其儲(chǔ)量較大，約占世界煤炭總儲(chǔ)量的40%，在我國(guó)探明煤炭保有資源儲(chǔ)量中約占13%1。褐煤高水分、高揮發(fā)分、易風(fēng)化及低熱值的特點(diǎn)，使其開(kāi)采運(yùn)輸成本居高不下；直接燃燒利用，又會(huì)降低爐膛溫度，增加排煙熱損失，降低鍋爐效率，增加煤炭消耗量2，這極大的限制了褐煤的開(kāi)采利用。然而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源需求的不斷增加，優(yōu)質(zhì)煤炭資源不斷枯竭，褐煤的綜合利用必將被提上議題，適時(shí)地發(fā)展褐煤的綜合利用產(chǎn)業(yè)將有效緩解我國(guó)優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤供應(yīng)緊張的局面，同時(shí)還可延伸煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，提高煤炭資源的綜合利用效率，實(shí)現(xiàn)褐煤煤業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障，對(duì)國(guó)家能源安

5、全具有重大意義3。因此對(duì)褐煤中水分的存在機(jī)理、存在形式、不同形式水分提質(zhì)的耗能及其比例的研究成了褐煤高效利用的關(guān)鍵。1. 褐煤高水分的原因褐煤均含有大量的水分，其中我國(guó)褐煤儲(chǔ)量最豐富（約占我國(guó)褐煤儲(chǔ)量77.1%）的蒙東地區(qū)褐煤全水分高達(dá)30.50%左右4，呼倫貝爾褐煤全水分高達(dá)30.10%，印尼褐煤全水分高達(dá)35.00%5，而軟褐煤的含水量甚至高達(dá)60%以上6。褐煤如此高的水分是由于褐煤表面與水分子之間的相互作用的結(jié)果，這些作用力包括煤孔隙結(jié)構(gòu)中水分子的表面張力、水分子與煤結(jié)構(gòu)的范德華力以及煤分子結(jié)構(gòu)與水分子之間的氫鍵作用力等7。根據(jù)作用力的不同可以把這些影響分為物理和化學(xué)兩方面的因素。褐煤處

6、于煤化作用的初級(jí)階段，高溫、高壓和脫水成巖尚未終結(jié)，煤體內(nèi)部及其表面的各類有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)形成了不同孔徑的通道、盲孔、封閉孔和敞開(kāi)孔等各類孔隙結(jié)構(gòu)7，這使得褐煤具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、結(jié)構(gòu)疏松、比表面積較大的特點(diǎn)。溝壑交錯(cuò)的煤體結(jié)構(gòu)不僅為水分的吸附提供了大量的接觸面積，還為水分的儲(chǔ)存提供了充足的空間，是褐煤具有高水分及較強(qiáng)的吸水回潮特性的一個(gè)重要原因。李培8采用熱壓脫水的方法對(duì)蒙東褐煤進(jìn)行了研究，經(jīng)50MPa熱壓脫水，褐煤的外表面變的光滑,原來(lái)溝壑狀的疏松結(jié)構(gòu)消失，煤樣的比表面積、孔體積分別變?yōu)樵簶拥?7.54%和87.40%，對(duì)其水分考察發(fā)現(xiàn)熱壓后褐煤的脫水率達(dá)77.38%,且回水后煤樣全水分與回

7、水前無(wú)太大差異，說(shuō)明熱壓脫水對(duì)回水有很好的抑制效果；相同溫度下的單一熱作用脫水效果略優(yōu)于熱壓脫水，但處理后褐煤的結(jié)構(gòu)酥松,形成了更多更大的孔隙,且比表面積增加，回水率達(dá)130.2%，增加了褐煤吸水的能力。景曉霞9指出在褐煤熱壓提質(zhì)過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)的坍塌、交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行以及焦油遷移對(duì)孔隙的堵塞，減少了褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積，能夠有效的抑制水分的復(fù)吸。褐煤高水分的特性不僅與其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)及較高的比表面積有關(guān)，還與其大量的含氧官能團(tuán)具有密切的關(guān)系。包括羧基、羥基以及羰基等含氧官能團(tuán)的存在直接影響了褐煤的極性、濕潤(rùn)性和吸水性，有效的降低了褐煤的疏水性，并且還能夠與水分子通過(guò)氫鍵的相互作用在褐煤表面形

8、成一層甚至多層的水分子層，是褐煤持水和吸水的另一個(gè)重要因素。肖武10等利用氫氧化鈉溶液、鹽酸以及雙氧水分別對(duì)褐煤進(jìn)行改性研究，對(duì)改性前后的褐煤通過(guò)FTIR和DSC分析，結(jié)果表明氫氧化鈉改性后褐煤中羥基增多、羧基減少且含水量增加，鹽酸改性后褐煤結(jié)構(gòu)和含水量均未變化，而雙氧水改性后的褐煤中羥基減少、羧基增多且含水量增加，這說(shuō)明羥基的多少是褐煤含水量高低的決定性因素。蘇懷興5等人對(duì)不同溫度下褐煤的干燥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明無(wú)論何種干燥溫度下褐煤質(zhì)量都能最終穩(wěn)定，且干燥后水分隨干燥溫度的增加而降低，然而當(dāng)干燥溫度逐漸上升至110時(shí)，煤中水分并未明顯降低，說(shuō)明這部分水能夠通過(guò)氫鍵與煤中的官能團(tuán)形成強(qiáng)烈的吸

9、附作用。2. 褐煤中水分的分類目前國(guó)內(nèi)外對(duì)煤炭中水分的分類眾多，張雙全11等人根據(jù)結(jié)合形態(tài)的不同將煤炭中的水分為游離水和化合水兩類，游離水指通過(guò)物理吸附作用與煤炭結(jié)合的水分，化合水指煤炭礦物質(zhì)中所含有的結(jié)晶水；其中根據(jù)褐煤中水分存在形式的不同可分為外在水、孔隙水、分子水和結(jié)晶水四類。外在水以游離態(tài)的形式存在于褐煤顆粒外表面以及較大的孔徑中，用Mf表示，與煤炭顆粒的表面具有微弱的相互作用，水分子之間通過(guò)范德華力結(jié)合，性質(zhì)與常態(tài)水相似，在外界溫度作用下，這些水分子很容易擴(kuò)散析出，蒸汽壓與常態(tài)水的蒸汽壓相等，較易蒸發(fā)。脫除外在水分消耗的能量較低,與煤和水分的浸潤(rùn)程度有關(guān),與煤質(zhì)本身關(guān)系不大?？紫端?/p>

10、在于褐煤發(fā)達(dá)的各類毛細(xì)結(jié)構(gòu)中，用Mp表示，這些在孔隙中毛細(xì)凝聚的水分以表面張力的結(jié)合形式在孔隙中形成簇狀結(jié)構(gòu)，由于這些水分受到微小孔隙的毛細(xì)作用和自身表面張力的共同作用，因此從微小孔隙中脫除所需能量較高，比外在水的脫除較為困難?？紫端龀鏊枘芰颗c煤種和孔隙特征有關(guān)。分子水與褐煤中大量存在的羥基、羧基等含氧官能團(tuán)通過(guò)氫鍵作用形成水分子層，在水充足的情況下，這些單層的水分子層又能夠通過(guò)氫鍵作用向外形成更多的水分子層，這些水分子與褐煤的結(jié)合能力較強(qiáng)，作用力穩(wěn)定，排列相對(duì)整齊，因此分子水的脫除比較困難，并且隨著水分子層的增加，分子水的脫除所需的能量增加，脫水更加困難。分子水析出所需能量與煤的化學(xué)性質(zhì)

11、有關(guān),受煤中含氧官能團(tuán)的類型和數(shù)量,水分子膜層數(shù)以及水分子膜與含氧官能團(tuán)間氫鍵的數(shù)量影響。結(jié)晶水以化合方式與煤中的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)結(jié)合，形成結(jié)晶化合物，是全水分測(cè)定后仍保留下來(lái)的水分。結(jié)晶水的含量通常很低，而且必須在較高的溫度下才能失去，例如，石膏（CaSO4·2H2O）在163時(shí)分解失去結(jié)晶水，高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）在450600方能失去結(jié)晶水。因此在工業(yè)分析中，一般不考慮結(jié)晶水。3. 不同形式水分脫除能耗對(duì)褐煤中不同形式水分脫除所需能耗的研究為褐煤的脫水提質(zhì)提供了直接的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而能耗的高低又決定了脫水工藝的成本，因此對(duì)不同形式水分脫除能耗的研究

12、具有重要的意義。周永剛4等人在氮?dú)鈿夥障吕肨G-DSC聯(lián)用方法對(duì)干燥基、空干基和收到基褐煤煤樣以及常態(tài)水進(jìn)行分析，得到單位質(zhì)量水分析出所需的能耗曲線。研究結(jié)果表明，常態(tài)水析出所需能量基本保持不變，約為2341kJkg。空干基和收到基能量曲線中的不同階段表征褐煤中不同水分的析出過(guò)程。根據(jù)水分在煤中的存在機(jī)制，可得煤中常態(tài)水、外在水、內(nèi)在水、孔隙水和分子水析出所需的平均能耗分別為2 341，2 380，3254，3 109和3 834kJkg，得到常態(tài)水、外在水、內(nèi)在水、孔隙水、分子水析出的平均能耗比約為1:1.02:1.39:1.33:1.64。4. 結(jié)語(yǔ)對(duì)褐煤中水分存在形式、存在機(jī)理以及不同

13、水分脫除所需能耗的研究，是褐煤綜合利用的核心，對(duì)以褐煤為原料制備清潔能源，如煤氣、煤焦、吸附劑等產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，實(shí)現(xiàn)褐煤煤業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保證國(guó)家能源安全具有重大意義。參考文獻(xiàn)：【1】陳鵬中國(guó)煤炭性質(zhì)、分類和利用M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001，17-24【2】趙亞瑩，趙廣播，劉輝褐煤水分對(duì)鍋爐熱力性能的影響J節(jié)能技術(shù)，2013，31(4)：317-320【3】梁永煌，游偉，章衛(wèi)星關(guān)于我國(guó)褐煤提質(zhì)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題的解決方案J化肥設(shè)計(jì)，2012，50(6)：1-9【4】周永剛，李培，楊建國(guó)，等褐煤中不同水分析出的能耗研究J中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2011，31（增刊）：114-118【5】蘇懷興，韓艷娜，尤菠，等褐煤低溫干燥特性的實(shí)驗(yàn)研究J潔凈煤技術(shù)，2013，19(6)：30-34【6】朱書(shū)全褐煤提質(zhì)技術(shù)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及分析J潔凈煤技術(shù)，2011，17(1)：1-4【7】楊曉毓寶日希勒褐煤微觀結(jié)構(gòu)隨蒸發(fā)脫水程度的