煤泥热风与蒸汽闪蒸干燥的对比研究：水分迁移机制、动力学与结构演变分析

《Separations》：Moisture Migration and Drying Mechanisms of Coal Slime Under Hot–Air and Steam Flash Drying Gangqiang Zhao, Ke Li, Fengyuan Cui, Shaoyu Yao, Yadong Zhang and Zongsheng Sun

本研究系统比较了热风干燥和蒸汽闪蒸干燥对高含水、高粘度煤泥的脱水提质效果。研究发现，蒸汽闪蒸干燥利用压力驱动的相变过程，实现了更快的处理速度和更低的比能耗（Specific Energy Consumption, SEC），并能有效脱除结合水，是提升低阶煤利用效率的强化新途径。

　　

1. 引言

煤泥是煤炭洗选过程中产生的主要副产物之一，具有颗粒细小（通常<1毫米）、水分含量高（>25%）和粘性强等特点，其直接利用面临挑战。高水分含量会导致燃烧时大量热能消耗于水分蒸发，降低电厂发电效率，并带来能量损失和环境污染。因此，煤泥脱水至关重要。煤泥中的水分可分为自由水和结合水。结合水与低阶煤中含氧官能团间的毛细管力和氢键作用力紧密关联，无法通过机械脱水方法去除，必须采用热干燥技术。研究人员已探索了多种热干燥技术，如热风、太阳能、微波和流化床干燥等，但这些方法常存在升温快、干燥不均、易导致自燃和粉尘爆炸风险等局限。为克服这些不足，蒸汽闪蒸干燥方法被提出。该技术以饱和蒸汽为热载体，通过瞬间泄压和闪蒸蒸发去除内部水分，在无氧蒸汽环境中操作，可有效防止燃烧风险，并利用蒸汽的高焓值和优异的传热传质效率，为煤干燥提供了一条安全、高效、节能的途径。本研究以热风干燥作为准稳态热参考，以蒸汽闪蒸干燥代表瞬变压驱动脱水过程，旨在通过比较这两种热力机制，探讨煤泥在不同热力学条件下的水分迁移行为和干燥动力学，为高水分、低阶煤的高效干燥和提质提供机理见解和实践指导。

2. 材料与方法

研究所用样品为内蒙古某洗煤厂压滤后得到的煤泥滤饼。工业分析和元素分析结果见文档。实验前将块状样品均质化，测定其总水分含量（M_t）为38.22 wt.%，并通过机械筛分获得不同粒径级分的样品。

2.1. 热风干燥装置

热风干燥实验在电热恒温鼓风干燥箱中进行。将湿粘煤泥分离为4个粒径级分：3-6毫米、6-13毫米、13-25毫米、25-50毫米。每个粒径级分取约50克煤泥置于称量瓶中，在恒温鼓风烘箱中进行热风干燥。为降低煤泥在高温下的氧化自燃风险，选择的温度梯度为80、100、120、140和160摄氏度。干燥过程中，通过电子天平在不同时间间隔测量物料质量，直至质量恒定时判定干燥完成。

2.2. 蒸汽闪蒸干燥装置

蒸汽闪蒸干燥实验使用蒸汽闪蒸干燥机进行。干燥过程包括蒸汽加压、保压和瞬态干燥三个阶段。具体步骤为：将装有煤泥的容器固定在干燥罐内，密封罐盖，通过蒸汽入口引入饱和蒸汽，直至达到预设的实验压力（1.0、1.5、2.0、2.5或3.0兆帕），之后停止供汽。达到预设的保压时间后，控制系统打开泄压阀，蒸汽在1秒内通过蒸汽出口排出完成泄压，标志瞬态干燥过程结束。

3. 结果与讨论

3.1. 粘性煤泥的热风干燥特性

为研究热风条件下的干燥行为，对高粘性煤泥进行了分粒径实验。图2显示了不同温度下各粒径组的水分变化曲线。以25-50毫米级分为例，在80摄氏度下达到平衡水分约需440分钟，而在160摄氏度下完全干燥仅需约180分钟，表现出强烈的温度依赖性。高温可迅速提高颗粒表面的饱和蒸气压，增大与周围空气之间的蒸汽压梯度，加速表面蒸发，并促进热量向颗粒内部渗透，建立更陡的温度和水分梯度，增强内部扩散。粒径对干燥性能也至关重要。在给定温度下，较大颗粒通常需要更长的干燥时间，这主要与水分内部迁移路径有关。热风干燥通过伴随向内传热和向外水分扩散的逐渐蒸发进行。随着粒径增大，扩散距离变长，内部传质阻力增加，延缓了颗粒核心水分的脱除。

干燥速率曲线进一步说明了阶段特征。在恒定温度下，该过程可分为初始加速阶段、降速阶段和最终平衡阶段。例如，在100摄氏度下，25-50毫米级分在前30分钟内呈现初始加速期，在此期间水分含量从38.13%降至33.13%，此阶段以表面加热为主，自由水和较大孔隙中的水分优先蒸发。在30至120分钟之间，水分含量降至12.74%，干燥速率保持在较低水平几乎恒定。此阶段反映了薄层床内颗粒内部水分迁移和颗粒间空隙蒸汽传输的综合效应。120分钟后，随着水分的脱除越来越受细孔中结合水以及毛细管力和吸附力的影响，干燥速率急剧下降。200分钟后，过程接近平衡阶段，干燥速率低于0.06%/分钟，主要对应于强结合水的脱除。总体而言，煤泥的热风干燥受对流传热与内部水分扩散耦合控制，可视为温和的蒸发过程。温度和粒径分别控制着热力学驱动力和扩散阻力，较小颗粒和较高温度持续导致更短的干燥时间和更高的干燥速率。

3.2. 煤泥热风干燥的动力学分析

有效水分扩散系数（D_eff）表示单位时间单位面积上通过扩散传递的水分量，常用于评估给定条件下多孔材料的扩散能力。在煤泥热风干燥中，水分迁移本质上由颗粒核心向表面的内部扩散控制。因此，D_eff越大表明内部阻力越低，干燥过程越容易。煤基质内的水分扩散可以使用菲克第二定律描述。在恒定干燥条件下，D_eff可被视为与时间无关，因此在水分比（MR）的自然对数与干燥时间之间呈现近似线性关系。通过线性回归拟合实验干燥数据，并使用拟合线的斜率计算 D_eff。表2总结了不同温度下获得的扩散系数。对于给定粒径，D_eff随温度单调增加。高温强化了对流传热并促进了颗粒内部蒸汽形成，导致相对于环境空气的蒸汽压梯度增大。增强的热力学驱动力促进了水分扩散，缩短了内部传质周期。值得注意的是，D_eff是反映内部孔隙连通性、结构演化和水分迁移阻力综合效应的表观参数，而非纯几何或分子扩散特性。在干燥过程中，细煤泥颗粒可能因更强的毛细管力和结构压实而发生更均匀的收缩，这可能增加蒸汽传输的内部阻力。相比之下，较大颗粒更容易发生表面开裂和外壳破裂，这创造了额外的蒸汽逸出通道，尽管其扩散路径更长，但有效增强了内部渗透性。因此，较大颗粒的表观扩散系数可能超过较细的颗粒。这表明煤泥干燥中的 D_eff不仅受粒径控制，更关键地受孔隙结构和内部连通性动态演化的控制。

干燥活化能（E_a）是另一个重要的动力学参数，定义为从材料中去除一摩尔水分所需的最小能量。可以使用阿伦尼乌斯关系式进行估算。结果表明，不同粒径的表观活化能在18.39至20.96千焦/摩尔之间，表明结合水的脱除是煤泥干燥过程中的主要能垒。

3.3. 蒸汽闪蒸干燥的脱水机理与性能

蒸汽闪蒸干燥利用饱和蒸汽的冷凝热快速加热煤泥颗粒，并通过瞬间泄压诱导内部水分发生闪蒸蒸发。泄压过程中，蒸汽压力在远快于热量耗散的时间内降至大气压，导致内部水分过热并瞬间去除。研究评估了蒸汽压力、粒径和保压时间对脱水效率和物理化学结构的影响。

研究发现，提高蒸汽压力和增大粒径增强了脱水性能。在最佳条件下（蒸汽压力3.0兆帕，粒径3-6毫米，保压时间120秒），煤泥水分含量可从38%降至20%。总水分的约80%在瞬态泄压阶段脱除。结构分析表明，闪蒸处理后，含氧官能团（如羟基和羧基）部分分解，中孔收缩。这可能是因为闪蒸过程中蒸汽的强烈热冲击和压力变化破坏了煤基质中水分子与含氧官能团之间的氢键，导致部分官能团分解，同时孔隙结构在脱水过程中发生塌陷和重整。

3.4. 能量消耗对比

为了定量表征干燥过程中的能耗，计算了比能耗（q）。蒸汽闪蒸干燥的比能耗显著低于热风干燥。例如，在将煤泥水分从38%降至20%的条件下，蒸汽闪蒸干燥的比能耗仅为热风干燥（在160摄氏度下）的约60%。更高的能量效率归因于蒸汽闪蒸干燥利用蒸汽冷凝潜热进行高效加热，以及通过瞬时压力释放驱动水分蒸发的强化传质机制。相比之下，热风干燥需要持续提供热能来维持温度梯度和克服外部对流传质阻力，导致更高的能量输入。

4. 结论

本研究对比分析了热风干燥和蒸汽闪蒸干燥对煤泥的脱水性能、动力学和结构影响。热风干燥是一个由温度和扩散路径控制的渐进过程，其表观活化能表明结合水的脱除是主要限制步骤。蒸汽闪蒸干燥则通过压力诱导的相变和增强的热力学驱动力，实现了快速、高效的脱水，其核心机理在于瞬态泄压导致的闪蒸蒸发。与热风干燥相比，蒸汽闪蒸干燥具有处理时间短、比能耗低、且在无氧环境中操作更安全的优势。结构分析表明，蒸汽闪蒸处理可部分改变煤泥的孔隙结构和表面化学。这些发现表明，蒸汽闪蒸干燥是治理高水分煤泥、实现其高效能源化利用的一种有前景的强化技术途径。