低能耗驱动的褐煤脱水过程双尺度热质传递机制及能量梯级优化

There are rich lignite reserves in China, and they are of high moisture content and low calorific value, leading to the limited and low efficiency use, so dehydration and upgrading is necessary for the efficient utilization. The main reason of the high energy consumption is that the collocation between the nonlinear properties of lignite and fixed energy input is not effective. Our project focuses on low-energy-driven multi-scale heat and mass transfer mechanisms and coordination mechanism stepwise optimization of multivariate related field in the dehydration process. The research route is: physical cognition, model, process intensification, energy efficiency valuation and stepwise optimization. By building particles/drier multi-scale heat and mass transfer model, energy transport and moisture migration mechanism will be well revealed. And then we plan to explore the lignite nonlinear properties in the dehydration process to implement process intensification and energy efficiency optimization through the synergy and related design of multiple variables related field. Finally, non-equilibrium dehydration process with low-energy-driven stepwise energy optimization will be built. This project will be theoretical valuable for the research of efficient lignite dehydration process.

我国褐煤资源保有储量大，由于水分高、能量密度低，严重制约褐煤的有效利用，脱水提质成为褐煤高效利用的前提和关键环节。现有褐煤脱水技术能耗高、效率低，提高脱水单元操作能效迫在眉睫。褐煤非线性物性特征与固定单一化能量输入的矛盾是造成脱水高能耗的主要原因，本项目将围绕低能耗驱动的褐煤脱水过程双尺度热质传递机制和褐煤脱水过程多参数关联能量场的协同机制与能量梯级优化两个关键科学问题开展研究。以物性认知—模型构建—过程强化—能效判别—梯级优化为研究思路，从构建颗粒/干燥器双尺度热质传递模型入手，揭示褐煤脱水过程能量输运机制和湿分迁移规律；探究脱水过程中褐煤非线性物性变化特征，调控脱水不同阶段速率控制步骤，通过多参数关联能量场间的协同作用实现过程强化；进行基于能效判别的多参数能量场关联设计，构建适于脱水过程物性变化特征的非均衡脱水过程。本项目研究对褐煤高效脱水研究具有重要理论价值。

褐煤因高含水导致其无法直接利用或利用效率低，脱水提质是其高效利用的前提和关键环节，现有褐煤脱水技术存在能耗高这一突出问题。脱水过程的褐煤非线性物性特征与固定单一化能量输入的矛盾是造成脱水高能耗的主要原因。本项目围绕低能耗驱动的褐煤脱水过程双尺度热质传递机制和褐煤脱水过程多参数关联能量场的协同机制与能量梯级优化两个关键科学问题开展研究。首先，研究了褐煤水分赋存、水分迁移规律以及脱水过程的尺度效应和变温效应。基于低温结晶特征差异，阐明了褐煤中三类水分（自由水、束缚水和不冻水）同煤基质存在不同相互作用，导致其干燥脱除存在先后顺序；颗粒尺度的减小能够有效减少湿分传递路径，提高传热效率，可以将水分进一步高效释放；同时，研究了变温效应，从单颗粒和干燥器双尺度构建了褐煤脱水传热传质动力学模型，提出高温-低温分段式变温脱水过程，利用高温段破坏褐煤持水结构，提高低温段脱水效率；其次，研究了水分迁移过程褐煤非线性特性及脱水过程传质的控制步骤，以及不同能量形式下褐煤脱水过程的热力学和动力学特征。研究表明束缚水在褐煤内部凝固焓仅为26.88 J/g，远低于自由水的316.14 J/g，煤/束缚水间存在强相互作用，形成脱水传质阻力；能量强度对脱水速率影响很大，褐煤在300℃下起始干燥速率可达150℃下的13.6倍，并且高脱水能量强度能够弱化褐煤脱水过程尺度效应；最后，研究了基于热质传递的多参数关联能量场间的协同作用及低能耗驱动的能量优化。提出流化床微波干燥和振动变温干燥两个技术原型，通过对不同工艺条件下褐煤脱水过程进行能耗分析和经济核算，得出单一微波干燥能耗大约是流化床微波强化干燥的1.7倍，采用多能量场耦合的技术可以有效降低褐煤脱水过程的能耗。本成果在阐明了褐煤脱水过程热质传递和能量作用机制的基础上，构建褐煤高效干燥的技术原型，为实现褐煤高效提质提供了理论基础。