微波加热干燥煤泥热质传递及其能耗特性分析.pdf

化工学报 2023年 第74卷 第6期|,2023,74(6):2382-2390 CIESC Journal微波加热干燥煤泥热质传递及其能耗特性分析王光宇1，2，张锴1，2，张凯华1，2，张东柯3（1 华北电力大学热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京 102206；2 华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室，北京 102206；3 西澳大学能源中心（M473），西澳大利亚 6009，澳大利亚）摘要：采用微波加热方法考察了煤泥干燥过程基本特征及其热量和质量传递特性，阐述了不同阶段动力学和能耗变化基本规律。结果表明煤泥微波干燥可以分为预热升温、恒速干燥和降速干燥三个阶段，其中自由水主要在预热升温和恒速阶段去除，而结合水则在降速阶段去除。恒速和降速干燥阶段的动力学特征可以采用线性模型和修正的Page模型()分别描述，进而获得所选样品在降速阶段的表观活化能为3.23 W/g。样品在恒速干燥阶段脱水能耗(2.945.90 kJ/g)明显低于预热升温和降速干燥阶段，且脱水能耗随着微波功率(500800 W)增大或初始质量(150300 g)增加而逐渐降低。关键词：煤泥；微波；干燥；传递过程；动力学；能耗中图分类号：TQ 536 文献标志码：A文章编号：0438-1157（2023）06-2382-09Heat and mass transfer and energy consumption for microwave drying of coal slimeWANG Guangyu1,2,ZHANG Kai1,2,ZHANG Kaihua1,2,ZHANG Dongke3(1 Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2 Key Laboratory of Power Station Energy Transfer Conversion and System(North China Electric Power University),Ministry of Education,Beijing 102206,China;3 Centre for Energy(M473),The University of Western Australia,Western Australia 6009,Australia)Abstract:The basic characteristics of the coal slime drying process and its heat and mass transfer characteristics were investigated by microwave heating method,and the basic laws of dynamics and energy consumption changes in different stages were expounded.The results show that the process of microwave drying of coal slime may be divided into three stages,i.e.,preheating stage,constant-rate drying stage and decreasing-rate drying stage.The free water within coal slim is removed mainly in the both preheating stage and constant-rate drying stage,whilst the bound water is removed in the decreasing-rate drying stage.The linear model and modified Page model can be used to describe the corresponding kinetic processes in the constant-rate and decreasing-rate stage,respectively.Furthermore,the apparent activation energy of the selected sample in the decreasing-rate stage is obtained as 3.23 W/g.The energy consumption in the constant-rate drying stage ranges from 2.94 kJ/g to 5.90 kJ/g,which is significantly lower than that in the preheating or decreasing-rate drying stage.The energy consumption is decreased gradually with the increase of microwave power ranging from 500 W to 800 W or initial mass from 150 g to 300 g.DOI：10.11949/0438-1157.20230122收稿日期：2023-02-17 修回日期：2023-05-11通信作者：张锴（1968），男，博士，教授，第一作者：王光宇（1991），男，博士研究生，基金项目：国家自然科学基金联合基金重点项目(U1910215)引用本文：王光宇,张锴,张凯华,张东柯.微波加热干燥煤泥热质传递及其能耗特性分析J.化工学报,2023,74(6):2382-2390Citation：WANG Guangyu,ZHANG Kai,ZHANG Kaihua,ZHANG Dongke.Heat and mass transfer and energy consumption for microwave drying of coal slimeJ.CIESC Journal,2023,74(6):2382-2390研究论文第6期Key words:coal slime;microwave;drying;transport processes;kinetics;energy consumption引言煤泥是煤炭洗选的副产物，具有粒径小、水分含量高、堆积不成形、遇水易流失和遇风易漂移等特点，处置不当会造成严重的资源浪费与环境污染1-3。干燥是重要的单元操作过程，煤泥干燥后既可以实现水资源有效回收，也可以降低热解、气化、液化或燃烧等后续热化学转化与利用的能量消耗。尽管前人将煤中水分分为不同类型，例如：Norinaga等4分为自由水、结合水和不冻水，Allardice等5分为自由水、结合水、孔隙水、单层吸附水和多层吸附水，Karthikeyan等6分为表面吸附水、颗粒间隙水、孔隙水、附着水和内部吸附水，但是根据干燥过程特点通常可以归纳为自由水和结合水两大类7-8。利用300 MHz300 GHz电磁波将能量定向传输给湿物料中水等极性分子的微波加热是一种高效的外场强化技术9-12，其基本原理是通过分子间剧烈磨擦、碰撞而发生能量转换和传递，实现热量和水分均由内到外同向传递。微波加热的这种“泵送效应”13-14可以在较小温差内提高热量和质量传递速率，理论上可以降低高温烟气或蒸汽等热力干燥过程中湿物料“外壳”的热量和质量传递阻力，但微波干燥的能量转化效率有待进一步提高。基于热风干燥研究成果，与煤泥类似的褐煤15-17或污泥18-19微波干燥过程通常也分为预热、恒速和降速三个阶段。考虑到干燥过程的缩核效应，也有学者20-22将褐煤的降速阶段细分为第一和第二降速阶段。在干燥动力学方面，1921年Lewis针对热风干燥过程假设水分扩散速率等于表面水分蒸发速率并提出了经典的指数模型，后人称为 Lewis模型23。随后不同学者经过修正或完善，将其发展为理论模型、半理论半经验模型和经验模型三类，其中比较常用的有Lewis模型、Page模型、修正Page模型()和()以及线性模型23-24。为了获得传质过程的有效扩散系数，一些学者引入Fick第二定律，并结合 Arrhenius 公式进一步求得水分扩散活化能9,12,20,25。整体而言，现有的微波干燥动力学研究主要是将实验数据与上述不同动力学模型比较后选择匹配度最高的模型，例如：Hatibaruah等26发现茶叶适合Page模型，Kantrong等27认为香菇宜采用修正 Page 模型()，而 Arslan 等28指出 Page 模型和修正Page模型()均可以描述洋葱片。能耗是评价微波干燥的一项重要指标，Hacifazlioglu等29对比煤泥团块的微波和热风干燥后发现微波功率700 W比热风150更加节能；Song等12指出50 mm煤泥球脱水能耗在320800 W范围内随着微波功率增加而减小，另外800 W下煤泥球脱水能耗在3060 mm范围内随着粒径减小而增大。Guo等30认为污泥微波干燥脱水能耗随着输出功率的增加而减小，其脱水能耗在 500750 g范围内随质量增加逐渐增大，但在7501250 g区间随质量增加而逐渐减小，由于湿物料质量变化受到物料性质和形状及装置结构等诸多因素影响，有待进一步深入研究。综上所述，尽管前人在热风干燥基础上研究了不同类型湿物料的微波干燥特征，但是缺乏针对含水量高且粒径小煤泥的系统深入认识。为此，本文基于微波干燥煤泥过程的热量和质量传递特性，考察了质量、温度、含水量和微波功率消耗及微波干燥动力学和能耗变化规律。1 实验部分源自某洗煤厂的煤泥存储于密封的塑料桶中，并放置在避光阴凉处。根据国家标准煤的工业分析方法（GB/T2122008）、煤的元素分析（GB/T313912015）、煤的发热量测定方法（GB/T2132008），采 用 G20-FT 工 业 分 析 仪、FLASH 2000 CHNS/O有机元素分析仪和AC08-FT氧弹热量计获得了样品的工业分析、元素分析和发热量，具体结果汇总于表1。采用激光粒度仪Mastersizer 2000分析煤泥样品的粒径分布，图1结果表明本研究煤泥表1煤泥样品工业分析和元素分析Table 1Proximate and ultimate analysis of coal slime样品煤泥工业分析/%(质量)Mar27.82Mad1.35Aad26.46Vad12.31FCad59.88元素分析/%(质量)Cad61.76Had2.86Nad1.28Sad0.40O*ad5.89热值Qb.ad/(MJ/kg)24.94注：M表示水分，A表示灰分，V表示挥发分，FC表示固定碳，ad表示空气干燥基，ar表示收到基，*表示通过差减法获得，Qb表示弹筒发热量。2383第74卷化 工 学 报粒径在0.301.00 mm范围内的超过90%。设计并搭建的微波干燥系统装置如图2所示，主要包括微波源、微波腔、干燥器、电子天平、光纤温度计、功率计、排风扇和计算机。其中微波源将电能转化为微波能，然后通过波导管传输到微波腔内，微波频率和最大微波功率分别为2.45 GHz和3 kW，所消耗功率由功率计记录；微波腔由不锈钢材质制成，可以防止微波泄漏；干燥器采用石英材质，用来盛放煤泥样品；精度为0.02 g的电子天平用来测量样品质量随时间变化；精度为0.1的3根光纤温度计用来测量样品内不同位置温度随时间变化；排风扇用来维持微波腔内稳定的压力；计算机与功率计、电子天平和光纤温度计相连接，可以在线记录微波功率、样品质量和温度。实验开始前，首先将一定量的煤泥均匀平铺在干燥器中，然后将3根光纤温度计插入到煤泥内不同位置，随后开启排风扇，待系统稳定后开始实验。实验过程中，通过计算机在线采集功率计、电子天平和光纤温度计测量的微波功率、样品质量和温度数据，采样频率为每分钟10次。当煤泥样品的质量不再减少时，完成本次实验。本文具体考察 150300 g湿煤泥在500800 W微波功率范围内干燥特性。每组实验重复3次，取平均值。2 结果与讨论2.1 温度和含水量变化特征图3给出了200 g湿煤泥样品在500、600、700和800 W功率下微波干燥过程中温度T()和干基含水量随干燥时间变化特征，其中干基含水量Mt计算公式为：Mt=Wt-Wd,sWd,s(1)式中，Mt为t时刻样品的干基含水量，g/g；Wt为t时刻样品的质量，g；Wd,s为完全干燥煤泥的质量，g；下角标t为干燥时间，min。图 3(a)表明样品温度均由室温急剧升高到100，维持一段时间后温度再次升高，整体上呈现51015202530020406080100120140160T/t/min 500 W 600 W 700 W 800 W0510152025300.050.100.150.200.250.300.350.40t/min 500 W 600 W 700 W 800 W(a)温度变化(b)干基含水量变化Mt/(g/g)图3不同功率下煤泥水分随温度变化过程Fig.3Variation of moisture of coal slime with temperature under different power levels1302005001000150000.020.040.060.080.100.120.14volume fractionparticle size/m图1 煤泥粒径分布Fig.1 Particle size distribution of coal slime2314786微波5图2 微波干燥系统示意图1微波源；2微波腔；3干燥器；4电子天平；5光纤温度计；6功率计；7排风扇；8计算机Fig.2 Schematic diagram of microwave drying 第6期三个阶段；图3(b)给出的煤泥干基含水量变化特征表明200 g样品在500800 W功率下完全干燥所需时间从 29.9 min 缩短到 16.0 min。结果表明，煤泥干燥速率随着微波功率增大而加快，完全干燥所需时间逐渐减少。Song 等12,31对煤泥和褐煤以及Bennamoun等11,19对污泥的微波干燥研究均得到类似定性结论。进一步对比图3(a)、(b)可以获得以下认识。在第一阶段，湿煤泥的温度从室温快速升高到100，但样品失水量很少，说明所吸收的微波能主要是以显热形式加热煤泥，同时由于样品周围环境中水蒸气分压较低，导致湿煤泥中仅有少量水分释放到周围环境。微波功率越大，煤泥吸收的微波能越多，升温就越快。当煤泥温度达到100时，该阶段结束。在第二阶段，湿煤泥的温度维持在100，样品含水量快速减少。其原因是煤泥吸收的微波能以潜热形式加热煤泥中水分，使其蒸发到周围环境。由于环境温度低于100，实验过程中观测到样品表面开始有少量细微水珠出现，说明物料内部温度明显高于其表面温度。由于水的介电常数远远大于煤泥固态基质的介电常数21，导致水分蒸发速率很快，但样品温度仍然维持在100。当样品表面水珠消失后，温度开始二次升高，该阶段结束。在第三阶段，湿煤泥的温度从100开始升高，而干基含水量缓慢下降。这是由于样品中大部分水分已经在第二阶段脱除，剩余的物质主要是少量水分和固体基质。这说明所吸收的微波能既要以潜热和显热形式加热并蒸发样品中残留水分，也要以显热形式加热固态基质。2.2 热量和质量传递特性尽管微波加热与传统热风干燥具有显著不同的热量和质量传递机理，但上述实验结果表明煤泥微波干燥仍然呈现三个明显的温度和含水量变化特征。本节沿用传统干燥过程的预热升温、恒速干燥和降速干燥三个阶段，探讨微波干燥煤泥过程热量和质量传递特性。其中干燥速率和含水率的计算公式分别为：DR=Mt-Mt+dtdt(2)MR=Mt-MeM0-Me(3)式中，DR为t时刻的干燥速率，g/(gmin)；Mt和Mt+dt分别为t时刻和t+dt时刻样品的干基含水量，g/g；MR为t时刻的含水率；M0为t=0时初始干基含水量，g/g；Me为干燥终端时干基含水量，g/g，可以认为等于09,32-33，因此式(3)可以简化为：MR=MtM0(4)根据式(2)式(4)，将图3(b)中干基含水量（Mt）随时间变化曲线进行微分，可以得到图4(a)所示的干燥速率(DR)随时间变化特征图，进而获得了含水率(MR)与干燥速率(DR)的对应关系图4(b)。以下具体分析微波干燥湿煤泥过程的热量和质量传递特性。在预热升温阶段脱除煤泥颗粒之间少量的自由水，500、600、700和 800 W 功率下对应的持续时间分别为9.2、8.3、7.5和6.1 min图4(a)及其干燥速率分别为0.021、0.026、0.033和0.042 g/(gmin)图4(b)。随着微波功率增大，预热升温阶段持续时间减少，干燥速率增大。随着微波功率增大，湿煤泥吸收的能量增多，导致水分蒸发速率加快及预热阶段持续时间缩短。当干燥速率达到最大时，该阶段结束后0510152025300.010.020.030.040.050.06t/min 500 W 600 W 700 W 800 W00.20.40.60.81.00.010.020.030.040.050.06结合水MR 500 W 600 W 700 W 800 W自由水DR/(g/(gmin)DR/(g/(gmin)(a)干燥速率随时间的变化(b)干燥速率随含水率的变化图4不同功率下煤泥的干燥速率特征Fig.4Characteristics of coal slime drying rate at various microwave power levels2385第74卷化 工 学 报进入恒速干燥阶段。恒速干燥阶段仍然是脱除煤泥颗粒之间的自由水，500、600、700和 800 W 功率下对应的持续时间分别为11.2、6.7、6.3和5.5 min图4(a)，但干燥速率基本维持稳定且达到最大值图4(b)。该阶段随着微波加热功率增大持续时间缩短，说明恒速干燥阶段煤泥所吸收的能量全部用于水分蒸发并释放到周围环境。微波功率越大，样品吸收的微波能越多，因此干燥速率加快后持续时间缩短。持续一定时间后，当干燥速率开始下降时，该阶段结束。降速干燥阶段主要脱除湿煤泥颗粒表面吸附水及内部结合水，与恒速干燥阶段分界的临界含水率在 8.4%9.9%范围内图 4(b)。500、600、700 和800 W功率下对应的持续时间分别为9.5、7.0、6.2和4.4 min图4(a)，且干燥速率逐渐降低到零图4(b)。由于微波干燥煤泥样品过程中缩核效应并不明显，说明该过程中干燥机理保持不变，所以降速阶段干燥速率无须分为两个阶段。干燥速率逐渐降低的主要原因是：湿煤泥中结合水与固态基质内部或表面以化学键或氢键形式相结合7，断裂过程比自由水需要更多能量；煤泥固体基质的介电常数远远小于水分的介电常数21，所以当煤泥含水量减少时，煤泥总体的介电常数会逐渐降低，导致吸收的微波能逐渐减少，引起水分的蒸发速率降低；随着干燥程度加深，湿煤泥所含水分含量越来越少，水蒸气在固态基质孔道内的扩散由分子扩散为主转变为分子扩散与 Knudsen扩散共存34，扩散速率随之降低。综上所述，微波干燥煤泥的三个阶段中，自由水主要在预热升温阶段和恒速干燥阶段去除，结合水主要在降速干燥阶段去除。煤泥干燥过程随着微波功率的增大而逐渐加快，主要是因为煤泥吸收的微波能随着功率的增大而增加。2.3 微波干燥过程动力学特性微波干燥湿物料属于典型的热量与质量耦合传递过程，上述结果表明煤泥脱水主要发生在第二（恒速干燥）和第三（降速干燥）阶段，但两个阶段的干燥机理截然不同。2.3.1 恒速干燥阶段 表2比较了Lewis模型、Page模型、修正Page模型()、修正Page模型()和线性模型对恒速干燥阶段的预报结果。通过R2（相关系数）、2(卡方检验值)和RSS(残差平方和)依次判定模型的相关程度、变异程度及残差平方和。结果表明线性模型的 R2（0.9980.999）、2（4.98510-51.02210-4）和 RSS（3.71510-45.28510-4）明显优于其他模型。含水率MR与时间呈线性关系，表明此过程干燥速率恒定，这与图4(a)中恒速阶段干燥速率变化规律一致，原因是恒速干燥阶段的温度恒定，煤泥吸收的微波能全部用于自由水蒸发。进而获得 500、600、700 和 800 W 恒速干燥阶段线性模型分别为MR=-0.057t+1.335、MR=-0.064t+1.276、MR=-0.087t+1.389和 MR=-0.102t+1.412，与实验对比效果见图5。2.3.2 降速干燥阶段 将表2中5个模型用于降速干燥阶段，表 3 结果表明修正 Page 模型()的 R2（0.9900.998）、2（1.18910-58.02910-5）和 RSS（4.75610-54.01410-4）均优于其他模型。降速阶段500、600、700和800 W的干燥速率常数k分别为0.059、0.068、0.078和0.098 min-1，这与图4(b)煤泥干燥速率随着微波功率增大而增大的趋势相一致。本文中500、600、700和800 W降速阶段动力学模型分别为 MR=exp-(0.059t)2.68、MR=exp-(0.068t)3.62、表2恒速干燥阶段不同模型的统计分析结果Table 2Statistical fitting results of the mathematical models in the constant-rate stage模型Lewis模型MR=exp(-kt)Page模型MR=exp(-ktn)修正Page模型()MR=exp-(kt)n修正Page模型()MR=aexp(-ktn)线性模型MR=at+b功率/W500600700800500600700800500600700800500600700800500600700800R20.6700.7110.6380.6210.9970.9960.9990.9990.9970.9960.9990.9990.9970.9960.9990.9990.9990.9990.9990.99820.0140.0130.0160.0181.09110-41.50010-45.56710-52.42310-51.09110-41.50010-45.56710-52.42310-51.04610-41.46710-42.47610-51.37510-54.98510-55.87210-56.19210-51.02210-4RSS0.1540.1300.1150.1100.0010.0013.34010-41.21110-40.0010.0013.34010-41.21110-49.41910-40.0011.23610-45.50210-54.98510-45.28510-43.71510-45.10810-4注：t为干燥时间，min；k为干燥速率常数，min-1；a、b和n为拟合系数。第6期MR=exp-(0.078t)3.17和 MR=exp-(0.098t)3.01，与实验对比效果见图6。根据修正Page动力学模型()的干燥速率常数可以计算出微波干燥过程表观活化能。由于降速阶段难以准确测定温度，故使用 zbek等35提出的修正Arrhenius公式：k=k0exp(-EaW0P)(5)式中，k为干燥速率常数，min-1；k0为指前因子，min-1；Ea为表观活化能，W/g；P为微波功率，W；W0为样品初始时刻质量，g。如图7所示，lnk与W0/P线性拟合相关系数R2=0.925，由式(5)可得煤泥降速干燥阶段表观活化能为3.23 W/g。2.4 微波干燥过程能耗特性能耗是评价干燥工艺的一项重要指标，定义微波干燥过程中湿物料蒸发脱除单位质量水分所需电能为脱水能耗，计算如下：q=Q/m(6)式中，q是脱水能耗，kJ/g；m是样品脱除的水0.240.280.320.360.40-2.9-2.8-2.7-2.6-2.5-2.4-2.3lnklnk=-3.23(W0/P)-1.58R2=0.925(W0/P)/(g/W)图7 降速干燥阶段不同微波功率下lnk和W0/P拟合曲线Fig.7 Fitting curve of lnk vs W0/P with different microwave power levels in the decreasing-rate stage101520253000.10.20.3R2=0.998R2=0.990R2=0.990MRt/min 500 W 600 W 700 W 800 WR2=0.995图6 降速干燥阶段含水率MR实验值与修正Page模型()预测值对比Fig.6 Comparison of experimental and predicted moisture ratios by the modified Page()model in the decreasing-rate stage表3降速干燥阶段不同模型的统计分析结果Table 3Statistical fitting results of the mathematical models in the decreasing-rate stage模型Lewis模型MR=exp(-kt)Page模型MR=exp(-ktn)修正Page模型()MR=exp-(kt)n修正Page模型()MR=aexp(-ktn)线性模型MR=at+b功率/W500600700800500600700800500600700800500600700800500600700800R20.6430.4950.5570.5860.9950.9900.9900.9980.9950.9900.9900.9980.9950.9780.9880.9980.9090.9780.9640.95320.0020.0040.0040.0042.88710-57.87010-58.14610-51.19210-52.88310-57.57410-58.02910-51.18910-53.56610-51.63910-49.55910-51.45610-55.72810-41.67910-43.61310-45.97010-4RSS0.0240.0200.0220.0212.88710-43.14810-44.07310-44.76810-52.88310-43.02910-44.01410-44.75610-53.20910-44.91810-43.82410-44.36910-50.0066.71710-40.0020.00251015200.20.40.60.81.0MRt/min 500 W 600 W 700 W 800 WR2=0.999R2=0.999R2=0.999R2=0.998图5 恒速干燥阶段含水率MR实验值与线性模型预测值对比Fig.5 Comparison of experimental and predicted moisture ratios by the linear model in the constant-rate stage2387第74卷化 工 学 报分质量，g；Q是微波源所消耗电能，kJ。以图 8所示的 700 W 功率下 150300 g范围内煤泥干基含水量随时间变化为例，可以发现，初始质量越大的煤泥完全干燥需要时间越长，电能消耗随时间延长而增多，但同时也脱除了更多的水分。水分扩散路径随着样品质量增加而延长，导致干燥速率降低后脱水能耗增大，这与2.2节水蒸气在固态基质孔道内以分子扩散为主相呼应。图9给出了微波干燥过程中脱水能耗随微波功率和初始质量的变化特征。结果表明恒速干燥阶段脱水能耗最低，而预热升温和降速干燥阶段脱水能耗均相对较高。其中恒速干燥阶段电能消耗均用于自由水蒸发所需汽化潜热，干燥速率一直维持在较高水平，会极大降低脱水能耗；但预热升温阶段电能消耗仅有少部分用于该阶段的水分蒸发所需汽化潜热，而主要用于煤泥温度升高所需显热，导致能耗相对较高，由于该过程干燥速率逐渐升高，引起能耗开始降低；降速干燥阶段煤泥水分含量低，样品总体的介电常数小，吸收的微波能急剧减少12，此阶段水分主要为结合水，比自由水需要吸收更多能量才能蒸发，并且吸收的微波能用于煤泥二次升温和剩余水分蒸发所需显热和潜热，导致脱水能耗较高，由于该过程蒸发速率逐渐降低，导致脱水能耗开始升高。结合图9与图4，本研究中微波加热干燥煤泥的适宜目标含水率在8.4%9.9%范围内，以避免干燥速率降低后脱水能耗的急剧增加。图9(a)显示恒速干燥阶段500、600、700和800 W对应的脱水能耗分别为5.90、4.98、4.20和3.84 kJ/g，表明脱水能耗随着微波功率增加表现出逐渐下降的趋势，其他学者12,30,36也得到类似结论。微波功率增大会加强“泵送效应”，加快了干燥过程，降低了脱水能耗，同时高输出功率可以更高效地将电能转化为电磁能30，也会导致脱水能耗降低。图 9(b)显示恒速干燥阶段700 W微波功率下150、200、250和 300 g 对应的脱水能耗分别为 5.32、4.20、3.83 和2.94 kJ/g，表明脱水能耗随着初始质量增加而逐渐降低，这与 Li等15研究褐煤和 Guo等30研究污泥结论存有差异。增加煤泥质量引起水分扩散路径延长，导致干燥速率降低后脱水能耗增大，但自由水含量的增加提高了微波吸收效率37，有利于降低脱水能耗。3 结论采用微波加热方式考察了煤泥干燥过程基本特征，并探讨了干燥过程中热量和质量传递特性，分析了不同阶段动力学和能耗变化规律。主要结论如下。(1)煤泥微波干燥过程可以分为预热升温、恒速51015202500.10.20.30.4t/min 150 g 200 g 250 g 300 gMt/(g/g)图8 不同初始质量下煤泥微波干燥特征曲线Fig.8 Drying curves of coal slime at various initial masses0.20.40.60.81.005101520MR 500 W 600 W 700 W 800 W0.20.40.60.81.005101520MR 150 g 200 g 250 g 300 gq/(kJ/g)q/(kJ/g)(a)不同功率下脱水能耗变化特征(b)不同初始质量下脱水能耗变化特征图9煤泥微波干燥过程中脱水能耗特征Fig.9Characteristics of energy consumption in microwave drying of coal 第6期干燥和降速干燥三个阶段，其中预热升温阶段温度急剧升高到100，干燥速率也急剧加快，微波能主要以显热形式加热煤泥；恒速干燥阶段温度维持不变，干燥速率也维持稳定，微波能以潜热形式加热水分；降速干燥阶段温度再次升高，干燥速率逐渐下降，微波能以显热和潜热加热并蒸发剩余水分。(2)通过对比Lewis模型、Page模型、修正Page模型()、修正Page模型()和线性模型5种动力学模型，发现线性模型在恒速阶段的R2（0.9980.999）、2（4.98510-51.02210-4）和RSS（3.71510-45.28510-4）及 修 正 Page 模 型()在 降 速 阶 段 的 R2（0.9900.998）、2（1.18910-58.02910-5）和 RSS（4.75610-54.01410-4）明显优于其他模型，恒速和降速阶段宜分别采用线性模型和修正Page模型()描述，其中降速阶段水分蒸发的表观活化能为3.23 W/g。(3)脱水能耗表现出先降低，维持稳定一段时间再升高的趋势，其中恒速阶段电能消耗全部用于水分蒸发，脱水能耗最低（2.945.90 kJ/g），预热升温阶段电能消耗用于煤泥升温和少量水分蒸发，降速阶段电能消耗用于煤泥二次升温和剩余水分蒸发；增大微波功率会加强“泵送效应”，同时提高了电能转化微波效率，有利于降低脱水能耗；增加煤泥质量虽然会降低干燥速率，但自由水含量的增加提高了微波吸收效率，有利于降低脱水能耗。参考文献1李天涛,郭飞强,王岩,等.微型流化床内松木屑和煤泥等温混合热解特性J.化工学报,2017,68(10):3923-3933.Li T T,Guo F Q,Wang Y,et al.Characterization of co-pyrolysis of pine sawdust and coal slime under isothermal conditions in micro fluidized bed reactorJ.CIESC Journal,2017,68(10):3923-3933.2Wang H,Liu S L,Li X T,et al.Morphological and structural evolution of bituminous coal slime particles during the process of combustionJ.Fuel,2018,218:49-58.3Guo X,Li K,Zhou P,et al.Insight into the enhanced removal of water from coal slime via solar drying technology:dewatering performance,solar thermal efficiency,and economic analysisJ.ACS Omega,2022,7(8):6710-6720.4Norinaga K,Kumagai H,Hayashi J I,et al.Classification of water sorbed in coal on the basis of congelation characteristicsJ.Energy&Fuels,1998,12(3):574-579.5Allardice D J,Evans D G.The-brown coal/water system(part 2):Water sorption 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