一种用于褐煤的综合热风-微波干燥技术：提升干燥效率并增强二氧化碳减排潜力

《Journal of Cleaner Production》：An integrated hot air-microwave drying strategy for lignite: Achieving enhanced efficiency and CO 2 reduction potential

该研究开发了热空气-微波联合干燥系统，显著提升褐煤干燥效率（DR提高16.1倍）和能源利用率（SEC降低至6.45 kJ/g），通过多指标模型（EEF）结合响应面法优化参数，同时实现CO?排放减少75%。

　　

程成|高明强|苗振勇|万科基|何琼琼

中国矿业大学焦煤资源绿色开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116

摘要

褐煤干燥过程仍主要受到高能耗和低效率的制约。为了克服这些限制并提高干燥性能，开发了一种实验室规模的结合了热风和微波加热的复合干燥系统。系统地评估了其干燥特性和能源效率。赵通褐煤含有丰富的含氧官能团和发达的中孔结构，这有助于保持大量水分，其最大结合水含量为0.600克/克。其初始活化能为40.30千焦/摩尔，导致在干燥初期干燥速率较慢。实验结果表明，在优化条件下（微波功率：500瓦；微波作用时间：25分钟），该系统的干燥性能显著优于传统的热风干燥方法，干燥速率提高了16.1倍。最大熵散蒸发效率达到了27.02%，而单位能耗（SEC）从26.60千焦/克降低到了6.45千焦/克（降低了四倍）。将四个关键指标：平均干燥速率（DR）、平均熵散蒸发效率（η_ex,evp）、SEC和不可逆熵散损失（η_ex,loss）整合成一个能源效率因子（EEF），并利用响应面法（RSM）优化了工艺条件。实验验证确认了最佳EEF，并实现了二氧化碳排放量减少75%，从而在干燥速率和能源利用之间取得了平衡。本研究提出了一种新型的节能褐煤干燥策略，利用了热风和微波加热的协同效应。这些发现对于优化工业干燥过程、减少碳排放和提高基于煤炭的能源系统的可持续性具有实际意义。

引言

中国拥有大量的褐煤储量，在其能源结构中发挥着关键作用（Liu等人，2025年）。尽管面临碳密集型排放和全球向清洁能源转型的挑战，煤炭仍占中国能源消费的50%以上（国家统计局，2024年）。因此，煤炭对于维持工业增长和经济发展仍然是不可或缺的（Jaszczur等人，2020年）。将对流热系统整合到现有的工业生产线中，已经显示出可测量的能源效率提升，每千克煤炭的脱湿率可提高0.1千克，相应地净发电效率提高了0.6%–0.9%（Xu等人，2016年）。因此，干燥技术对于促进褐煤的大规模高效利用至关重要。干燥行业占能源行业总能耗的12%–25%（Erick César等人，2021年；Gao等人，2022年）。然而，现有的褐煤干燥技术存在显著局限性。干燥过程中能源供需不平衡导致有用能量的浪费，增加了整体能耗（Cheng等人，2023年；Gao等人，2023年；Hu等人，2022年）。热量在干燥区域积聚但未能有效用于水分蒸发，从而导致能量损失。此外，输入能量可能不足，导致褐煤的最终含水量相对较高。因此，根据褐煤的特性进行能源分析和工艺优化对于减少碳排放至关重要。

虽然提高热空气的温度和流速可以改善传质系数并加快干燥速率，但热风干燥通常在300°C以上进行（Fu等人，2019年；Huang等人，2016年；Liu等人，2013年）。为了维持这一温度，热风干燥需要持续的能量输入，这增加了能耗并可能加剧粉尘问题。此外，传热速率相对较慢；例如，在170°C时，褐煤颗粒的核心温度需要大约40分钟才能达到100°C（Gao等人，2023年）。由于温度梯度驱动水分迁移，仅依赖热风存在固有的局限性。基于偶极旋转和离子传导，微波加热通过在快速振荡的电场中诱导分子重排和介电损耗，实现快速的内部到外部加热（Li等人，2023年）。目前关于褐煤微波干燥的研究主要集中在干燥动力学（Fu等人，2017年；Ge等人，2022年；Li等人；Liu等人，2022年）、物理和化学性质的变化（Baiquan等人，2021年；Liu等人，2022年；Yuan等人，2016年；Zhou等人，2018年）以及干燥器规模的模拟（Hong等人，2016年；Huang等人，2018年；Lin等人，2017年）上。然而，很少有研究关注微波能量场与其他能源领域的能量评估。具体来说，只有少数研究评估了干燥系统的能量，而将微波场与其他能源源结合的研究仍然很少。

基于热力学第二定律的熵散分析为量化能源质量下降和优化能源转换提供了严格的框架。尽管复合热风-微波干燥技术主要应用于高价值农产品（An等人，2024年；An等人，2024年；Fan等人，2024年；Paengkanya等人，2024年；Wang等人，2024年），但其应用于低品质褐煤时需要仔细评估能源效率，以证明高昂的运营成本是合理的，并符合可持续发展目标。热力学第二定律还表明，虽然能量是守恒的，但其可用部分会不可逆地减少，直到达到热力学死态——此时干燥能力丧失。最近的研究越来越强调将干燥参数与详细的能源分析相结合（Li等人，2014年；Mohammadi等人，2019年；Torrez Irigoyen和Giner，2016年）。在多能源场干燥中，熵散分析通过识别实现低能耗和高效率的工艺参数来提高系统性能。例如，Geng等人（2023年）分析了红外热风系统中的马铃薯干燥，报告干燥腔的熵散效率为19.37%–79.39%，整个过程的熵散效率为3.82%–9.73%，并使用响应面法确定了最佳参数。Li等人（2022年）将熵散分析应用于水稻逆流干燥，并提出了一种两阶段通风策略来提高效率、干燥速率（DR）和产品质量。Yu等人（2020年）研究了胡萝卜的对流干燥，并确定排气排放是主要的能量损失源。他们引入了一种三阶段湿度控制方案（初始相对湿度RH为40%持续2小时，再维持40%2小时，然后降至4%持续3.5小时），实现了53.3%的熵散效率。总之，熵散分析已被广泛用于优化干燥系统、解决效率问题、捕捉热力学和经济价值，并指导更高效工艺的设计。

在这项研究中，开发了一种实验室规模的复合热风微波干燥系统，并通过集成在线数据采集系统地评估了其效率。通过第一和第二定律热力学分析量化了动力学特性和能源转换效率。基于实验数据，建立了一个考虑干燥速率、单位能耗和熵散损失率的多标准模型。还评估了褐煤的水分迁移状态和表观活化能。通过RSM进一步评估了优化条件下的碳排放强度，从而全面评估了干燥动力学、能源效率和脱碳潜力，为系统优化建立了理论框架。

部分摘录

赵通褐煤的基本物理化学特性

本研究使用了赵通（ZT）褐煤，其近似分析和最终分析结果列在表1中。

使用傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet iS20，Thermo Fisher Scientific，美国）收集了褐煤样品在4000–400厘米?1波长范围内的光谱，分辨率为4厘米?1，平均扫描次数为32次。

通过低温氮吸附（Autosorb-iQ-MP，Quantachrome Instruments，美国）确定了褐煤的孔隙特性。

褐煤的孔结构和官能团特性

如图5(a)所示，根据官能团的不同，特征吸收带可以分为三个区域：3700–3000厘米?1（–OH伸缩）、3000-2800厘米?1（–CH?–和–CH?中的烷基C–H伸缩）以及1800-900厘米?1（C=O、C–O和芳香族C=C振动）（Zhou等人，2024年）。位于3406厘米?1的宽–OH带表明含有丰富的羟基，峰宽的增加归因于含氧基团之间的氢键作用。

结论与展望

本研究应用热力学原理研究了创新实验室规模热风-微波复合干燥机的干燥动力学和熵散性能，引入了能源效率因子（EEF）作为综合评估指标。使用RSM系统地优化了工艺参数，并同时评估了碳排放。主要发现如下：

(1)

赵通褐煤含有丰富的含氧官能团，具有很强的亲水性

CRediT作者贡献声明

程成：撰写 – 审稿与编辑，研究，数据分析。高明强：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，概念化。苗振勇：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，资金获取。万科基：监督，研究。何琼琼：监督，研究。

资助

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFE0100600）、国家自然科学基金（资助编号52074287、52304308）、江苏省自然科学基金（BK20231072）和青蓝计划的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。