煤顆粒熱反應(yīng)過程中宏觀動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建.pdf

1、我國是世界僅有的幾個(gè)以煤為主要能源的國家之一，煤資源作為我國能源消費(fèi)的主要支柱的局面必然長期存在。然而它的不可再生性以及附帶產(chǎn)生的諸多環(huán)境問題，已經(jīng)嚴(yán)重制約了人類的可持續(xù)發(fā)展，也逐漸受到全世界的廣泛關(guān)注與重視。煤的利用帶來的污染是我國大氣污染的主要來源，因而提高我國煤炭利用效率、減少煤炭利用帶來的環(huán)境污染是我們急待解決的問題。因此，本文以中國三種典型煤種焦作無煙煤、云浮煙煤和小龍?zhí)逗置簽檠芯繉?duì)象，對(duì)煤熱解和燃燒/氣化機(jī)理及模型進(jìn)行了詳細(xì)

2、系統(tǒng)的研究，對(duì)于加深認(rèn)識(shí)煤熱解、燃燒和氣化過程，揭示其本質(zhì)具有重要的意義。
　　首先采用氣體分析儀開展了煤固定床熱解的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)煤熱解過程中氣體產(chǎn)物的析出特性進(jìn)行了實(shí)時(shí)在線分析，利用Weibull分布函數(shù)的特點(diǎn)和階梯函數(shù)的性質(zhì)，建立了簡化的DAEM模型，并對(duì)該模型進(jìn)行修正。研究結(jié)果表明，升溫速率、溫度和煤種是影響煤熱分解氣體產(chǎn)物釋放特性的主要因素。煤熱分解過程中氣體產(chǎn)物析出濃度的峰值隨升溫速率的升高而增大，且H2的釋放發(fā)生在較高

3、溫度段。熱解溫度越高，主要?dú)怏w產(chǎn)物（CO2、CO和CH4）析出濃度的峰值越大，并且主要?dú)怏w產(chǎn)物釋放特性隨煤種的不同而差異較大。通過簡化的DAEM模型和修正的DAEM模型，對(duì)煤熱解過程中氣體產(chǎn)物析出特性的模擬結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)DAEM模型都能較好的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但修正的DAEM模型的模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近。
　　采用TG/DTG方法對(duì)三種典型煤種在化學(xué)反應(yīng)控制條件下O2/CO2燃燒特性進(jìn)行研究，利用分形理論描述顆粒內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，并

4、對(duì)隨機(jī)孔模型中固定的結(jié)構(gòu)參數(shù)?進(jìn)行修正，然后建立了分形隨機(jī)孔模型。研究結(jié)果表明，三種典型煤種在低溫條件下O2/CO2燃燒過程中，在反應(yīng)起始階段分形維數(shù)變化很小，而后階段分形維數(shù)急劇減少。另外，熱解終溫對(duì)焦結(jié)構(gòu)的影響是不可忽略的，這主要是由于孔隙結(jié)構(gòu)的變化主要受揮發(fā)分析出和焦受熱變形的影響。在煤焦燃燒過程中ψ的變化可分為兩個(gè)階段：在X=0～0.7階段，ψ基本上保持不變，且起始階段（X=0～0.3），ψ是略微減少，這主要由于在反應(yīng)起始階段大

5、量新孔的產(chǎn)生和微孔的擴(kuò)容使反應(yīng)面積明顯增加而造成；在后階段（X=0.7～1），ψ急劇上升，這主要是由于在后階段孔坍塌造成反應(yīng)面積的急劇減少。通過五種不同隨機(jī)孔模型，對(duì)三種典型煤焦燃燒過程進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，分形隨機(jī)孔模型和Struis模型在整個(gè)反應(yīng)階段均能得到較好的預(yù)測結(jié)果，而前者更精確。
　　在熱重分析儀和固定床上對(duì)三種典型煤焦在擴(kuò)散控制條件下O2/CO2燃燒特性進(jìn)行研究，根據(jù)反應(yīng)氣體和焦顆粒的偏微分質(zhì)量守恒方程，利用逼近的

6、方法簡化和求解該偏微分質(zhì)量守恒方程，建立了在擴(kuò)散控制條件下預(yù)測煤焦反應(yīng)性的模型。研究結(jié)果表明，三種煤焦在不同轉(zhuǎn)換率的吸附等溫線雖然在形態(tài)上稍有差別，但都呈反“S”形，并且隨著轉(zhuǎn)換率的升高其吸附量先增大后減小。在不同轉(zhuǎn)換率條件下煤焦吸附等溫線在形態(tài)上存在著差異，這意味著在不同轉(zhuǎn)換率條件下焦的孔徑分布是不同的。此外，在起始階段三種典型煤在高溫條件下燃燒比表面積都有增加趨勢，這主要是由于煤顆粒新孔的產(chǎn)生和微孔的擴(kuò)容。而微孔孔容積與比表面積的變

7、化規(guī)律非常相似，這是由于比表面積主要由微孔來提供。通過不同模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)測結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，本章中改進(jìn)的量化模型在整個(gè)反應(yīng)階段均能得到較好的預(yù)測結(jié)果，這表明在擴(kuò)散控制條件下該模型能夠作為一種快速合理的方法來預(yù)測煤焦反應(yīng)特性。
　　最后在熱重分析儀和沸騰爐上開展了煤與水蒸氣氣化的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)煤水蒸氣氣化特性進(jìn)行了研究，并利用修正的DAEM模型模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果表明，煤種和溫度是影響煤水蒸氣氣化氣體產(chǎn)物釋放特性的重要因素。煤水蒸氣

8、氣化氣體產(chǎn)物析出濃度峰值的變化與煤的揮發(fā)分含量有關(guān)，低揮發(fā)分煤與高揮發(fā)分煤氣化氣體析出濃度峰值的變化明顯有差異。氣化溫度越高，氣化時(shí)氣體產(chǎn)物析出濃度的峰值越大，達(dá)到其峰值所需的時(shí)間越短，且在不同溫度下煤氣化時(shí)氣體產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)的變化也明顯不同，高揮發(fā)分煤氣化時(shí)氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的變化相對(duì)較小。修正的DAEM能夠較好的模擬低揮發(fā)分煤水蒸氣氣化過程中焦的反應(yīng)特征，但該模型模擬高揮發(fā)分煤氣化反應(yīng)特征的效果明顯較差，這可能是由于煤的高揮發(fā)分使其氣