褐煤干燥及熱解機理研究現狀

46應用能源技術(shù)2014年第12期(總第204期)doi:10.3969/.isn.1009-3230.2014.12.011褐煤千燥及熱解機理研究現狀張凱(中國電能成套設備有限公司,北京100080摘要:單個(gè)大顆粒褐煤干燥、熱解機理的研究對于褐煤提質(zhì)技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有重要的理論與實(shí)際意義,可用于該過(guò)程的數值計算與優(yōu)化研究。對于單個(gè)大顆粒褐煤而言在干燥、熱結過(guò)程中內部存在較大的溫度、水含量及揮發(fā)分含量的梯度,所涉及到的科學(xué)問(wèn)題為多孔介質(zhì)傳熱與傳質(zhì)問(wèn)題。文中主要針對褐煤的干燥機理、熱解機理及堆積態(tài)干燥過(guò)程機理進(jìn)行了詳細的文獻調研。關(guān)鍵詞:褐煤;千燥機理;熱解機理中圖分類(lèi)號:TD849.2文獻標志碼B文章編號:1009-3230(2014)12-0046-05Study State Review of Lignite Drying and Pyrolysis MechanismZHANG KaiChina Power Complete Equipment Co, Ltd, Beijing 100080, ChinaAbstract The mechanism of drying and pyrolysis of single coarse lignite particles has importanttheoretical and practical significance for the development of the lignite upgrading technologies, and itcan be used for simulation and optimization study. For single larger lignite particles, there isgnificant difference of particle temperature, water content and volatile content and the scientificquestion is about the heat and mass transfer of the porous medium. In the study the study statereview is completed for the mechanism of lignite drying and pyrolysisKey words: Lignite; Drying mechanism; Pyrolysis mechanism引言澳大利亞、中國、俄羅斯等國家擁有豐富的褐煤資褐煤是泥炭經(jīng)過(guò)長(cháng)期地質(zhì)成巖作用的產(chǎn)物,源。褐煤主要用于燃燒熱解、煉焦氣化提取褐即植物殘骸在物理、生物、化學(xué)作用下變成的固體煤蠟及褐煤微生物的轉化與利用,在我國動(dòng)力與碳氫燃料褐煤是煤炭資源中煤化程度較小的煤,化工用煤中起到重要的作用,見(jiàn)表1。屬于軟質(zhì)煤。與其它煤種相比,褐煤含氧量高,灰我國褐煤的特性是高揮發(fā)份(50%左右)高份大密度小,易于自燃煤粉容易爆炸。表1給水分(30%左右)、高灰份(30%左右)低熱值(14出了截止207年1月世界煤炭可采儲量。由該M/kg左右)、低灰熔點(diǎn)2。主要分布在東北西表可知全球褐煤可采儲量約146億,占煤炭北西南和華北等地集中在內蒙古、云南和新疆可采儲量的17.7%。我國褐煤可采儲量約186等省份。由于地區經(jīng)濟發(fā)展相對東部沿海地區較億噸占全國煤炭可采儲量的162%田。美國、落后的原因這些地區的用煤量相對較少因此需要將褐煤運輸到距離比較遠的利用場(chǎng)地。但由于收稿日期:2014-10-10修訂日期:2014-11-09作者簡(jiǎn)介:張凱(1982-),男,主要從事煤化工及火電設褐煤易氧化自燃以及高水分含量,不適于遠途運備招標工作輸利用,而且會(huì )造成了鐵路系統的運力浪費。2014年第12期(總第204期)應用能源技術(shù)衰世界各國煤可采儲量?jì)|噸無(wú)煙煤估計可地區/國家次煙煤褐煤總計2006年產(chǎn)量和煙煤開(kāi)采年全球2658.960.4761.69美國1089.53991.552383.1710.89219俄羅斯1570.34中國622.33336.57185.971144.87澳大利亞和新西蘭377.39213印度565.18加拿大34.479.070.91單個(gè)大顆粒褐煤干燥、熱解機理的研究對于態(tài)干燥過(guò)程機理。褐煤提質(zhì)技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有重要的理論與實(shí)際意1千燥過(guò)程傳熱傳質(zhì)機理研究義,可用于該過(guò)程的數值計算與優(yōu)化研究。對于現狀單個(gè)大顆粒褐煤而言,在干燥、熱結過(guò)程中內部存到目前為止,由于多孔介質(zhì)內部結構的復雜在較大的溫度、水含量及揮發(fā)分含量的梯度,所涉性和隨機性,還沒(méi)有一種理論模型能夠全面的描及到的科學(xué)問(wèn)題為多孔介質(zhì)傳熱與傳質(zhì)問(wèn)題。文述干燥過(guò)程中多孔介質(zhì)內部的熱濕傳遞機理?，F中的研究對象為褐煤的干燥、熱解過(guò)程,因此,文有的干燥模型主要有以下三類(lèi)。獻調研主要針對褐煤的干燥機理、熱解機理,堆積表2已提出的薄層干燥經(jīng)驗模型模型名稱(chēng)研究者單指數模型(1)LewisMR=p(-k·)Henderson and PabisMR=a·ep(一k·)MR=a·e(-k·t)+cTogrul and Pehlivan[s]雙指數模型P(-k·)+B·e(-k1·)Page模型和修正Page模型MR=∞p(-k·)Modified PageMR=a·exqp(-k·rWang and Singh(7)OverhultsMR=四p[-(k·)]0 erhults et al.可純經(jīng)驗模型MR=a-b·ex(-k·p)MR=1+a·t+Bompsont=a·MR+b·(lnMR)2Thompson et al(1)經(jīng)驗模型:當物質(zhì)的外部干燥條件恒定理論模型主要有液態(tài)擴散模型、毛細流動(dòng)模型蒸時(shí),可以使用引人時(shí)間項的經(jīng)驗模型。已提出的發(fā)-冷凝模型、ikow非平衡熱力學(xué)理論模型、部分薄層干燥經(jīng)驗模型見(jiàn)表2。經(jīng)驗模型的缺點(diǎn)Phip與DeⅤies模型、蒸發(fā)前沿模型、 Whitaker是由于模型中有時(shí)間項當干燥條件發(fā)生改變時(shí),體積平均模型理論和孔道網(wǎng)絡(luò )干燥模型等。系統該模型不再適合,模型使用范圍受限。完善的干燥理論不但要能解釋物料干燥過(guò)程中出(2)熱質(zhì)耦合理論模型:已提出的熱質(zhì)耦合現的熱濕現象而且還應該給出相應的干燥模型,應用能源技術(shù)2014年第12期(總第204期)進(jìn)而去預測在一定條件下物料的干燥特性,并能響。由于其自身的復雜性,影響煤熱解過(guò)程的因根據模型計算出物料的干燥速率曲線(xiàn)和干燥曲素眾多,如煤階、礦物質(zhì)成分、粒徑大小、升溫速率線(xiàn)。等,這些因素給熱解機理的研究帶來(lái)很多困難。(3)特征干燥速率曲線(xiàn)模型:該模型認為,在采用熱解模型來(lái)描述煤粉的熱解機理是十分降速干燥段特征干燥速率曲線(xiàn)是干燥物質(zhì)特有重要的,長(cháng)期以來(lái)廣為國內外學(xué)者所關(guān)注。至今,的可以通過(guò)薄層干燥實(shí)驗得到濕物質(zhì)的特征干已經(jīng)建立了許多傳統熱解模型去描述熱解過(guò)程的燥速率曲線(xiàn)特征干燥速率曲線(xiàn)體現了相對干燥機制,例如單一反應模型有限多平行反應模型速率與特征水含量之間的關(guān)系。相對干燥速率和分布活化能模型等。單一反應模型一般將反應采待征水含量的定義式如下用一級或n級來(lái)表示,有限多平行反應模型認為WRf(x)。煤的熱解是單個(gè)化合物或幾種化合物的熱分解式中:W為恒速干燥速率,如果干燥速率曲線(xiàn)不而rt+2認為煤的熱解過(guò)程有無(wú)限多平行反應同存在恒速干燥段;W就等于最大干燥速率;r為時(shí)發(fā)生,可用無(wú)限多平行反應模型描述。 Anthony干基水含量。等人在Pit的基礎上發(fā)展了無(wú)限多平行反應針對褐煤的干燥機理研究,Chcn等建立了模型,其假設媒熱解所發(fā)生的數量眾多的反應的個(gè)過(guò)熱蒸汽干燥褐煤球形顆粒的模型該模型活化能呈一定的分布故又稱(chēng)之為活化能分布模建立在退縮面假設的基礎上,指定蒸發(fā)僅發(fā)生在型。但以上模型仍然存在預測結果偏差較大適干燥前沿。隨著(zhù)干燥進(jìn)行,干燥前沿從顆粒表面用性差、引人過(guò)多不合理假設等問(wèn)題向顆粒中心移動(dòng)。其計算結果與實(shí)驗數據( Hager對于大顆粒熱解而言, affeldt等建立了等文獻中關(guān)于陶瓷顆粒的實(shí)驗結果)進(jìn)行了比木材球形顆粒熱解模型,驗證了木材粉末熱解機較。然后模型被用于研究系統參數、熱物性參數理。 Sadhukhan等在實(shí)驗室內完成了球狀圓對煤干燥行為(包括轉換溫度)的影響。Loi柱狀木材顆粒在電加熱爐中的熱解實(shí)驗,利用木等完成了褐煤顆粒在過(guò)熱蒸汽中的干燥實(shí)驗,材熱解的二次反應熱解機理建立熱解模型。利用了Chen等的干燥模型,發(fā)現預測值總是低于褐煤由于儲量豐富日益受到關(guān)注,而褐煤揮實(shí)驗值。發(fā)分的熱解行為對其利用具有重要影響。以往研Bongers等研究了澳大利亞低階煤(Loy究中對于熱解行為的研究大都局限在細煤粉顆粒Yang, Morel和 South australian Bowmans煤)在上(微米級),大顆粒(厘米級)的熱解行為研究較受壓蒸汽中的平衡水含量。實(shí)驗中蒸汽溫度180少,而大顆粒由于加熱速率的原因其揮發(fā)分的析260℃,壓力1-25MPa。研究發(fā)現:平衡水含出特性與小顆粒存在顯著(zhù)差別。量是過(guò)熱度的簡(jiǎn)單函數當絕大部分的水被脫除3堆積態(tài)干燥過(guò)程研究現狀后有機物質(zhì)的釋放才變得明顯。對于固定床堆積態(tài)于燥過(guò)程研究,首先在實(shí)由上述研究文獻可以發(fā)現對褐煤顆粒干燥驗室搭建固定床堆積態(tài)干燥實(shí)驗臺架獲得堆積的研究相對較少,已有模型難以揭示固體褐煤顆態(tài)干燥過(guò)程相關(guān)實(shí)驗數據。固定床干燥過(guò)程數值粒干燥機理。建模研究中將流體簡(jiǎn)化為柱塞流,采取基于褐煤2熱解動(dòng)力學(xué)機理研究現狀顆粒內部固定床高度均劃分網(wǎng)格的多尺度計算煤熱解是氣化、液化過(guò)程的組成過(guò)程,同時(shí)也法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得固定床內部不同高是燃燒的重要初始過(guò)程對著(zhù)火過(guò)程有很大的影度處顆粒內部的微觀(guān)信息。求解固定床褐煤干燥2014年第12期(總第204期)應用能源技術(shù)多尺度數值模型,并與實(shí)驗結果進(jìn)行了對比模型傳質(zhì)效果。薄層干燥速率方程是顆粒平均水分含具有較好的計算精度,為稠密顆粒多孔介質(zhì)數值量和其他一些可能的影響參數(例如干燥介質(zhì)的計算提供新方法。同時(shí)建立固定床集總參數數值溫度,濕度等)的函數。但是,這樣的模型忽略了模型,并與實(shí)驗及多尺度固定床干燥模型進(jìn)行對顆粒內部傳熱、傳質(zhì)過(guò)程,不能夠揭示固定床中顆比。最終獲得通過(guò)固定床干燥實(shí)驗驗證的堆積態(tài)粒內部的干燥細節。針對以上問(wèn)題,一些學(xué)者在干燥過(guò)程傳熱和傳質(zhì)模型,為其應用到到水平移研究固定床干燥過(guò)程中考慮了顆粒內部的水分傳動(dòng)床裝置數值計算研究提供理論支持。遞過(guò)程, Sitompul等將單顆粒擴散耦合到固定目前研究堆積態(tài)顆粒中的傳熱過(guò)程可以采床谷物干燥模型中,但是計算結果并未給出顆粒用兩種能量方程模型分別是局部熱平衡模型和內部的干燥信息。另外, Saastamoinen等(2利用非熱平衡模型。第一種模型假設顆粒相和流體相簡(jiǎn)化的退縮面模型計算了固定床內木塊的干燥過(guò)溫度相等在任一位置滿(mǎn)足局部熱平衡。但是在程但是簡(jiǎn)化模型并未與單顆粒干燥情況進(jìn)行對很多實(shí)際情況中這個(gè)假設并不成立。最近,很多比,是否反映單顆粒干燥過(guò)程有待驗證,其固定床學(xué)者針對局部非熱平衡情況,進(jìn)行了一些堆積態(tài)計算結果中也未給出不同位處顆粒內部的干燥行顆粒中的對流傳熱的理論和數值研究,他們認為為。實(shí)際上,很多學(xué)者對退縮面模型和擴散模型非熱平衡模型能夠更精確、合理地描述了固定床描述顆粒內干燥過(guò)程的準確性提出質(zhì)疑內物料的傳熱過(guò)程。 Naghavi等1), aregba等(由此可以發(fā)現對固定床褐煤顆粒干燥的研究并利用非熱平衡模型計算了床層不同深度處的水分不完善。含量和熱風(fēng)溫度,并通過(guò)固定床干燥試驗證了4結束語(yǔ)該計算模擬結果的正確性; Chekib等利用非熱綜上所述,對于褐煤提質(zhì)過(guò)程,已經(jīng)開(kāi)展了一平衡模型計算了生物質(zhì)顆粒在固定床反應器內的熱解過(guò)程,其采用二維數學(xué)模型,考慮二維熱質(zhì)傳定的基礎與應用研究工作,并取得了一定的研究遞的影響,計算結果與實(shí)驗符合較好。為了考慮成果,目前仍然存在一些阻礙褐煤提質(zhì)技術(shù)發(fā)展氣相速度分布對干燥過(guò)程的影響, Sitompul等與大規模應用的基礎科學(xué)問(wèn)題。針對大顆粒褐煤在連續性方程、N-S方程中引入空隙率和床層曳的干燥實(shí)驗、機理研究較少,已有模型難以揭示固力系數,利用非熱平衡模型對固定床內谷物的干體褐煤顆粒內水分遷移機理。開(kāi)展實(shí)際裝置的熱燥過(guò)程進(jìn)行了數值模擬,發(fā)現計算結果能夠真實(shí)質(zhì)傳遞過(guò)程優(yōu)化分析是實(shí)現大型化褐煤千燥提質(zhì)應用的重要需求。反映固定床內的傳熱過(guò)程。參考文獻對于堆積態(tài)干燥過(guò)程來(lái)說(shuō),固定床干燥器應用最為廣泛。固定床干燥被大量地應用在農業(yè)、.[1 - Thomas T, Sandro s J, Peter J. 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