第33卷第12期煤炭技術(shù)Vol. 33No.12.2014年12 月Coal TechnologyDec.2014doi:10. 13301/j enki. ct. 2014. 12. 113外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立白建明,單小勇,葛成蔭,郭龍(華電重工股份有限公司,北京100070)商要:建立了外熱式煤中低溫干餾爐炭化室的傳熱模型,充分考慮了水分遷移及煤干餾化學(xué)反應(yīng)對傳熱的影響，模型計算結(jié)果與實際吻合良好,并且考察了裝煤水分含量和裝煤堆密度對傳熱過程的影響,分析表明隨著裝煤水分含量的增加及煤料堆密度的減小，炭化室傳熱效率降低,干餾反應(yīng)完成時間加長。關(guān)鍵詞:煤;外熱式干餾爐;傳熱模型中圖分類號:TQ 530.2文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1008 - 8725(2014)12 -0320 -04Technology of External Heated Coal Pyrolysis and Establishment ofHeat Transfer ModelBAI Jian-ming,SHAN Xiao-yong,GE Cheng-yin , GUO Long( Huadian Heavy Inustries Co. ,Ltd. , Beijing 100070 ,China)Abstract : Considered the moisture nonlinear evaporation model and the reaction model of coal pyrolysis ,amathematical model was set up to simulate the heat transfer process in the furnace. It is shown that theproposed model is in good agreement with the experimental data. Then the effect of coal moisture contentand bulk density on heat transfer was studied, the results show that with the increases of coal moisturecontent and the decrease of bulk density of coal , the efficiency of the heat transfer in the furmace decrea-ses , so the pyrolysis time lengthen.Key words :coal ; external heated pyrolyzing furmace; heat transfer1煤熱解技術(shù)成的煤氣(CO、CH、C.H.)含量高、氣質(zhì)好、混有以榆林地區(qū)煤為原料進行熱解對比,對比數(shù)的N2含量很少,大大降低了荒煤氣鼓冷凈化單元據(jù)見表1。從表I得出,內(nèi)熱式氣體熱載體熱解工的負(fù)荷。生產(chǎn)的煤氣既可供城市煤氣作燃料用，藝產(chǎn)氣量遠(yuǎn)高于其他2種工藝,但其煤氣中氮氣也可作為提氫的原料氣或合成甲醇、合成氨的化等惰性組分含量較高,導(dǎo)致煤氣熱值較低,利用價工原料氣,具有可觀的經(jīng)濟效益,顯示出巨大的值不大。以大工新法為代表，固體熱載體熱解工潛力。藝的煤氣熱值約為氣體熱載體技術(shù)的2倍,煤氣.外熱式熱解爐技術(shù)目前所面臨的問題是熱效率中有效組分高,但以半焦作熱載體,熱解出的重焦不高,因此必須對熱解爐中的傳熱進行研究,以期能油粘附在半焦表面,致使發(fā)生堵塞。外熱式熱解夠以此為基礎(chǔ)優(yōu)化現(xiàn)有爐型結(jié)構(gòu)或開發(fā)新爐型,形爐技術(shù)焦油產(chǎn)率不低于氣體熱載體技術(shù),但其生成具有強競爭力的技術(shù)。(2)通過線性插值法獲得的構(gòu)造煤發(fā)育圖與鉆[4]姚軍朋,司馬立強， 張玉貴構(gòu)造煤地球物理捌井定量判識研究[J].媒炭學(xué)報,201136(S1):94-98.孔、巷道揭露情況基本吻合,證明該方法可行性較[5]張許良，單菊萍,彭蘇萍.地質(zhì)測井技術(shù)劃分煤體結(jié)構(gòu)探析[J].高,為初步了解構(gòu)造煤區(qū)域分布提供了依據(jù)。隨著煤炭科學(xué)技術(shù)2009,37(12) :88 -92.鉆孔樣本數(shù)量的增加,精度會進-一步提高。[6]董守華.煤田測井方法和原理[ M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，參考文獻:2012.[1]張玉貴,張子敏，曹運興.構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與瓦斯突出[J].煤炭學(xué)報，[7]楊水國.數(shù)學(xué)地質(zhì)[ M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2010.[8]權(quán)雙燕,曹陽.插值法的應(yīng)用與研究[J].科技信息,2007(36):2007(3):281 - 284.413 -414.[2]尚錦燕,張學(xué)武，劉云娟.高瓦斯礦井掘進面瓦斯綜合治理技術(shù)的研究[J].煤炭技術(shù),2012 ,31(11):102 - 104.作者簡介:王好龍(1990- ),河南安陽人，在讀碩士研究生,研究[3]司中應(yīng),郁鐘銘.影響煤與瓦斯突出因素的定量化分析與應(yīng)用向:煤田地質(zhì)煤田物探,電子信箱:wanghaolongma@ 163. com.[J].煤炭技術(shù),2012 ,31(12):79 -81.責(zé)任編輯:趙勤收稿日期:2014-09 -02第33卷第12期外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立-一白建明， 等Vol. 33No.12表1不同熱解工藝煤氣組分 與熱值ko- j組分的反應(yīng)速率常數(shù),s |;組分/%值氣量T.一煤層溫度,K;熱解工藝H2 CH,COC.H。C02N202 /MJ-kg-1m'E,- rj 組分的反應(yīng)活化能,kJ/kg;外熱式48.2 19.4 207 1.56.4 5.0 0.5s.530w;--j組分在T時間內(nèi)的產(chǎn)量占煤質(zhì)量的氣體熱載體28 8.8 12 1.0 2.2 48.6 0.2 7.5-8.4 100百分比;固體熱載體 2.5 26.8 1B.7 s.s 2.7 4.0 0.s1 售18.0 14w;一-j組分最終的產(chǎn)率，由葛金分析數(shù)據(jù)得2炭化室傳 熱模型的建立到。2.1模型簡述煤的熱解轉(zhuǎn)化率w為各熱解產(chǎn)物產(chǎn)率之和,即煤中低溫干餾爐結(jié)構(gòu)及煤熱解反應(yīng)過程十分復(fù)w= S,0j。雜,使得其傳熱的數(shù)學(xué)模型無法按照實際情況建立，由于煤千餾爐連續(xù)穩(wěn)定運行,因此煤料顆粒的需要作出適當(dāng)?shù)暮喕，F(xiàn)對模型的建立作出如下假熱解反應(yīng)停留時間T是煤料下降速度u的函數(shù),由設(shè):(1)炭化室本身結(jié)構(gòu)具有對稱性,為簡化計算,于煤料勻速運動,因此u為常數(shù),熱解反應(yīng)時間τ =模型將以炭化室中心截面為界,取炭化室的一半進z/ u,z為煤層高度,u,為煤料下降速度,帶人上述行模擬;(2)干餾爐處于穩(wěn)定運行狀態(tài);(3)忽略壁方程可得.面效應(yīng)和煤顆粒返混和熱損失;(4)炭化室爐壁加dw,熱均勻,認(rèn)為爐墻溫度均勻;(5)干餾爐運行過程中中=hgexp(品)(w;-w)/u, (2)體積不發(fā)生較大變化;(6)忽略煤層空隙中的對流.表2熱解模型計算所需要 的動力學(xué)參數(shù)表傳熱，按等效導(dǎo)熱系數(shù)考慮;(7)忽略熱解產(chǎn)物的二組分E/小. mol-1kog/s-1w.*/%次裂解過程,模型示意圖見圖1。CH129 5801.7x1032.16C139 612.3x 10*0.25co75 2403.1C(81 5102Tar314 7542. 0x 10”3. 8293 2142.03H2O167 851.2x104. 92地?zé)?-常數(shù)2.3炭化室控制方程煤熱解實化室根據(jù)模型假設(shè)條件,可以得出干餾爐穩(wěn)態(tài)傳熱中心山模型的數(shù)學(xué)描述為p.c.u.((9)- (、.)。(、7)+0 (3))z 1式中ρ煤料密度,kg. m~;圖1 炭化室傳熱數(shù)學(xué)模型簡圖c.-比熱容,J.(kg.K)-;2.2煤熱解動力學(xué)方程λ一煤的導(dǎo)熱速率,W. (m●K)~;眾多研究者對煤熱解動力學(xué)進行了詳細(xì)的研Q一 熱解反應(yīng)熱和水蒸發(fā)潛熱等內(nèi)部熱究,建立了總包一級動力學(xué)、活化能分布模型等多種源,W.m-。熱解動力學(xué)模型。本文為簡化計算,認(rèn)為熱解產(chǎn)物2.4 邊界條件H2、CO、CO2、CH,、C2烴和焦油(Tar)等的生成析出炭化室頂部Iz=H =0,T = T。;炭化室底部Paz過程為平行反應(yīng)，且均符合- -級反 應(yīng)動力學(xué),即可用a7Arrhenius公式描述a|z=0 =0 ;炭化室中心面O1x=0 = 0;炭化室壁dw;d=hgexp(- RH)(u;一u)(1)面處T= T。2.5 水分蒸發(fā)潛熱模型的處理式中r時間,s;(1)變速冷凝蒸發(fā)一321一Vol. 33No.12外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立一一白建明, 等第33卷第12期Hideyuki等人采用實驗方法進行研究,根據(jù)實CO2、CH。、C2烴和焦油等是極其重要的目標(biāo)產(chǎn)物，因驗結(jié)果,將水分的蒸發(fā)按溫度區(qū)間分為3個階段:冷此需要求取煤干餾過程的反應(yīng)熱。本文參照Mer-凝階段,恒速干燥階段及減速干燥階段T~Tz。rick所建立的計算方法,根據(jù)揮發(fā)物析出的反應(yīng)熱(2)水分恒溫蒸發(fā)平衡,建立溫度T時的熱生成速率表達式該模型基于水分蒸發(fā)只發(fā)生在100 C,認(rèn)為水dq+ E是(y,m,)=0(8)dt臺dt分蒸發(fā)潛熱在一定的溫度區(qū)間內(nèi)T。~T。(如100~101 C)平均分配，得到水蒸發(fā)的等效比熱容為式中q一 熱解反應(yīng)熱,J/kg;u一各組 分的生成熱,J/kg; .(4)T。- T。m,-各 揮發(fā)分產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù), %。.式中H.-水 分蒸發(fā)潛熱。式(8)中下標(biāo)j(0~7)分別對應(yīng)char.Tar及其他(3)水分蒸發(fā)非線性遷移模型6種氣相產(chǎn)物( H2、CO、CO2、CH.、C2和H20)。.考慮到煤熱解或煤焦化的復(fù)雜性,將水分蒸發(fā)在不同溫度T下,Tar和氣相產(chǎn)物的生成熱劃分成多個線性階段進行研究。本文中，將外熱式μ= EPIT*(9)熱解爐中水分蒸發(fā)的過程分為2個階段，即在20~100C,大量水分蒸發(fā)出，剩余的少量水分在100~式(9)中Pp由物化性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)表計算得到,其參120 C干燥。并且,將水分蒸發(fā)潛熱平均分配在各數(shù)值見表3。表3 P,計算所需 的參數(shù)值段干燥過程中。組分常數(shù)系數(shù)1,T系數(shù)2,7e設(shè)外熱式熱解爐炭化室內(nèi)煤料/半焦在某一溫CH-4 179 00022101. 56度區(qū)間[4,2]內(nèi)的水分蒸發(fā)量為m,則在此區(qū)間內(nèi)C-2866 0001 9201.46煤料/半焦所需要吸收的蒸發(fā)潛熱為-3971 0001 0200.11CO2- 8964 0009000.22Q=H_m(5)Tar-1936 0001 3901.83m = Rgaz/u,(6)H2014 2500.53H20-1 348 0001 8100.33式中Rno一 -水分遷移隨煤層高度的變化率。由于炭化室內(nèi)煤料/半焦的升溫過程并不是線對于焦炭的生成熱性的,水分蒸發(fā)過程也表現(xiàn)為非線性遷移過程。Ho =H- 2φS:+ Sh(10)Ro的數(shù)學(xué)表達式式中H一- -25 C時半焦的燃燒熱,J/kg;(dT。iu,m/(100-79),T?！?00Cφ:一-元素C、H、0、N、S在25 C時分別對應(yīng)的燃燒熱,J/kg(見表4);Rrou.m2/(120- 100) ,100C 120 Cy;一半焦中C、H、O、N、S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。表4各元素的燃燒熱值式中m、m一 第一第二溫度區(qū)間內(nèi)的水分蒸發(fā)量,m;約占總水分蒸發(fā)質(zhì)量的元素HNsφ:x10/J.kg" 32.76 141.7785% ~95% ,m2約占總水分蒸發(fā)25C時半焦的燃燒熱量的5% ~15%。為使計算結(jié)果更加接近實際情況,本文采用水H= 2λy(11)分蒸發(fā)非線性遷移模型作為水分蒸發(fā)潛熱的處理方式中λ,一 燃燒熱系數(shù) ,具體見表5。法。上述公式即為模型的數(shù)學(xué)描述式。表5各元素對應(yīng)的燃燒熱 系數(shù)2.6 煤干餾化學(xué)反應(yīng)熱的處理對于煤中低溫千餾過程,其揮發(fā)產(chǎn)物H2、CO、入; x10633.62 141.93 - 14.539.42 _第33卷第12期外熱式煤熱解技術(shù)與其傳熱模型的建立- - - -白建明,等Vol, 33No.12原煤及半焦的焓值的變化量堆密度的減小,也就是進煤粒度的增大同樣降低了Sh = 2(y/u,)f(T)(12)炭化室的傳熱效率,但過大的煤料堆密度使得孔隙率變小,不利于揮發(fā)物的析出過程，因此,需要綜合f(T) = R(3808o(380)+ 30(800)-0 156)考慮選擇最適宜的進煤粒度分布。800(13)700go(z) = 1/(exp(z) -1)(14)600500采用上述模型能準(zhǔn)確地計算煤干餾過程的反應(yīng)熱。因此煤料因發(fā)生熱解反應(yīng)所吸收的熱量40300Q = H.R,z(15)裝爐煤水分1232110_。一裝爐煤水分8%]式中H.-- 熱解化學(xué)反應(yīng)熱 ,J/kg;R-揮發(fā)產(chǎn)物產(chǎn)率隨煤層 高度的變化率。3模型驗證及 結(jié)果討論圖3不同裝煤水含 對炭化室中心面溫度分布的本文根據(jù)某中試裝置的操作及工藝參數(shù),應(yīng)用上文建立的數(shù)學(xué)模型進行求解。基本工況為入爐煤料25C,煤含水8%,煤料堆密度800kg/m',炭化段高度6 m,煤層下降速度0.5 m/h,熱解時間12 h。30應(yīng)用本文所建立的模型對炭化室中心面溫度進煤料堆密度740kgm?}行了計算,溫度隨煤層高度的變化情況如圖2所示。煤料堆電俊800kgim'從圖2中可以看出,對于干餾爐穩(wěn)態(tài)運行過程,計算之了一↓5古值與實際值能很好的吻合,說明本模型能比較真實煤層高度m的反應(yīng)干餾爐的實際生產(chǎn)情況,可以很好地預(yù)測炭圖4不同堆密 度對炭化室中心面溫度分布的影響化室內(nèi)煤料的溫度變化規(guī)律。4結(jié)語(1)傳熱模型的計算值與實際值吻合較好,驗證了本文建立的數(shù)學(xué)模型的合理性,對外熱式煤中低溫干餾爐的設(shè)計和校核提供了理論基礎(chǔ);400(2)隨著裝煤水分含量的增加以及煤料堆密度庭1的減小，炭化室傳熱效率降低，干餾時間加長。參考文獻:煌層高度m[1]尚建選,馬寶岐,張秋民，等.低階煤分質(zhì)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)[ M].圖2炭化室 中心面計算溫度和實際值對比北京:煤炭工業(yè)出版社,2013.對于炭化室傳熱過程,裝煤含水量及煤料粒徑[2]司俊龍,溫治,劉訓(xùn)良.基于水分蒸發(fā)非線性遷移的炭化室傳熱模型[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2007 ,41(10): 1 746-1 749.對炭化室溫度分布有重要的影響,其中煤料粒徑分[3]郫樹才,羅長齊,張代佳，等.褐煤固體熱載體干餾新技術(shù)工業(yè)性布直接反應(yīng)在煤料堆密度上。應(yīng)用本文建立的模實驗[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,1995 ,35(1):46 -50.型,改變初值,對裝煤水分含量及煤料堆密度的影響[4]梁鵬,曲旋，田原宇,等.移動床粉煤干餾爐-維數(shù)學(xué)模型的建立進行了分析,分析結(jié)果如圖3和圖4所示。[J].山東科技大學(xué)學(xué)報,2009 ,28(6): 79 -84.從圖3和圖4中可以看出,不同裝煤水分含量[5]鄒志毅.燒結(jié)水分遷移數(shù)學(xué)模型及計算機仿真[J]燒結(jié)球團，1994,(2): 1-7.及煤料堆密度條件下,炭化室中心面溫度的變化規(guī)律是--致的。隨著裝煤水分含量的增高,降低了炭作者簡介:白建明(1970-),寧夏中衛(wèi)人,高級工程師，研究化室的傳熱效率,使得炭化室中心面溫度降低，延長方向為煤化工工程及煤炭清潔高效利用技術(shù),電子信箱: baijm@chec. com. en, .了干餾完成的時間,對實際操作過程是不利的;煤料責(zé)任編輯:趙勤收稿日期:2014-07-14-323-