46應用能源技術2014年第12期(總第204期)doi:10.3969/.isa.1009-3230.2014.12011褐煤千燥及熱解機理研究現(xiàn)狀張凱(中國電能成套設備有限公司,北京100080)摘要:單個大顆粒褐煤干燥、熱解機理的研究對于褐煤提質(zhì)技術的開發(fā)具有重要的理論與實際意義,可用于該過程的數(shù)值計算與優(yōu)化研究。對于單個大顆粒褐煤而言在干燥、熱結(jié)過程中內(nèi)部存在較大的溫度、水含量及揮發(fā)分含量的梯度,所涉及到的科學問題為多孔介質(zhì)傳熱與傳質(zhì)問題。文中主要針對褐煤的干燥機理、熱解機理及堆積態(tài)干燥過程機理進行了詳細的文獻調(diào)研。關鍵詞:褐煤;千燥機理;熱解機理中圖分類號: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, China)Abstract: 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 issignificant 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 mechanism0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)過長期地質(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、化學作用下變成的固體煤蠟及褐煤微生物的轉(zhuǎn)化與利用在我國動力與碳氫燃料,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,見表1。屬于軟質(zhì)煤。與其它煤種相比,褐煤含氧量髙,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2007年1月世界煤炭可采儲量。由該Mkg左右)低灰熔點2。主要分布在東北西表可知,全球褐煤可采儲量約1496億t,占煤炭北西南和華北等地集中在內(nèi)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(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對東部沿海地區(qū)較億噸占全國煤炭可采儲量的16.2%①。美國、落后的原因這些地區(qū)的用煤量相對較少因此需要將褐媒運中國煤化工地。但由于收稿日期:2014-10-10修訂日期:2014-11-09褐煤易氧化作者簡介:張凱(1982-),男,主要從事煤化工及火電設CNMHG適于遠途運備招標工作。輸利用,而且會造成了鐵路系統(tǒng)的運力浪費。2014年第12期(總第204期)應用能源技術衰1世界各國煤炭可采儲量億噸無煙煤估計可地區(qū)/國家次煙煤褐煤總計2006年產(chǎn)量和煙煤開采年全球4275.561495.95美國1089532383.1710.89219俄羅斯104.331570.34中國336.571144.87澳大利亞和新西蘭371.04772.01印度522.54565.18加拿大34.479.0722.680.91單個大顆粒褐煤干燥、熱解機理的研究對于態(tài)干燥過程機理。褐煤提質(zhì)技術的開發(fā)具有重要的理論與實際意干燥過程傳熱傳質(zhì)機理研究義,可用于該過程的數(shù)值計算與優(yōu)化研究。對于現(xiàn)狀單個大顆粒褐煤而言,在干燥、熱結(jié)過程中內(nèi)部存到目前為止,由于多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)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,還沒有一種理論模型能夠全面的描及到的科學問題為多孔介質(zhì)傳熱與傳質(zhì)問題。文述干燥過程中多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱濕傳遞機理?，F(xiàn)中的研究對象為褐煤的干燥、熱解過程,因此,文有的干燥模型主要有以下三類。獻調(diào)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)驗模型模型名稱表達式研究者單指數(shù)模型(1)MR=∞p(-k·)Henderson and PabMR=a·e(一k·)Henderson and Pabis[ 4]Togrul and Pehlivan(51雙指數(shù)模型MR=a:(-k)+B·(-k·)haraf-Eldeen et al. 46]Page模型和修正Page模型MR=p(-k·r)PModified PageMR=a·ep(-k·)Wang and SinghMR=四p[-(k·)]Overbults et al. [7]純經(jīng)驗模型Weibull distributionMR=a-b·exp(-k·p)(10)=a·lnMR+b·(lnMR)hampson 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、毛細流動模型蒸時,可以使用引入時間項的經(jīng)驗模型。已提出的發(fā)-冷凝模型、 Luikoy非平衡熱力學理論模型、部分薄層干燥經(jīng)驗模型見表2。經(jīng)驗模型的缺點 Philip與DeVs模型、蒸發(fā)前沿模型、 Whitaker是由于模型中有時間項,當干燥條件發(fā)生改變時,體積平均模中國煤化工等。系統(tǒng)CNMHG該模型不再適合,模型使用范圍受限。完善的干燥理比不但買E群秤科嫌過程中出(2)熱質(zhì)耦合理論模型:已提出的熱質(zhì)耦合現(xiàn)的熱濕現(xiàn)象,而且還應該給出相應的干燥模型,應用能源技術2014年第12期(總第204期)進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,影響煤熱解過程的因根據(jù)模型計算出物料的干燥速率曲線和干燥曲素眾多,如煤階、礦物質(zhì)成分粒徑大小、升溫速率線。等,這些因素給熱解機理的研究帶來很多困難。(3)特征干燥速率曲線模型:該模型認為,在采用熱解模型來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是干燥物質(zhì)特有重要的,長期以來廣為國內(nèi)外學者所關注。至今,的,可以通過薄層干燥實驗得到濕物質(zhì)的特征干已經(jīng)建立了許多傳統(tǒng)熱解模型去描述熱解過程的燥速率曲線特征干燥速率曲線體現(xiàn)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特征水含量的定義式如下:用一級或n級來表示,有限多平行反應模型認為Rm==f(x)。(1)煤的熱解是單個化合物或幾種化合物的熱分解式中:W為恒速干燥速率,如果干燥速率曲線不而rt2認為煤的熱解過程有無限多平行反應同存在恒速干燥段;W就等于最大干燥速率;X為時發(fā)生,可用無限多平行反應模型描述。 Anthony干基水含量。等人在Pt基礎上發(fā)展了無限多平行反應針對褐煤的干燥機理研究Chen等建立了模型其假設煤熱解所發(fā)生的數(shù)量眾多的反應的一個過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(jié)果偏差較大適干燥前沿。隨著干燥進行,干燥前沿從顆粒表面用性差、引人過多不合理假設等問題。向顆粒中心移動。其計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)( Hager對于大顆粒熱解而言, Larfeldt等建立了等文獻中關于陶瓷顆粒的實驗結(jié)果)進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(tǒng)參數(shù)熱物性參數(shù)理。 Sadhukhan等在實驗室內(nèi)完成了球狀圓對煤干燥行為(包括轉(zhuǎn)換溫度)的影響。Loi柱狀木材顆粒在電加熱爐中的熱解實驗利用木等完成了褐煤顆粒在過熱蒸汽中的干燥實驗,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(xiàn)預測值總是低于褐煤由于儲量豐富日益受到關注,而褐煤揮實驗值。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(xiàn):平衡水含出特性與小顆粒存在顯著差別。量是過熱度的簡單函數(shù)當絕大部分的水被脫除3堆積態(tài)干燥過程研究現(xiàn)狀后有機物質(zhì)的釋放才變得明顯。對于固定床堆積態(tài)干燥過程研究,首先在實由上述研究文獻可以發(fā)現(xiàn)對褐煤顆粒干燥驗室搭建固定床堆積態(tài)干燥實驗臺架,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)干燥過程相關實驗數(shù)據(jù)。固定床干燥過程數(shù)值粒干燥機理。建模研究中將流體簡化為柱塞流采取基于褐煤2熟解動力學機理研究現(xiàn)狀顆粒內(nèi)部中國煤化工多尺度計算CNMHG煤熱解是氣化液化過程的組成過程同時也法該方法的點是秒得疋床內(nèi)部不同高是燃燒的重要初始過程,對著火過程有很大的影度處顆粒內(nèi)部的微觀信息。求解固定床褐煤干燥2014年第12期(總第204期)應用能源技術多尺度數(shù)值模型,并與實驗結(jié)果進行了對比,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(shù)值量和其他一些可能的影響參數(shù)(例如干燥介質(zhì)的計算提供新方法。同時建立固定床集總參數(shù)數(shù)值溫度,濕度等)的函數(shù)。但是,這樣的模型忽略了模型,并與實驗及多尺度固定床干燥模型進行對顆粒內(nèi)部傳熱、傳質(zhì)過程,不能夠揭示固定床中顆比。最終獲得通過固定床干燥實驗驗證的堆積態(tài)粒內(nèi)部的干燥細節(jié)。針對以上問題,一些學者在干燥過程傳熱和傳質(zhì)模型,為其應用到到水平移研究固定床干燥過程中考慮了顆粒內(nèi)部的水分傳動床裝置數(shù)值計算研究提供理論支持。遞過程, Sitompul等將單顆粒擴散耦合到固定目前研究堆積態(tài)顆粒中的傳熱過程可以采床谷物干燥模型中,但是計算結(jié)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(nèi)部的干燥信息。另外, Saastamoinen等(1利用非熱平衡模型。第一種模型假設顆粒相和流體相簡化的退縮面模型計算了固定床內(nèi)木塊的干燥過溫度相等在任一位置滿足局部熱平衡。但是在程但是簡化模型并未與單顆粒干燥情況進行對很多實際情況中這個假設并不成立。最近很多比,是否反映單顆粒干燥過程有待驗證,其固定床學者針對局部非熱平衡情況進行了一些堆積態(tài)計算結(jié)果中也未給出不同位處顆粒內(nèi)部的干燥行顆粒中的對流傳熱的理論和數(shù)值研究他們認為為。實際上,很多學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(nèi)干燥過程的準確性提出質(zhì)疑22)。內(nèi)物料的傳熱過程。 Naghavi等1, Aregba等由此可以發(fā)現(xiàn),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。含量和熱風溫度,并通過固定床干燥試驗驗證了4結(jié)束語該計算模擬結(jié)果的正確性; Chekib i等利用非熱綜上所述,對于褐煤提質(zhì)過程,已經(jīng)開展了平衡模型計算了生物質(zhì)顆粒在固定床反應器內(nèi)的定的基礎與應用研究工作,并取得了一定的研究熱解過程,其采用二維數(shù)學模型,考慮二維熱質(zhì)傳成果,目前仍然存在一些阻礙褐煤提質(zhì)技術發(fā)展遞的影響,計算結(jié)果與實驗符合較好。為了考慮與大規(guī)模應用的基礎科學問題。針對大顆粒褐煤氣相速度分布對干燥過程的影響, Sitompul等在連續(xù)性方程、N-S方程中引入空隙率和床層曳的干燥實驗、機理研究較少,已有模型難以揭示固力系數(shù)利用非熱平衡模型對固定床內(nèi)谷物的干體褐煤顆粒內(nèi)水分遷移機理。開展實際裝置的熱燥過程進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果能夠真實質(zhì)傳遞過程優(yōu)化分析是實現(xiàn)大型化褐煤干燥提質(zhì)反映固定床內(nèi)的傳熱過程。應用的重要需求。參考文獻對于堆積態(tài)干燥過程來說,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(nóng)業(yè)、[1L-Thomas T, Sandro S J, Peter J. Lignite and hardoal energy suppliers for world needs until the化工領域。最近,隨著計算機技術的發(fā)展,數(shù)值計2100-an outlook. Intermational Jourmal of Coal Geol算大量應用到固定床干燥傳熱傳質(zhì)過程,其最終gy,2007,72:1-14目的是利用數(shù)值計算優(yōu)化干燥過程和輔助設計干(2]燕和武,謝可玉,褥褐媒利用技術[M],北京:媒燥裝置,進而逐步減少費時費力的實驗工作。固工業(yè)出版社,1998定床內(nèi)傳質(zhì)過程模擬基本方法是將床內(nèi)物料等分[3] Lewis W中國煤化工materials[J]為一系列薄層,將時間等分為一系列時間間隔,利CNMHG(3): 427用薄層干燥速率方程計算熱空氣狀態(tài)和物料組分432的變化這樣逐層計算,最后得到固定床內(nèi)物料的[4] Henderson S M,PbiS. Grain drying theory.1.應用能源技術2014年第12期(總第204期)Temperature effect on drying coefficient[J]. Journal[].Fuel,2000,9(13):1637-1643of Agricultural Engineering Research, 1961(6): 169 [15] Sadhukhan A K, Gupta P, Saha R K. Modelling of-174.pyrolysis of large wood particles [J]. Bioresource[5] Togrul I T, Pehlivan D. Modelling of thin-layer dr-Technology,2009,100(12):3134-3139ying kinetics of some fruits under open-air sun dr- [16] Naghavi Z, Moheb A, Ziaeirad S. Numerical simulaying process[J]. 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