煤快速熱解過程孔隙結構演變模型構建及機理研究.pdf

1、熱解是煤燃燒過程的第一個階段，煤熱解過程形成的顆?？紫督Y構決定了焦炭的反應表面積與氣體在顆粒內的傳質速率，影響整個燃燒過程。但目前對煤熱解過程顆粒孔隙結構演變的研究還十分有限，加熱條件對顆?？紫督Y構的影響機理仍不清晰。多數(shù)關于孔隙結構演變模型僅是經驗關聯(lián)式，缺乏理論依據(jù)，不具通用性，無法合理解釋孔隙結構隨揮發(fā)分生成而變化的某些規(guī)律。本文針對煤熱解過程固相與塑性階段的不同特性，根據(jù)熱解過程煤的聚合物網(wǎng)絡結構變化情況，并考慮顆粒內壓力對熱解

2、反應與顆粒結構變化的影響，建立了適用于多種塑性與非塑性煤，具一定通用性的描述快速熱解過程煤顆?？紫督Y構演變的模型，并在此基礎上分析了加熱條件與煤種特性等因素對熱解過程顆?？紫督Y構與內壓力演變的影響機理，主要工作如下:
　　(1)基于CPD模型，提出由煤聚合物網(wǎng)絡結構變化計算顆粒宏觀孔隙結構演變的方法，建立了鍵橋、側鏈斷裂數(shù)量與顆粒內揮發(fā)分遺留空位、單層吸附孔隙數(shù)量間的關聯(lián)關系，并由此計算非塑性煤熱解過程顆粒孔隙率與內表面積的演變。

3、在1200 K以下的加熱環(huán)境溫度下，模型的計算結果與實驗吻合較好。褐煤在揮發(fā)分生成量達到30％之前顆粒內表面積保持不變，當達到30％之后迅速增長，本文采用熱解過程煤內吸附孔數(shù)量的變化定量分析了該趨勢。通過對不同工況下計算結果的比較，本文分析了加熱條件對非塑性煤熱解過程孔隙結構演變的影響;最高顆粒溫度對非塑性煤熱解過程顆?？紫督Y構的影響較大，孔隙率與內表面積隨最高顆粒溫度的增加而增大;加熱速率與顆粒周圍氣體的壓力（下文稱環(huán)境壓力）影響較小

4、。
　　(2)在固相顆?？紫督Y構演變模型的基礎上，考慮氣體分子在孔壁的滑移運動，本文模擬了非塑性煤熱解過程顆粒內壓力的演變，分析了加熱條件對內壓力演變的影響。內壓力的最大值隨加熱速率的增加而增大，但作用時間隨加熱速率的增加而減小;內壓力隨環(huán)境壓力的增加而增大，但顆粒內外壓差隨環(huán)境壓力的增大而減小。本文使用顆粒內壓力作為CPD模型的壓力輸入條件，修正了傳統(tǒng)模型中忽略內外壓差的假設，從而在計算中考慮了內壓力及傳質阻力對熱解反應的影響。

5、經比較發(fā)現(xiàn)，在較低的加熱速率下(5×105K/s以下)忽略顆粒內外壓差對反應速率的影響是合理的，但在較高的加熱速率下（5×105K/s以上）需要考慮內壓力作用。
　　(3)采用非塑性煤熱解過程顆粒內壓力演變的計算方法，計算塑性煤熱解過程塑性前階段顆粒內壓力的演變;利用塑性前階段結束時（即塑性變形開始時）顆粒內的壓力分布計算塑性階段顆粒內氣泡的初始大小與數(shù)量，并提出氣泡在顆粒內的初始分布是很多的小氣泡圍繞一個中心大氣泡，解決了多氣泡

6、模型中氣泡初始大小、數(shù)量與分布設定缺乏理論依據(jù)的問題。此外，考慮了塑性階段四周氣泡與中心氣泡的融合，建立了塑性煤熱解過程顆粒膨脹率的計算模型。本文計算了8種高揮發(fā)分煙煤在不同的加熱條件下的膨脹過程，計算結果與實驗吻合較好。與之前的多氣泡模型相比較，本文模型更具有理論基礎，具有煤種與加熱條件的通用性。
　　(4)本文塑性煤熱解過程顆粒膨脹模型計算的顆粒膨脹率隨加熱速率、環(huán)境壓力與加熱環(huán)境溫度等參數(shù)的變化趨勢與相關實驗測試到的規(guī)律相吻

7、合。本文模型模擬出了熱解過程顆粒膨脹率隨加熱速率的增加而先增大后減小的趨勢，這是被大量實驗所驗證，但之前描述煤熱解過程塑性變形的模型無法從機理上定量模擬的規(guī)律，出現(xiàn)這一趨勢的主要原因是塑性階段顆粒內氣泡的初始數(shù)量隨加熱速率增加而先增大后減小。加熱環(huán)境溫度對塑性膨脹有獨立于加熱速率的影響:在較低的加熱環(huán)境溫度下，塑性階段氣泡初始數(shù)量隨加熱環(huán)境溫度的增加而先增加之后保持不變，氣泡破裂頻率隨加熱環(huán)境溫度的增加而增大，這使得顆粒膨脹率隨加熱環(huán)境