煤顆粒熱反應過程中宏觀動力學模型的構建.pdf

1、我國是世界僅有的幾個以煤為主要能源的國家之一，煤資源作為我國能源消費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ο?，對煤熱解和燃?氣化機理及模型進行了詳細

2、系統(tǒng)的研究，對于加深認識煤熱解、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驗研究，對煤熱解過程中氣體產(chǎn)物的析出特性進行了實時在線分析，利用Weibull分布函數(shù)的特點和階梯函數(shù)的性質(zhì)，建立了簡化的DAEM模型，并對該模型進行修正。研究結果表明，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，主要氣體產(chǎn)物（CO2、CO和CH4）析出濃度的峰值越大，并且主要氣體產(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，對煤熱解過程中氣體產(chǎn)物析出特性的模擬結果比較發(fā)現(xiàn)，這兩個DAEM模型都能較好的模擬實驗結果，但修正的DAEM模型的模擬值與實驗數(shù)據(jù)更接近。
　　采用TG/DTG方法對三種典型煤種在化學反應控制條件下O2/CO2燃燒特性進行研究，利用分形理論描述顆粒內(nèi)部孔隙結構，并

4、對隨機孔模型中固定的結構參數(shù)?進行修正，然后建立了分形隨機孔模型。研究結果表明，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，熱解終溫對焦結構的影響是不可忽略的，這主要是由于孔隙結構的變化主要受揮發(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，這主要由于在反應起始階段大

5、量新孔的產(chǎn)生和微孔的擴容使反應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面積的急劇減少。通過五種不同隨機孔模型，對三種典型煤焦燃燒過程進行預測的結果比較發(fā)現(xiàn)，分形隨機孔模型和Struis模型在整個反應階段均能得到較好的預測結果，而前者更精確。
　　在熱重分析儀和固定床上對三種典型煤焦在擴散控制條件下O2/CO2燃燒特性進行研究，根據(jù)反應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，建立了在擴散控制條件下預測煤焦反應性的模型。研究結果表明，三種煤焦在不同轉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，并且隨著轉換率的升高其吸附量先增大后減小。在不同轉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。通過不同模型對實驗數(shù)據(jù)的預測結果比較發(fā)現(xiàn)，本章中改進的量化模型在整個反應階段均能得到較好的預測結果，這表明在擴散控制條件下該模型能夠作為一種快速合理的方法來預測煤焦反應特性。
　　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驗研究，對煤水蒸氣氣化特性進行了研究，并利用修正的DAEM模型模擬實驗結果。研究結果表明，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，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，氣化時氣體產(chǎn)物析出濃度的峰值越大，達到其峰值所需的時間越短，且在不同溫度下煤氣化時氣體產(chǎn)物的體積分數(shù)的變化也明顯不同，高揮發(fā)分煤氣化時氣體產(chǎn)物體積分數(shù)的變化相對較小。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特征，但該模型模擬高揮發(fā)分煤氣化反應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