46應(yīng)用能源技術(shù)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(jī)理研究現(xiàn)狀張凱(中國(guó)電能成套設(shè)備有限公司,北京100080)摘要:單個(gè)大顆粒褐煤干燥、熱解機(jī)理的研究對(duì)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(shù)值計(jì)算與優(yōu)化研究。對(duì)于單個(gè)大顆粒褐煤而言在干燥、熱結(jié)過(guò)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(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(duì)褐煤的干燥機(jī)理、熱解機(jī)理及堆積態(tài)干燥過(guò)程機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的文獻(xiàn)調(diào)研。關(guān)鍵詞:褐煤;千燥機(jī)理;熱解機(jī)理中圖分類(lèi)號(hào):TD849.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼B文章編號(hào):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(guó)俄羅斯等國(guó)家擁有豐富的褐煤資褐煤是泥炭經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(zhuǎn)化與利用在我國(guó)動(dòng)力與碳?xì)淙剂?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,褐煤含氧量髙,灰我國(guó)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(chǔ)量。由該Mkg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(chǔ)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(chǔ)量的17.7%。我國(guó)褐煤可采儲(chǔ)量約186等省份。由于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)東部沿海地區(qū)較億噸占全國(guó)煤炭可采儲(chǔ)量的16.2%①。美國(guó)、落后的原因這些地區(qū)的用煤量相對(duì)較少因此需要將褐媒運(yùn)中國(guó)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(jiǎn)介:張凱(1982-),男,主要從事煤化工及火電設(shè)CNMHG適于遠(yuǎn)途運(yùn)備招標(biāo)工作。輸利用,而且會(huì)造成了鐵路系統(tǒng)的運(yùn)力浪費(fèi)。2014年第12期(總第204期)應(yīng)用能源技術(shù)衰1世界各國(guó)煤炭可采儲(chǔ)量?jī)|噸無(wú)煙煤估計(jì)可地區(qū)/國(guó)家次煙煤褐煤總計(jì)2006年產(chǎn)量和煙煤開(kāi)采年全球4275.561495.95美國(guó)1089532383.1710.89219俄羅斯104.331570.34中國(guó)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(gè)大顆粒褐煤干燥、熱解機(jī)理的研究對(duì)于態(tài)干燥過(guò)程機(jī)理。褐煤提質(zhì)技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有重要的理論與實(shí)際意干燥過(guò)程傳熱傳質(zhì)機(jī)理研究義,可用于該過(guò)程的數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化研究。對(duì)于現(xiàn)狀單個(gè)大顆粒褐煤而言,在干燥、熱結(jié)過(guò)程中內(nèi)部存到目前為止,由于多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)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(jī)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(nèi)部的熱濕傳遞機(jī)理。現(xiàn)中的研究對(duì)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(xiàn)調(diào)研主要針對(duì)褐煤的干燥機(jī)理、熱解機(jī)理,堆積表2已提出的薄層干燥經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍Ｐ兔Q(chēng)表達(dá)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(yàn)?zāi)Ｐ蚖eibull distributionMR=a-b·exp(-k·p)(10)=a·lnMR+b·(lnMR)hampson et al.(1)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ彤?dāng)物質(zhì)的外部干燥條件恒定理論模型主要有液態(tài)擴(kuò)散模型、毛細(xì)流動(dòng)模型蒸時(shí),可以使用引入時(shí)間項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。已提出的發(fā)-冷凝模型、 Luikoy非平衡熱力學(xué)理論模型、部分薄層干燥經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)表2。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜秉c(diǎn) Philip與DeVs模型、蒸發(fā)前沿模型、 Whitaker是由于模型中有時(shí)間項(xiàng),當(dāng)干燥條件發(fā)生改變時(shí),體積平均模中國(guó)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(mǎi)E群秤科嫌過(guò)程中出(2)熱質(zhì)耦合理論模型:已提出的熱質(zhì)耦合現(xiàn)的熱濕現(xiàn)象,而且還應(yīng)該給出相應(yīng)的干燥模型,應(yīng)用能源技術(shù)2014年第12期(總第204期)進(jìn)而去預(yù)測(cè)在一定條件下物料的干燥特性,并能響。由于其自身的復(fù)雜性,影響煤熱解過(guò)程的因根據(jù)模型計(jì)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(jī)理的研究帶來(lái)很多困難。(3)特征干燥速率曲線模型:該模型認(rèn)為,在采用熱解模型來(lái)描述煤粉的熱解機(jī)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(zhǎng)期以來(lái)廣為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。至今,的,可以通過(guò)薄層干燥實(shí)驗(yàn)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(guò)程的燥速率曲線特征干燥速率曲線體現(xiàn)了相對(duì)干燥機(jī)制,例如單一反應(yīng)模型、有限多平行反應(yīng)模型、速率與特征水含量之間的關(guān)系。相對(duì)干燥速率和分布活化能模型等。單一反應(yīng)模型一般將反應(yīng)采特征水含量的定義式如下:用一級(jí)或n級(jí)來(lái)表示,有限多平行反應(yīng)模型認(rèn)為Rm==f(x)。(1)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,如果干燥速率曲線不而rt2認(rèn)為煤的熱解過(guò)程有無(wú)限多平行反應(yīng)同存在恒速干燥段;W就等于最大干燥速率;X為時(shí)發(fā)生,可用無(wú)限多平行反應(yīng)模型描述。 Anthony干基水含量。等人在Pt基礎(chǔ)上發(fā)展了無(wú)限多平行反應(yīng)針對(duì)褐煤的干燥機(jī)理研究Chen等建立了模型其假設(shè)煤熱解所發(fā)生的數(shù)量眾多的反應(yīng)的一個(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(shè)的基礎(chǔ)上,指定蒸發(fā)僅發(fā)生在型。但以上模型仍然存在預(yù)測(cè)結(jié)果偏差較大適干燥前沿。隨著干燥進(jìn)行,干燥前沿從顆粒表面用性差、引人過(guò)多不合理假設(shè)等問(wèn)題。向顆粒中心移動(dòng)。其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)( Hager對(duì)于大顆粒熱解而言, Larfeldt等建立了等文獻(xiàn)中關(guān)于陶瓷顆粒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)進(jìn)行了比木材球形顆粒熱解模型驗(yàn)證了木材粉末熱解機(jī)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了球狀圓對(duì)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(shí)驗(yàn)利用木等完成了褐煤顆粒在過(guò)熱蒸汽中的干燥實(shí)驗(yàn),材熱解的二次反應(yīng)熱解機(jī)理建立熱解模型。利用了Chen等的干燥模型,發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)值總是低于褐煤由于儲(chǔ)量豐富日益受到關(guān)注,而褐煤揮實(shí)驗(yàn)值。發(fā)分的熱解行為對(duì)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(duì)于熱解行為的研究大都局限在細(xì)煤粉顆粒Yang、 Morel和 South Australian Bowmans煤)在上(微米級(jí)),大顆粒(厘米級(jí))的熱解行為研究較受壓蒸汽中的平衡水含量。實(shí)驗(yàn)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(guò)熱度的簡(jiǎn)單函數(shù)當(dāng)絕大部分的水被脫除3堆積態(tài)干燥過(guò)程研究現(xiàn)狀后有機(jī)物質(zhì)的釋放才變得明顯。對(duì)于固定床堆積態(tài)干燥過(guò)程研究,首先在實(shí)由上述研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)對(duì)褐煤顆粒干燥驗(yàn)室搭建固定床堆積態(tài)干燥實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,獲得堆積的研究相對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)。固定床干燥過(guò)程數(shù)值粒干燥機(jī)理。建模研究中將流體簡(jiǎn)化為柱塞流采取基于褐煤2熟解動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究現(xiàn)狀顆粒內(nèi)部中國(guó)煤化工多尺度計(jì)算CNMHG煤熱解是氣化液化過(guò)程的組成過(guò)程同時(shí)也法該方法的點(diǎn)是秒得疋床內(nèi)部不同高是燃燒的重要初始過(guò)程,對(duì)著火過(guò)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(yīng)用能源技術(shù)多尺度數(shù)值模型,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(jì)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(jì)算提供新方法。同時(shí)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(shí)驗(yàn)及多尺度固定床干燥模型進(jìn)行對(duì)顆粒內(nèi)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(yàn)驗(yàn)證的堆積態(tài)粒內(nèi)部的干燥細(xì)節(jié)。針對(duì)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(yīng)用到到水平移研究固定床干燥過(guò)程中考慮了顆粒內(nèi)部的水分傳動(dòng)床裝置數(shù)值計(jì)算研究提供理論支持。遞過(guò)程, Sitompul等將單顆粒擴(kuò)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(jì)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(shè)顆粒相和流體相簡(jiǎn)化的退縮面模型計(jì)算了固定床內(nèi)木塊的干燥過(guò)溫度相等在任一位置滿足局部熱平衡。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(duì)很多實(shí)際情況中這個(gè)假設(shè)并不成立。最近很多比,是否反映單顆粒干燥過(guò)程有待驗(yàn)證,其固定床學(xué)者針對(duì)局部非熱平衡情況進(jìn)行了一些堆積態(tài)計(jì)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(duì)流傳熱的理論和數(shù)值研究他們認(rèn)為為。實(shí)際上,很多學(xué)者對(duì)退縮面模型和擴(kuò)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(guò)程的準(zhǔn)確性提出質(zhì)疑22)。內(nèi)物料的傳熱過(guò)程。 Naghavi等1, Aregba等由此可以發(fā)現(xiàn),對(duì)固定床褐煤顆粒干燥的研究并利用非熱平衡模型計(jì)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(yàn)驗(yàn)證了4結(jié)束語(yǔ)該計(jì)算模擬結(jié)果的正確性; Chekib i等利用非熱綜上所述,對(duì)于褐煤提質(zhì)過(guò)程,已經(jīng)開(kāi)展了平衡模型計(jì)算了生物質(zhì)顆粒在固定床反應(yīng)器內(nèi)的定的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究工作,并取得了一定的研究熱解過(guò)程,其采用二維數(shù)學(xué)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(shù)發(fā)展遞的影響,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合較好。為了考慮與大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)大顆粒褐煤氣相速度分布對(duì)干燥過(guò)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(shí)驗(yàn)、機(jī)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(duì)固定床內(nèi)谷物的干體褐煤顆粒內(nèi)水分遷移機(jī)理。開(kāi)展實(shí)際裝置的熱燥過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果能夠真實(shí)質(zhì)傳遞過(guò)程優(yōu)化分析是實(shí)現(xiàn)大型化褐煤干燥提質(zhì)反映固定床內(nèi)的傳熱過(guò)程。應(yīng)用的重要需求。參考文獻(xiàn)對(duì)于堆積態(tài)干燥過(guò)程來(lái)說(shuō),固定床干燥器應(yīng)用最為廣泛。固定床干燥被大量地應(yīng)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(lǐng)域。最近,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值計(jì)2100-an outlook. Intermational Jourmal of Coal Geol算大量應(yīng)用到固定床干燥傳熱傳質(zhì)過(guò)程,其最終gy,2007,72:1-14目的是利用數(shù)值計(jì)算優(yōu)化干燥過(guò)程和輔助設(shè)計(jì)干(2]燕和武,謝可玉,褥褐媒利用技術(shù)[M],北京:媒燥裝置,進(jìn)而逐步減少費(fèi)時(shí)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)工作。固工業(yè)出版社,1998定床內(nèi)傳質(zhì)過(guò)程模擬基本方法是將床內(nèi)物料等分[3] Lewis W中國(guó)煤化工materials[J]為一系列薄層,將時(shí)間等分為一系列時(shí)間間隔,利CNMHG(3): 427用薄層干燥速率方程計(jì)算熱空氣狀態(tài)和物料組分432的變化這樣逐層計(jì)算,最后得到固定床內(nèi)物料的[4] Henderson S M,PbiS. Grain drying theory.1.應(yīng)用能源技術(shù)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. 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