46應(yīng)用能源技術(shù)2014年第12期(總第204期)doi:10.3969/.isn.1009-3230.2014.12.011褐煤千燥及熱解機(jī)理研究現(xiàn)狀張凱(中國電能成套設(shè)備有限公司,北京100080摘要:單個大顆粒褐煤干燥、熱解機(jī)理的研究對于褐煤提質(zhì)技術(shù)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(xué)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(jī)理、熱解機(jī)理及堆積態(tài)干燥過程機(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)理中圖分類號:TD849.2文獻(xiàn)標(biāo)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, ChinaAbstract 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 isgnificant 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 mechanism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(xué)作用下變成的固體煤蠟及褐煤微生物的轉(zhuǎn)化與利用,在我國動力與碳?xì)淙剂虾置菏敲禾抠Y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,褐煤含氧量高,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207年1月世界煤炭可采儲量。由該M/kg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146億,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(jì)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162%田。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煤運輸?shù)骄嚯x比較遠(yuǎn)的利用場地。但由于收稿日期:2014-10-10修訂日期:2014-11-09作者簡介:張凱(1982-),男,主要從事煤化工及火電設(shè)褐煤易氧化自燃以及高水分含量,不適于遠(yuǎn)途運備招標(biāo)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(yīng)用能源技術(shù)衰世界各國煤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2658.960.4761.69美國1089.53991.552383.1710.89219俄羅斯1570.34中國622.33336.57185.971144.87澳大利亞和新西蘭377.39213印度565.18加拿大34.479.070.91單個大顆粒褐煤干燥、熱解機(jī)理的研究對于態(tài)干燥過程機(jī)理。褐煤提質(zhì)技術(shù)的開發(fā)具有重要的理論與實際意1千燥過程傳熱傳質(zhì)機(jī)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(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,還沒有一種理論模型能夠全面的描及到的科學(xué)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(jī)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(xiàn)調(diào)研主要針對褐煤的干燥機(jī)理、熱解機(jī)理,堆積表2已提出的薄層干燥經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍Ｐ兔Q研究者單指數(shù)模型(1)LewisMR=p(-k·)Henderson and PabisMR=a·ep(一k·)MR=a·e(-k·t)+cTogrul and Pehlivan[s]雙指數(shù)模型P(-k·)+B·e(-k1·)Page模型和修正Page模型MR=∞p(-k·)Modified PageMR=a·exqp(-k·rWang and Singh(7)OverhultsMR=四p[-(k·)]0 erhults et al.可純經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚆R=a-b·ex(-k·p)MR=1+a·t+Bompsont=a·MR+b·(lnMR)2Thompson et al(1)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?當(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)流動模型蒸時,可以使用引人時間項的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。已提出的發(fā)-冷凝模型、ikow非平衡熱力學(xué)理論模型、部分薄層干燥經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵姳?。經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷娜秉cPhip與DeⅤies模型、蒸發(fā)前沿模型、 Whitaker是由于模型中有時間項當(dāng)干燥條件發(fā)生改變時,體積平均模型理論和孔道網(wǎng)絡(luò)干燥模型等。系統(tǒng)該模型不再適合,模型使用范圍受限。完善的干燥理論不但要能解釋物料干燥過程中出(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(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(jī)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(rèn)為,在采用熱解模型來描述煤粉的熱解機(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,長期以來廣為國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)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(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)采待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(yīng)模型認(rèn)為WRf(x)。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rt+2認(rèn)為煤的熱解過程有無限多平行反應(yīng)同存在恒速干燥段;W就等于最大干燥速率;r為時發(fā)生,可用無限多平行反應(yīng)模型描述。 Anthony干基水含量。等人在Pit的基礎(chǔ)上發(fā)展了無限多平行反應(yīng)針對褐煤的干燥機(jī)理研究,Chcn等建立了模型,其假設(shè)媒熱解所發(fā)生的數(shù)量眾多的反應(yīng)的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(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、引人過多不合理假設(shè)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, affeldt等建立了等文獻(xiàn)中關(guān)于陶瓷顆粒的實驗結(jié)果)進(jìn)行了比木材球形顆粒熱解模型,驗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(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)測值總是低于褐煤由于儲量豐富日益受到關(guān)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(xì)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(dāng)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(jī)物質(zhì)的釋放才變得明顯。對于固定床堆積態(tài)于燥過程研究,首先在實由上述研究文獻(xiàn)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(guān)實驗數(shù)據(jù)。固定床干燥過程數(shù)值粒干燥機(jī)理。建模研究中將流體簡化為柱塞流,采取基于褐煤2熱解動力學(xué)機(jī)理研究現(xiàn)狀顆粒內(nèi)部固定床高度均劃分網(wǎng)格的多尺度計算煤熱解是氣化、液化過程的組成過程,同時也法,該方法的優(yōu)點是能夠獲得固定床內(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(yīng)用能源技術(shù)多尺度數(shù)值模型,并與實驗結(jié)果進(jìn)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(jìn)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(xì)節(jié)。針對以上問題,一些學(xué)者在干燥過程傳熱和傳質(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(kuò)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(2利用非熱平衡模型。第一種模型假設(shè)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(jìn)行對很多實際情況中這個假設(shè)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(xué)者針對局部非熱平衡情況,進(jìn)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(rèn)為為。實際上,很多學(xué)者對退縮面模型和擴(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)干燥過程的準(zhǔn)確性提出質(zhì)疑內(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(fēng)溫度,并通過固定床干燥試驗證了4結(jié)束語該計算模擬結(jié)果的正確性; Chekib等利用非熱綜上所述,對于褐煤提質(zhì)過程,已經(jīng)開展了一平衡模型計算了生物質(zhì)顆粒在固定床反應(yīng)器內(nèi)的熱解過程,其采用二維數(shù)學(xué)模型,考慮二維熱質(zhì)傳定的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究工作,并取得了一定的研究遞的影響,計算結(jié)果與實驗符合較好。為了考慮成果,目前仍然存在一些阻礙褐煤提質(zhì)技術(shù)發(fā)展氣相速度分布對干燥過程的影響, Sitompul等與大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)問題。針對大顆粒褐煤在連續(xù)性方程、N-S方程中引入空隙率和床層曳的干燥實驗、機(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固定床內(nèi)谷物的干體褐煤顆粒內(nèi)水分遷移機(jī)理。開展實際裝置的熱燥過程進(jìn)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)大型化褐煤千燥提質(zhì)應(yīng)用的重要需求。反映固定床內(nèi)的傳熱過程。參考文獻(xiàn)對于堆積態(tài)干燥過程來說,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)、.[1 - Thomas T, Sandro s J, Peter J. Lignite and hardenergy suppliers for world needs until化工領(lǐng)域。最近隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值計2100-an outlook. International Journal of Coal Geol算大量應(yīng)用到固定床干燥傳熱傳質(zhì)過程,其最終ogy,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(shè)計干[(2]戴和式,謝可玉,褐煤利用技術(shù)[M].北京:茱炭燥裝置,進(jìn)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 K. The rate of drying of solid materi為一系列薄層將時間等分為一系列時間間隔,利Industrial Engineering Chemistry, 1921(13): 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, Pabis s. Grain drying theory應(yīng)用能源技術(shù)2014年第12期(總第204期)Temperature effect on drying coefficient[J]. Jourmal[].Fuel,200,79(13):1637-1643of Agricultural Engineering Research, 1961(6): 169 [15] Sadhukhan A K, Gupta P, Saha R K. Modelling of-174pyrolysis of large wood particles[J]. Bioresource[5] Togrl I T, Pehlivan D. Modelling of thin-layer drTechnology,2009,100(12):3134-3139ying kinetics of some fruits under operdr- [16] Naghavi Z, Moheb A, Ziaeirad S. 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