褐煤干燥及热解机理研究现状

46应用能源技术2014年第12期(总第204期)doi:10.3969/.isn.1009-3230.2014.12.011褐煤千燥及热解机理研究现状张凯(中国电能成套设备有限公司,北京100080摘要:单个大颗粒褐煤干燥、热解机理的研究对于褐煤提质技术的开发具有重要的理论与实际意义,可用于该过程的数值计算与优化研究。对于单个大颗粒褐煤而言在干燥、热结过程中内部存在较大的温度、水含量及挥发分含量的梯度,所涉及到的科学问题为多孔介质传热与传质问题。文中主要针对褐煤的干燥机理、热解机理及堆积态干燥过程机理进行了详细的文献调研。关键词:褐煤;千燥机理;热解机理中图分类号:TD849.2文献标志码B文章编号: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引言澳大利亚、中国、俄罗斯等国家拥有丰富的褐煤资褐煤是泥炭经过长期地质成岩作用的产物,源。褐煤主要用于燃烧热解、炼焦气化提取褐即植物残骸在物理、生物、化学作用下变成的固体煤蜡及褐煤微生物的转化与利用,在我国动力与碳氢燃料褐煤是煤炭资源中煤化程度较小的煤,化工用煤中起到重要的作用,见表1。属于软质煤。与其它煤种相比,褐煤含氧量高,灰我国褐煤的特性是高挥发份(50%左右)高份大密度小,易于自燃煤粉容易爆炸。表1给水分(30%左右)、高灰份(30%左右)低热值(14出了截止207年1月世界煤炭可采储量。由该M/kg左右)、低灰熔点2。主要分布在东北西表可知全球褐煤可采储量约146亿,占煤炭北西南和华北等地集中在内蒙古、云南和新疆可采储量的17.7%。我国褐煤可采储量约186等省份。由于地区经济发展相对东部沿海地区较亿吨占全国煤炭可采储量的162%田。美国、落后的原因这些地区的用煤量相对较少因此需要将褐煤运输到距离比较远的利用场地。但由于收稿日期:2014-10-10修订日期:2014-11-09作者简介:张凯(1982-),男,主要从事煤化工及火电设褐煤易氧化自燃以及高水分含量,不适于远途运备招标工作输利用,而且会造成了铁路系统的运力浪费。2014年第12期(总第204期)应用能源技术衰世界各国煤可采储量亿吨无烟煤估计可地区/国家次烟煤褐煤总计2006年产量和烟煤开采年全球2658.960.4761.69美国1089.53991.552383.1710.89219俄罗斯1570.34中国622.33336.57185.971144.87澳大利亚和新西兰377.39213印度565.18加拿大34.479.070.91单个大颗粒褐煤干燥、热解机理的研究对于态干燥过程机理。褐煤提质技术的开发具有重要的理论与实际意1千燥过程传热传质机理研究义,可用于该过程的数值计算与优化研究。对于现状单个大颗粒褐煤而言,在干燥、热结过程中内部存到目前为止,由于多孔介质内部结构的复杂在较大的温度、水含量及挥发分含量的梯度,所涉性和随机性,还没有一种理论模型能够全面的描及到的科学问题为多孔介质传热与传质问题。文述干燥过程中多孔介质内部的热湿传递机理。现中的研究对象为褐煤的干燥、热解过程,因此,文有的干燥模型主要有以下三类。献调研主要针对褐煤的干燥机理、热解机理,堆积表2已提出的薄层干燥经验模型模型名称研究者单指数模型(1)LewisMR=p(-k·)Henderson and PabisMR=a·ep(一k·)MR=a·e(-k·t)+cTogrul and Pehlivan[s]双指数模型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.可纯经验模型MR=a-b·ex(-k·p)MR=1+a·t+Bompsont=a·MR+b·(lnMR)2Thompson et al(1)经验模型:当物质的外部干燥条件恒定理论模型主要有液态扩散模型、毛细流动模型蒸时,可以使用引人时间项的经验模型。已提出的发-冷凝模型、ikow非平衡热力学理论模型、部分薄层干燥经验模型见表2。经验模型的缺点Phip与DeⅤies模型、蒸发前沿模型、 Whitaker是由于模型中有时间项当干燥条件发生改变时,体积平均模型理论和孔道网络干燥模型等。系统该模型不再适合,模型使用范围受限。完善的干燥理论不但要能解释物料干燥过程中出(2)热质耦合理论模型:已提出的热质耦合现的热湿现象而且还应该给出相应的干燥模型,应用能源技术2014年第12期(总第204期)进而去预测在一定条件下物料的干燥特性,并能响。由于其自身的复杂性,影响煤热解过程的因根据模型计算出物料的干燥速率曲线和干燥曲素众多,如煤阶、矿物质成分、粒径大小、升温速率线。等,这些因素给热解机理的研究带来很多困难。(3)特征干燥速率曲线模型:该模型认为,在采用热解模型来描述煤粉的热解机理是十分降速干燥段特征干燥速率曲线是干燥物质特有重要的,长期以来广为国内外学者所关注。至今,的可以通过薄层干燥实验得到湿物质的特征干已经建立了许多传统热解模型去描述热解过程的燥速率曲线特征干燥速率曲线体现了相对干燥机制,例如单一反应模型有限多平行反应模型速率与特征水含量之间的关系。相对干燥速率和分布活化能模型等。单一反应模型一般将反应采待征水含量的定义式如下用一级或n级来表示,有限多平行反应模型认为WRf(x)。煤的热解是单个化合物或几种化合物的热分解式中:W为恒速干燥速率,如果干燥速率曲线不而rt+2认为煤的热解过程有无限多平行反应同存在恒速干燥段;W就等于最大干燥速率;r为时发生,可用无限多平行反应模型描述。 Anthony干基水含量。等人在Pit的基础上发展了无限多平行反应针对褐煤的干燥机理研究,Chcn等建立了模型,其假设媒热解所发生的数量众多的反应的个过热蒸汽干燥褐煤球形颗粒的模型该模型活化能呈一定的分布故又称之为活化能分布模建立在退缩面假设的基础上,指定蒸发仅发生在型。但以上模型仍然存在预测结果偏差较大适干燥前沿。随着干燥进行,干燥前沿从颗粒表面用性差、引人过多不合理假设等问题向颗粒中心移动。其计算结果与实验数据( Hager对于大颗粒热解而言, affeldt等建立了等文献中关于陶瓷颗粒的实验结果)进行了比木材球形颗粒热解模型,验证了木材粉末热解机较。然后模型被用于研究系统参数、热物性参数理。 Sadhukhan等在实验室内完成了球状圆对煤干燥行为(包括转换温度)的影响。Loi柱状木材颗粒在电加热炉中的热解实验,利用木等完成了褐煤颗粒在过热蒸汽中的干燥实验,材热解的二次反应热解机理建立热解模型。利用了Chen等的干燥模型,发现预测值总是低于褐煤由于储量丰富日益受到关注,而褐煤挥实验值。发分的热解行为对其利用具有重要影响。以往研Bongers等研究了澳大利亚低阶煤(Loy究中对于热解行为的研究大都局限在细煤粉颗粒Yang, Morel和 South australian Bowmans煤)在上(微米级),大颗粒(厘米级)的热解行为研究较受压蒸汽中的平衡水含量。实验中蒸汽温度180少,而大颗粒由于加热速率的原因其挥发分的析260℃,压力1-25MPa。研究发现:平衡水含出特性与小颗粒存在显著差别。量是过热度的简单函数当绝大部分的水被脱除3堆积态干燥过程研究现状后有机物质的释放才变得明显。对于固定床堆积态于燥过程研究,首先在实由上述研究文献可以发现对褐煤颗粒干燥验室搭建固定床堆积态干燥实验台架获得堆积的研究相对较少,已有模型难以揭示固体褐煤颗态干燥过程相关实验数据。固定床干燥过程数值粒干燥机理。建模研究中将流体简化为柱塞流,采取基于褐煤2热解动力学机理研究现状颗粒内部固定床高度均划分网格的多尺度计算煤热解是气化、液化过程的组成过程,同时也法,该方法的优点是能够获得固定床内部不同高是燃烧的重要初始过程对着火过程有很大的影度处颗粒内部的微观信息。求解固定床褐煤干燥2014年第12期(总第204期)应用能源技术多尺度数值模型,并与实验结果进行了对比模型传质效果。薄层干燥速率方程是颗粒平均水分含具有较好的计算精度,为稠密颗粒多孔介质数值量和其他一些可能的影响参数(例如干燥介质的计算提供新方法。同时建立固定床集总参数数值温度,湿度等)的函数。但是,这样的模型忽略了模型,并与实验及多尺度固定床干燥模型进行对颗粒内部传热、传质过程,不能够揭示固定床中颗比。最终获得通过固定床干燥实验验证的堆积态粒内部的干燥细节。针对以上问题,一些学者在干燥过程传热和传质模型,为其应用到到水平移研究固定床干燥过程中考虑了颗粒内部的水分传动床装置数值计算研究提供理论支持。递过程, Sitompul等将单颗粒扩散耦合到固定目前研究堆积态颗粒中的传热过程可以采床谷物干燥模型中,但是计算结果并未给出颗粒用两种能量方程模型分别是局部热平衡模型和内部的干燥信息。另外, Saastamoinen等(2利用非热平衡模型。第一种模型假设颗粒相和流体相简化的退缩面模型计算了固定床内木块的干燥过温度相等在任一位置满足局部热平衡。但是在程但是简化模型并未与单颗粒干燥情况进行对很多实际情况中这个假设并不成立。最近,很多比,是否反映单颗粒干燥过程有待验证,其固定床学者针对局部非热平衡情况,进行了一些堆积态计算结果中也未给出不同位处颗粒内部的干燥行颗粒中的对流传热的理论和数值研究,他们认为为。实际上,很多学者对退缩面模型和扩散模型非热平衡模型能够更精确、合理地描述了固定床描述颗粒内干燥过程的准确性提出质疑内物料的传热过程。 Naghavi等1), aregba等(由此可以发现对固定床褐煤颗粒干燥的研究并利用非热平衡模型计算了床层不同深度处的水分不完善。含量和热风温度,并通过固定床干燥试验证了4结束语该计算模拟结果的正确性; Chekib等利用非热综上所述,对于褐煤提质过程,已经开展了一平衡模型计算了生物质颗粒在固定床反应器内的热解过程,其采用二维数学模型,考虑二维热质传定的基础与应用研究工作,并取得了一定的研究递的影响,计算结果与实验符合较好。为了考虑成果,目前仍然存在一些阻碍褐煤提质技术发展气相速度分布对干燥过程的影响, Sitompul等与大规模应用的基础科学问题。针对大颗粒褐煤在连续性方程、N-S方程中引入空隙率和床层曳的干燥实验、机理研究较少,已有模型难以揭示固力系数,利用非热平衡模型对固定床内谷物的干体褐煤颗粒内水分迁移机理。开展实际装置的热燥过程进行了数值模拟,发现计算结果能够真实质传递过程优化分析是实现大型化褐煤千燥提质应用的重要需求。反映固定床内的传热过程。参考文献对于堆积态干燥过程来说,固定床干燥器应用最为广泛。固定床干燥被大量地应用在农业、.[1 - Thomas T, Sandro s J, Peter J. Lignite and hardenergy suppliers for world needs until化工领域。最近随着计算机技术的发展,数值计2100-an outlook. International Journal of Coal Geol算大量应用到固定床干燥传热传质过程,其最终ogy,2007,72:1-14目的是利用数值计算优化干燥过程和辅助设计干[(2]戴和式,谢可玉,褐煤利用技术[M].北京:茱炭燥装置,进而逐步减少费时费力的实验工作。固工业出版社,1998定床内传质过程模拟基本方法是将床内物料等分[3] Lewis W K. The rate of drying of solid materi为一系列薄层将时间等分为一系列时间间隔,利Industrial Engineering Chemistry, 1921(13): 427用薄层干燥速率方程计算热空气状态和物料组分432.的变化,这样逐层计算,最后得到固定床内物料的[4] Henderson S M, Pabis s. Grain drying theory应用能源技术2014年第12期(总第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. Numerical simula-ying process[J]. 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