煤快速熱解過程孔隙結(jié)構(gòu)演變模型構(gòu)建及機(jī)理研究.pdf

1、熱解是煤燃燒過程的第一個(gè)階段，煤熱解過程形成的顆粒孔隙結(jié)構(gòu)決定了焦炭的反應(yīng)表面積與氣體在顆粒內(nèi)的傳質(zhì)速率，影響整個(gè)燃燒過程。但目前對(duì)煤熱解過程顆?？紫督Y(jié)構(gòu)演變的研究還十分有限，加熱條件對(duì)顆?？紫督Y(jié)構(gòu)的影響機(jī)理仍不清晰。多數(shù)關(guān)于孔隙結(jié)構(gòu)演變模型僅是經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，缺乏理論依據(jù)，不具通用性，無法合理解釋孔隙結(jié)構(gòu)隨揮發(fā)分生成而變化的某些規(guī)律。本文針對(duì)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(luò)結(jié)構(gòu)變化情況，并考慮顆粒內(nèi)壓力對(duì)熱解

2、反應(yīng)與顆粒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)演變的模型，并在此基礎(chǔ)上分析了加熱條件與煤種特性等因素對(duì)熱解過程顆?？紫督Y(jié)構(gòu)與內(nèi)壓力演變的影響機(jī)理，主要工作如下:
　　(1)基于CPD模型，提出由煤聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化計(jì)算顆粒宏觀孔隙結(jié)構(gòu)演變的方法，建立了鍵橋、側(cè)鏈斷裂數(shù)量與顆粒內(nèi)揮發(fā)分遺留空位、單層吸附孔隙數(shù)量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并由此計(jì)算非塑性煤熱解過程顆粒孔隙率與內(nèi)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。褐煤在揮發(fā)分生成量達(dá)到30％之前顆粒內(nèi)表面積保持不變，當(dāng)達(dá)到30％之后迅速增長，本文采用熱解過程煤內(nèi)吸附孔數(shù)量的變化定量分析了該趨勢(shì)。通過對(duì)不同工況下計(jì)算結(jié)果的比較，本文分析了加熱條件對(duì)非塑性煤熱解過程孔隙結(jié)構(gòu)演變的影響;最高顆粒溫度對(duì)非塑性煤熱解過程顆?？紫督Y(jié)構(gòu)的影響較大，孔隙率與內(nèi)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(jié)構(gòu)演變模型的基礎(chǔ)上，考慮氣體分子在孔壁的滑移運(yùn)動(dòng)，本文模擬了非塑性煤熱解過程顆粒內(nèi)壓力的演變，分析了加熱條件對(duì)內(nèi)壓力演變的影響。內(nèi)壓力的最大值隨加熱速率的增加而增大，但作用時(shí)間隨加熱速率的增加而減小;內(nèi)壓力隨環(huán)境壓力的增加而增大，但顆粒內(nèi)外壓差隨環(huán)境壓力的增大而減小。本文使用顆粒內(nèi)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(nèi)外壓差的假設(shè)，從而在計(jì)算中考慮了內(nèi)壓力及傳質(zhì)阻力對(duì)熱解反應(yīng)的影響。

5、經(jīng)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(nèi)外壓差對(duì)反應(yīng)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(nèi)壓力作用。
　　(3)采用非塑性煤熱解過程顆粒內(nèi)壓力演變的計(jì)算方法，計(jì)算塑性煤熱解過程塑性前階段顆粒內(nèi)壓力的演變;利用塑性前階段結(jié)束時(shí)（即塑性變形開始時(shí)）顆粒內(nèi)的壓力分布計(jì)算塑性階段顆粒內(nèi)氣泡的初始大小與數(shù)量，并提出氣泡在顆粒內(nèi)的初始分布是很多的小氣泡圍繞一個(gè)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(shè)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(jì)算模型。本文計(jì)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(chǔ)，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(jì)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(shì)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shì)，這是被大量實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證，但之前描述煤熱解過程塑性變形的模型無法從機(jī)理上定量模擬的規(guī)律，出現(xiàn)這一趨勢(shì)的主要原因是塑性階段顆粒內(nèi)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(duì)塑性膨脹有獨(dú)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