低阶煤热敏特性及其热力破碎机理研究

发布时间：2017-12-17 21:01

本文关键词：低阶煤热敏特性及其热力破碎机理研究

【摘要】：我国低阶煤资源储量丰富,但由于其煤化程度低、水含量高、挥发分高、发热量低、反应活性强等煤质特性,需经脱水提质才能大规模利用。国家能源科技“十二五”规划将低阶煤提质改性技术列入重大技术研究领域,开发具有自主知识产权的、适应性广的低阶煤提质改性技术与工艺,因此近年来国内一些研究单位先后研发了不同的低阶煤脱水提质技术,并建成了多个大型示范项目。低阶煤热稳定性较差,各种干燥提质技术均存在煤颗粒干燥过程中因热冲击作用发生严重破碎和粉化的问题,导致除尘系统阻力过大,项目在安全性方面存在一定隐患,难以实现安全、稳定、长周期、满负荷运行,且粉尘对环境影响较大。随着国内多个大型低阶煤干燥提质项目的相继停运,低阶煤干燥过程中破碎粉化等技术问题日益凸显,制约了低阶煤干燥提质技术的发展和应用。目前国内外针对低阶煤在干燥过程中破碎粉化特性及其机理的相关基础研究鲜有报道。本研究针对上述问题,采用热力干燥实验对不同变质程度的低阶煤进行脱水提质,探索低阶煤在纯热力作用下的破碎特性,考察了不同因素对热破碎的影响,提出了适用于描述低阶煤整体破碎程度和粉化程度的度量指标;利用机械热分析法、低温氮吸附法、红外光谱分析法等手段,系统地研究了低阶煤在干燥过程中的热物性特征、煤孔隙结构和含氧官能团的变化规律,建立了低阶煤热敏特性表征体系;提出了热敏感度的测定方法,通过煤岩分析、核磁共振等手段,系统地研究了不同变质程度、岩相组成、分子结构等内在因素对热粉化性的影响;采用滚筒干燥和转鼓干燥工艺,考察了热力、机械力不同的加载方式对低阶煤破碎粉化的影响;通过建立单颗粒煤在纯热力作用下发生破碎的数学模型,考察脱水过程中温度梯度和湿度梯度对颗粒内部应力场的作用,分析颗粒破碎机理。低阶煤在干燥过程中因水分的脱除发生的破碎现象远不及其在高温条件下(气化或燃烧)因挥发分的脱除而导致的热破裂现象明显,故需针对低阶煤低温干燥过程提出表征破碎特性的指标。本研究自主设计了箱式干燥装置,采用筛分实验对低阶煤在纯热力作用下的破碎特性进行了探索性研究,首次提出了适用于描述低阶煤整体破碎程度和粉化程度的度量指标,并考察了干燥温度、干燥程度、入料粒度、升温速率和不同煤种五个因素对低阶煤破碎特性的影响。研究发现,不同条件下低阶煤颗粒干燥后粒度组成与入料粒度组成均存在较大差异,但随着各因素的变化,出料粒度分布变化程度不同。其中,干燥程度、入料粒度、升温速率和不同煤种对出料粒度分布的影响较大,不同干燥温度对出料粒度分布的影响很小。通过研究提出了表征颗粒破碎程度的多粒径指标相对破碎率,对比以往的研究人员提出的单一粒径指标破碎率,相对破碎率更好的反映了整体粒径分布的变化情况,且对不同的影响因素较为敏感。通过考察不同粒级的破碎生成颗粒在粒度分布、孔径分布和显微组分组成上的差异提出了表征颗粒粉化程度的指标粉化率。低阶煤在干燥过程中物理化学和热特性均会发生一定变化,本研究建立了低阶煤热敏特性指标体系,包括孔隙结构、膨胀特性、机械强度和含氧官能团四个方面。采用低温氮吸附法研究了干燥过程中低阶煤的孔隙结构变化,发现随着干燥程度的加深,低阶煤的孔隙结构迅速复杂化。干燥初期,煤中水分因吸热体积发生膨胀,煤颗粒内部的压力增大使得孔隙发生扩张,颗粒孔体积变大;全水分降至15%后,进入降速脱水阶段,孔隙结构发生扩张的现象加剧,其孔体积增大速率也明显加快。孔径分布数据显示,干燥处理后的煤样大孔和微孔百分比均出现不同程度下降,而中孔百分比上升较为明显,说明干燥会导致煤样孔隙向中孔过渡。利用热机械分析仪研究了干燥过程中低阶煤的升温膨胀与失水收缩特性。结果表明对同一煤种而言,干燥温度越低,煤样发生收缩的时间越长,相应的最大收缩量越小,收缩速率越慢,程度较缓和;干燥温度越高,煤样在相同时间内失水越多,失水速率越快,由湿度梯度引起的湿应力作用更大,导致煤样内部的应力点增多,孔隙、裂隙坍塌程度更剧烈,收缩过程的宏观现象表现也更为明显。不同煤种在干燥过程中收缩性差异较大。对比不同煤种的tma试验数据和干燥试验数据可知,煤样的相对破碎率和粉化率指标与相应的膨胀性指标最大收缩量具有很强的一致性,说明热膨胀性强的煤在干燥过程中更易破碎及粉化。以抗碎强度和相对破碎率作为评价指标,研究了干燥过程中颗粒的机械强度变化,结果表明一定粒径的煤颗粒其抗碎强度随着温度的升高,呈现递减趋势,且减小速率也不断增大;随着干燥程度的加深,呈线性递减趋势;随着粒径的增大呈幂函数减小趋势。针对低阶煤热粉化性的内在影响因素,前人从未进行过报导,本文提出了热敏感度的测定方法,系统地考察了不同变质程度、煤岩组分、大分子结构等内在因素对热敏感度的影响。研究发现,不同变质程度煤的热敏感度差异较大。随着最大镜质组反射率的增大,低阶煤的热敏感度呈现指数型的减少;随着全水分和挥发分含量的增大,热敏感度呈现指数型的增大;而灰分含量与热敏感度相关性较差;低阶煤的热敏感度与原煤孔体积大致呈现正相关性。扎哈淖尔长焰煤的三种宏观煤岩组分中亮煤富含镜质组,灰煤中惰质组成分含量最大,而暗煤中的矿物质成分占比最大。三种煤岩组分的热敏感度存在一定差异,其中亮煤的热敏感程度最小,暗煤热敏感程度最高,灰煤居中。暗煤因富含惰质组在干燥受热过程中较易发生破碎生成细颗粒产物,且暗煤的矿物质含量较高,在干燥过程中矿物质与煤基质之间易因温度梯度引起的热应力和膨胀度不均匀导致的应力产生裂纹并发生演化,其热敏感度在三者中最大。在煤的大分子结构方面,随煤分子中的芳构化程度不断提高,其热敏感度呈现对数型减小趋势;煤中脂碳参数越高,热敏感度越高,两者为正相关关系;含氧官能团参数越高,热敏感度越高。因煤在工业干燥过程中不仅受到热力作用,同时受到机械力作用,本研究对比考察了热力、机械力不同加载方式对低阶煤在干燥过程中破碎特性的影响。研究发现,在热力与机械力耦合加载的方式下,出料的破碎程度最深,耦合加载方式下的粉化率大于两种作用力单独加载方式之和,说明热-机械力耦合加载方式产生了协同效应。利用三种加载方式下粉尘的粒度分布和颗粒的孔径分布研究热力和机械力的破碎机理差异,结果表明机械力单独加载方式下,颗粒破碎程度最轻,其粒度表现为煤颗粒经破碎、磨碎设备处理后产物普遍的单峰分布,而在热力单独加载和热-机械力耦合加载方式下粉尘粒度分布呈双峰分布;机械力单独加载条件下,煤颗粒孔体积未发生明显变化,且大孔、中孔与小孔占总孔体积的比例也相对不变,而在热力单独加载的条件下,煤颗粒孔体积发生了剧变,其大孔、中孔与小孔占总孔体积的比例也发生了很大的变化,大孔的比例减小,中孔比例增大,而在热-机械力耦合加载过程中,煤颗粒的孔体积进一步增大,但其大孔、中孔与小孔占总孔体积的比例仍与热力加载方式相近。两条结论均说明热力与机械外力对煤颗粒的破碎机理存在一定差别,而耦合加载与热力单独加载方式的破碎机理一致,机械力只是加剧了热力作用的宏观表现。针对煤颗粒在纯热力作用下的破碎机理,本研究通过建立破碎模型,求解煤颗粒内部因温度梯度引起的热应力和水分梯度引起的湿应力,分析二者对颗粒破碎的作用。结果表明,煤颗粒内部因水分梯度引起的湿应力的值远大于由温度梯度引起的热应力的值,湿应力对于颗粒的破碎起主要作用。且在颗粒的表面区域,湿应力表现为较大的拉应力,由于煤颗粒极限抗张强度相较极限抗压强度要低一个数量级,导致颗粒表面首先发生破裂,剥落出细小颗粒。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD849

【参考文献】

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