宝日希勒褐煤微波干燥的实验及数值模拟研究

发布时间：2020-08-14 19:34

【摘要】：煤炭资源以其在稳定性、规模化和经济性上的优势,一直是我国一次能源供应的主体。随着高品质煤炭资源的逐渐枯竭,储量丰富的褐煤资源日益受到人们的关注。但是褐煤含水量高,干燥后易复吸水分,这一特点制约了其大规模应用。因此,须在褐煤利用之前对其进行干燥。微波干燥相比于传统干燥在选择性、灵活性和快速化等方面存在优势,且微波干燥后褐煤的水分复吸行为得到一定程度的抑制,因此,褐煤微波干燥提质成为当前研究热点。然而研究者大多对褐煤微波干燥进行实验研究,缺少对干燥过程的定量认识,少数对褐煤微波干燥进行了数值模拟研究,但模型的适用性与准确度不高,模拟对象与实际情况偏差较大。为建立对褐煤微波干燥过程的定量认识,加深对褐煤微波干燥机制的理解,优化褐煤微波干燥提质的操作条件,有必要对其进行更深入的研究。本文以宝日希勒褐煤为研究对象,首先研究了操作条件对薄层褐煤微波干燥特性的影响规律,又对薄层褐煤微波干燥过程进行了动力学分析。研究发现,增大微波功率和煤样粒径,减小煤样质量对于增强薄层褐煤的微波干燥效果有积极的作用;基于Arrhenius公式计算得到薄层褐煤微波干燥活化能Ea为45.601W/g。然后基于麦克斯韦方程组、能量守恒方程、扩散方程,建立描述薄层褐煤微波干燥过程的理论模型,使用COMSOL的射频模块、固体传热模块和稀物质传递模块对薄层褐煤微波干燥过程进行了数值模拟研究。研究发现,薄层褐煤电磁场分布不均匀,微波功率越大,由中心向边缘的场强梯度越大;电磁场分布不均匀导致干燥初期温度场分布不均匀,微波功率越大,中心区域过热越严重。最后研究了微波提质对褐煤物理化学结构及水分复吸行为的影响规律。研究发现,微波提质后褐煤的孔隙结构更为致密,含氧官能团和脂肪族结构含量下降,煤阶提高,水分复吸行为得到抑制。提高微波功率和处理温度,提质后褐煤结构的上述改变更为明显,水分复吸行为进一步得到抑制。当气氛中含有水蒸气时,微波提质后褐煤的含氧官能团含量更低,水分复吸量也更低。本文的研究成果对于优化褐煤微波干燥提质的操作条件,理解褐煤微波干燥的机制,以及指导褐煤微波干燥装备的设计具有重要意义。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD849.2
【图文】：

中国煤炭,种类,煤石,褐煤资源

13.3%6.4%18.3%62%煤石油天然气其它图 1-2 我国一次能源组成结构我国煤炭资源已探明总储量为 15663.1 亿吨[6]，图 1-3 为按照煤化程度划炭种类。近年来随着高阶煤资源的逐渐枯竭，能源行业纷纷把目光投向了种低阶煤资源，褐煤资源探明储量节节攀升，褐煤年产量大幅提高，以褐为目标的能源研究也出现了井喷式发展。

吸附过程,氢键,热空气干燥,官能团

哈尔滨工业大学硕士学位毕业论文应的有机盐在褐煤中的含量很高。Nishio 等[13]研究了官能团之间的关系，发现水分子吸附量与羧基浓度的量的影响强于其他官能团。Man 等[14]对热空气干燥和行为进行了实验研究，发现随着热空气干燥温度的提量下降，这是因为温度提高，官能团分解加剧，随着后褐煤的水分复吸量先增后减，这是因为褐煤的比表高先增后减，研究者认为，孔隙结构对水分复吸行为等[15]采用红外光谱分析法研究了煤中氢键的分布情况，键有关，氢键分为煤水间氢键和水水间氢键，前者与者与微孔分布有关。

示意图,转筒干燥器,褐煤,示意图

技术是基于水的相变原理对褐煤进行干燥的，褐煤中的水吸以水蒸汽的形式从褐煤内部迁移至外部环境。式干燥是一种成熟完善的干燥技术，应用最为广泛，主要技筒结构。按照褐煤与干燥介质的接触方式分为直接接触式和间式是把褐煤与热烟气（或热空气、过热蒸汽等）混合，热烟面传递给褐煤中的水，水受热变成水蒸气排出，这种干燥器发生反应，对烟气的种类和品质要求苛刻。间接接触式是在 1~3 层干燥管，热烟气输送入干燥管而不与干燥筒中的褐煤接接触式干燥器的问题。这种干燥器可以将褐煤的含水率由热量传递系数介于 33~37W·m-2·k-1[17]，但是这种干燥器要求内[18]。还有一种改进的转筒式干燥器，干燥筒通热烟气，围绕列旋转的干燥管，干燥管中是连续输送的褐煤，这种干燥器粒径的适用性更广。有研究显示[19]，改进型转筒式干燥器的~78W m-2·k-1，干燥所消耗的能量相比于改进前下降 20%。

【参考文献】