大尺寸型煤炭化过程收缩特性及动力学研究

发布时间：2020-04-09 18:34

【摘要】：针对大量无烟粉煤成型制铸造型焦及大型焦炉煤饼生产冶金焦的共性问题，即大尺寸块煤或煤饼炭化过程中的收缩问题，本文采用自主研发的高温质量和体积一体化测量装置，考查了原料煤粒度、成型尺寸、升温速率和炭化温度对型煤收缩的影响；研究了原料煤、粘结剂及型煤炭化过程的收缩行为，并对大尺寸型煤的收缩机理进行初步分析；依据恒定炭化温度（450℃、550℃、650℃和850℃）下大尺寸型煤（体积=103cm3）的收缩和失重特性建立了大尺寸型煤收缩动力学模型，通过灵敏度分析对收缩动力学参数进行修正；在建立的动力学模型基础上进一步研究了现代大型捣固型煤（13280mm×500mm×4300mm）的收缩计算方法，获得主要结果和结论如下。 1.850℃炭化温度下，随着原料粒度(0.15-0.425mm、0.425-1mm、1-1.4mm、1.4-2mm、2-2.36mm)的增大，成型尺寸为100mm的型煤块炭化收缩时间t减小（由120min逐渐缩短为90min），最终体积Vt增大(由0.7435V0增大至0.8231V0)，型煤的初始收缩速率-d(Vt/V0)/dt越大（由6.481×10-3%min增长为9.135×10-3%min）。 2.850℃炭化温度下，随着成型尺寸(25mm、50mm、75mm、100mm、125mm)的增大，原料粒度为1-1.4mm的大尺寸型煤炭化收缩时间t增长（由60min逐渐增长为110min），最终体积Vt增大(由0.6968V0增大至0.7785V0)，型煤的初始收缩速率-d(Vt/V0)/dt越小（由21.954×10-3%min减小为6.589×10-3%min）。 3.随着升温速率的提高（2℃/min、3℃/min、4℃/min），原料粒度为1-1.4mm、成型尺寸为100mm的大尺寸型煤的最终体积Vt增大(由0.7646V0增大至0.6733V0)，型煤收缩曲线及收缩速率曲线中的第一收缩速率峰向高温侧移动。不同升温速率下型煤体积Vt在高温区(600℃～900℃)差别较大，但在低温区(200℃～600℃)差别不明显。 4.随着炭化温度(450℃、550℃、650℃、850℃)的升高，原料粒度为1-1.4mm、成型尺寸为100mm的型煤最终体积Vt逐渐减小（0.8751V0减小至0.7668V0），炭化时间t逐渐减小（由120min减小为92min），型煤的初始收缩速率-d(Vt/V0)/dt增大(由2.222×10-3%min增长为5.25×10-3%min)。 5.在型煤炭化过程中，450℃之前的脱水和脱气反应，以及550~650℃温度段发生的缩聚反应，是造成型煤收缩的主要反应（收缩量所占比例分别为51.63%及29.07%）；450~550℃温度段进行的分解反应也对型煤的收缩有一定影响（收缩量所占比例为18.52%）；而850℃之后进行的析氢反应对型煤体积的收缩影响不大（收缩量所占比例为0.77%）。 6.大尺寸型煤的收缩过程可分为干燥收缩（室温~350℃）、分解收缩（350℃~650℃）、缩聚收缩（650℃~950℃）等三个阶段。干燥收缩阶段体积变化较小，主要发生物理变化。分解收缩阶段型煤体积显著收缩，微晶参数fa增大。缩聚收缩阶段无显著体积收缩。 7.在型煤收缩过程中，主要有三种类型的反应:①煤粒自身的热分解和缩合反应；②粘结组分(活性组分)的裂解和缩聚反应；③粘结组分和煤粒在接触界面上进行的共炭化作用。其中煤粒的收缩是型煤收缩的主要原因,粘结剂对煤粒之间的粘结和缩聚作用也有一定影响,由粘结组分和煤粒在接触界面上的反应对型煤的收缩起促进作用,但不是炭化过程中型煤收缩的主要原因。 8.大尺寸型煤炭化收缩动力学模型为dVt/dt=V0[(1-x)dβ/dt-A0e-E/RT(1-x)nβ],其中体积改变系数β与型煤的密度成正相关,随着反应的进行逐渐增大；型煤收缩过程按照反应的进行可分为三个阶段,三个阶段的反应级数、反应速率常数逐渐减小,指前因子逐渐增大,活化能先减小后增大。 9.以100mm厚度煤料为计算单元,将各单元所处温度对应的收缩参数进行加权,获得炭化室中煤料的收缩速率,以建立现代大型捣固型煤(13280mm×500mm×4300mm)炭化收缩的计算方法；炭化室中煤料的动力学方程为dV't/dt=1/5×∑15dV'ti/dt,其中各100mm厚度体积单元的收缩速率为dV'ti/dt=[(1-xi)dβi/dt-ki(1-xi)βi]。
【图文】：

干燥收缩,速率曲线,褐煤

[56]将褐煤的干燥收缩分为初始冷凝阶段、升速干燥阶段、恒速干燥阶段以及降速干燥阶段等四个阶段（各阶段干燥速率曲线如图1-2所示）。LIXianchun等[57]将低阶煤的干燥收缩过程分为恒速收缩阶段及减速收缩阶段两个阶段，并以此建立了干燥动力学方程：(1-1)其中，，指的是煤颗粒的质量，0及∞分别指的是煤样的初始及完全干燥时的质量。图 1-2 褐煤干燥收缩速率曲线Fig. 1-2 The dry-shrinkage rate curve of lignite1.4.2 煤及生物质颗粒的热解收缩K. Papadikis等人将煤及生物质颗粒的收缩分为三种类型：均匀收缩（Uniformshrinkage）、壳向收缩(shrinking shell)及径向收缩(shrinking cyclinder)[58,59]，其收缩方式如图1-3所示。研究表明热解过程中收缩主要通过热量传递以及产物产率对反应产生影响[60]。400-450℃及500-700℃温度段木材颗粒会出现显著收缩。升温速率不会对径向收缩产生显著影响。木材颗粒的均匀收缩将会减慢木材颗粒的热解，而壳向收缩及径向收缩会通过提高颗粒的升温的速率来促进颗粒的热解。

示意图,干燥收缩,土体,过程

太原理工大学硕士研究生学位论文1-4.a），当空气相对湿度低于土体相对湿度时，土体中的水分蒸发至一定程度后，土壤颗粒之间会形成弯曲液面（如压（如图 1-4.c）。在毛细水压的作用下，土壤颗粒之间会如图 1-4.d）。此外，由于泥土中矿物质的水化作用，在泥合水膜。当毛细水压消失后，泥土颗粒会通过结合水膜连满水分时，泥土的收缩变形主要是由于水分的析出而产生进一步蒸发后，泥土的收缩主要由结合水膜所引起[62]。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ536

【参考文献】