型煤成型及其水力管道输送机理研究

发布时间：2020-06-05 01:29

【摘要】：随着工业和经济的不断发展,我国对煤炭需求量逐年上升,现有的煤炭运输能力已经不能满足煤炭的需求量。煤炭运输能力长期处于运力不足的状态,煤炭运输进入了一个瓶颈阶段。作为一种新型的煤炭运输方式,型煤管道水力输送技术被提出来用于缓解煤炭运输运力不足。但是该技术存在型煤无法完全满足水力输送的要求、型煤列(多个型煤首尾相接形成一列)的水力学特性研究不充分以及缺乏对型煤管道水力输送技术综合评价等问题。因此,开展适于管道水力输送的型煤成型研究、型煤列在水力输送过程的水力学特性和输送的数值模拟的研究以及对型煤管道水力输送技术进行环境影响、经济成本和能耗的综合评价有利于推动该技术的发展和实际应用。本文首先对型煤成型进行了研究,根据压制型煤工艺过程,对现有的小型液压成型机进行了改造,实现型煤压制和脱模自动实现,设计了型煤成型所需的模具,便于开展型煤成型的试验研究。同时搭建了总长15 m、管道内径50mm的型煤管道水力输送试验系统,对输送系统的设计方案进行了优化。在型煤成型方面,选取无烟煤、烟煤和褐煤作为原料,阳离子乳化沥青和聚乙烯醇作为型煤的粘结剂,开展了直径45mm和直径135mm两种型煤的压制试验,提出了型煤压制工艺所需的关键参数,研究了原煤种类、成型压力、煤粉粒径以及粘结剂种类和添加量对型煤成型的影响。本文对型煤的结构、防水性能、耐磨性能和抗压强度进行了研究和检测,提出了管道水力输送技术对型煤的最低要求,明确了型煤满足管道水力输送要求的成型压力、煤粉粒径以及粘结剂的添加量的必要条件。在型煤列水力输送机理方面,研究了型煤列在管道中运输时管道的阻力损失和沿程阻力损失。利用光电计时器测量了单个型煤和型煤列的速度随水流速度变化情况。本文测量了型煤列在不同水流速度下的表面压力,计算了型煤列的拖拽力和抬升力,分析了两种力对型煤运动的影响,最后得出了型煤的拖拽力因子和抬升力因子。利用动网格技术和Fluent软件对型煤在管道输送的运动进行了数值模拟,展示了型煤从静止到启动以及通过管道转折处的运动变化,并将模拟计算得到的型煤速度变化和管道压力变化与已有实验测量的结果进行对比,发现数值模拟结果与测量结果很好地吻合,并通过模拟结果分析了型煤的受力变化和影响。本文利用扫描电镜研究了不同成型压力下无烟煤型煤、烟煤型煤和褐煤型煤的微观结构,采用氮吸附法测量了三种型煤的孔隙结构和孔的比表面积,对型煤成型过程以及压力和粘结剂对煤粉结构的影响进行了分析和讨论。利用热分析技术对型煤的燃烧特性进行了检测和研究,得到了型煤的燃烧特性参数并与原煤的燃烧特性参数进行对比,发现加入粘结剂对煤炭的成分含量发生了变化。无烟煤和褐煤的燃烧性能提高而烟煤的燃烧性能下降。最后研究了型煤在燃烧气氛下污染物排放特性,发现阳离子乳化沥青降低了无烟煤和烟煤的SO2排放浓度却增加了褐煤的SO2排放浓度。聚乙烯醇降低了无烟煤的SO2排放浓度但增加了烟煤和褐煤的SO2排放浓度。粘结剂降低了无烟煤的NOx排放浓度却增加了烟煤和褐煤型煤的NOx排放。最后,本文建立了型煤管道水力输送技术、火车输煤和汽车输煤的评价体系,详尽搜集了三种运输方案的数据,建立了三种运输方案能耗、污染物排放和经济成本的数据清单,对三种运输方案的能耗、环境影响进行了综合评价和对比,发现型煤管道水力输送技术的表现优于其余两种方案。采用生命周期成本分析方法对三种运输方案的经济成本进行了评估和分析,发现型煤管道水力输送技术的收益优于其余方案,投资成本也最小,但该技术的年运营成本高于火车输煤方案,低于汽车输煤方案。粘结剂的成本在整个运营成本中占很大比例。对影响评价结果的关键因素—粘结剂用量、成型压力、煤粉粒径和型煤在管道中的磨损率进行了敏感性分析,定量了这四种因素对输出结果的影响。
【图文】：

工业行业,煤炭,制造业

我国是少数Ｗ煤炭为主的国家，严重缺石油、天然气。能源利用Ｗ煤炭为主。２０１４逡逑年世界煤炭的消耗量为％８１．８百万吨油当量，其中美国占１１．６８％，俄罗斯占２．１９％，中逡逑国占５０．５５％＾。在中国，煤炭消费量占能源消费总量的６６％Ｗ，图１．１展示了我国各个行逡逑业煤炭消耗比例，其中电为生产行业耗煤占５０％Ｗ上，其次为制造业。其他非工业行业化逡逑或多或少地采用煤炭作为动为来源，即使是日常生活所消耗的煤炭化占到２．６％，足レNB说逡逑明煤炭在我国能源供给和消耗中的重要地位。逡逑／电力、热力生逦Ｊ逦气逡逑／产和供应化逦ｉ逡逑？邋２７％邋ｉ邋；息严逡逑石结化工、炼逡逑＾电力、巧气及水生化学原料和化逡逑NB产巧供应业．．．邋．．．逦．逦学制品剌造业逡逑－－－２蜘逦，，＇Ｖ逦＼逦３％逡逑ｈ＇邋Ｓ邋＾又非全是矿逡逑、Ｗ：逦ｉ邋．＇｜＊＾炓色全巧奋炼物制造业逡逑Ｉ逦５％逦４％逡逑有色金属冶炼逡逑１％逡逑图１．１各个工业行业耗煤所占比例逡逑１逡逑

管道运输,货运量,货物

ｌｉｌｌｌｌｌｌ逡逑２００７逦２０地邋２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逡逑图１．２邋２００７－２０１４年间我国管道运输货物量逡逑从图１．２中可ＬNB看出，近年来我国管道的货运量逐年增加。管道运输起着重要的作用。逡逑从２０世纪６０年代开始，，管道发展趋向于采用大管径、长距离，并逐渐建成输送管网，现逡逑在管道运输发展为气力管道输送和液体管道输送，主要用于运输天然气和石油等，其中液逡逑体管道输送越来越受到重视。许多学者提出了Ｗ液体为载体运输一些散料固体或者防水性逡逑固体，Ｗ此概念为基础进行了用于解决散装物料、成件货物、集装物料的运输，及容器逡逑式管道运输的研究，并开展了采用管道运输煤浆的巧究。我国在管道输煤的科研、设计、逡逑设备制造和施工等方面已基本具备条件ＩＷ。１９９７年山西类烦尖山铁矿－太原钢管道投入运逡逑行，该管道全场１０４么里，管道直径为２巧ｍｍ，年输送能力为２００万吨［１７】。另外孟（县）逡逑－谁（坊）－青（岛）输煤管道是在山西省孟县的供煤中々地带制浆厂作为管道的起点，全逡逑程７１３公里
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ536

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