褐煤孔隙特性及水分脱除的迁移研究

发布时间：2020-11-14 06:33

　　 我国褐煤储量丰富,但由于煤化程度低,水分含量高,开发利用程度低。褐煤的干燥是复杂的热质耦合传递过程,包含物理及化学变化,对其进行三维模型化研究极其重要。研究褐煤的物理模型及水分迁移,对提高脱水效率及脱水过程能量优化具有十分重要的意义。本文首先对三种褐煤样品进行了红外光谱分析、热重分析和真空干燥曲线分析,对其基础理化性质进行了探究。然后分别利用低温氮气吸附法、CO2吸附法、压汞法和SEM表面及切面扫描等方式对胜利、昭通、小龙潭褐煤的孔结构、表面性质进行了分析,结果表明,胜利褐煤表面和内部都含有丰富的孔和裂隙,连通性较好,0.5-0.6nm、0.8-0.9nm、0-100nm、10-370μm的孔结构及裂隙数量较多,中孔大孔区含有较多狭缝状孔,微孔区含有较多墨水瓶型孔和盲孔,在超微孔中则含有较多的狭缝孔结构。昭通褐煤表面和内部结构较胜利褐煤密实,颗粒层状结构明显,孔结构及裂隙主要存在于0.8-1nm、0-200nm、50-300μm,大孔、中孔、微孔区含较多狭缝状孔结构,超微孔中含有较多的墨水瓶型孔结构。小龙潭褐煤表面和内部孔结构较密实,孔和裂隙分布在0.6nm-0.9nm、0-100nm、100-300μm,大孔、中孔部分狭缝型孔含量较高,微孔部分墨水瓶型孔结构和盲孔较多,超微孔中含有较多的墨水瓶型孔结构。本文分别选用CO2吸附法、氮气吸附法和压汞法数据中的微孔、中孔和大孔部分孔结构参数,基于一定的假设和进一步参数的计算,通过Visual Basic编程和Matlab完成了对褐煤二维平面物理模型单元、三维模型单元及颗粒整体三维物理模型的建立,所得褐煤颗粒三维物理模型可表征内部孔结构坐标、空间状态及连通情况。基于孔道参数及空间位置状态,完成了对褐煤颗粒内部水分迁移过程的模拟,得到褐煤颗粒内部任意一点水分迁移路径轨迹、长度和曲迂度等数据,结果表明,三种褐煤等位置水分迁移路径长度较为相似,昭通褐煤的路径曲迂度普遍较胜利和小龙潭小,表明其水分迁移较快。并通过干燥实验和相关性分析,得到三维模型水分迁移模拟结果与实验结果具有很强的相关性。搭建了褐煤颗粒干燥实验平台,完成了不同条件下的褐煤干燥实验。实验结果表明,温度对脱水速率提升效果明显,在相同氮气流速(1.2L/min)条件下,胜利褐煤在300℃,2-3min干燥速率达到最大值且在5min以内干燥速率较高,脱水率达到30%以上;昭通褐煤在300℃,3min左右干燥速率达到最大值且在4min以内干燥速率较高,脱水率达到60%以上;小龙潭褐煤在250-300℃,2min左右干燥速率达到最大值,且在5min内干燥速率较高,脱水率可达到30%以上。氮气流速对脱水速率提升相对较弱,在相同干燥温度(200℃)条件下,胜利褐煤在1.4-1.6L/min,2-3min干燥速率达到最大值,并且在5min内保持较高脱水速率,脱水率可达到30%以上;昭通褐煤在1.4-1.6L/min,3min左右干燥速率达到最大值,且在10min内保持较高脱水速率,脱水率可达到55%;小龙潭褐煤在1.2-1.6L/min,4min左右干燥速率达到最大值,且在7min内保持较高脱水速率,脱水率可达到30%以上。最终本文结合褐煤内部孔结构性质,制作与褐煤孔性质类似的不同连通状态、不同孔径的毛细管,对褐煤内部水分迁移进行实验模拟,结果表明,褐煤干燥的汽化过程只发生在孔道内含有气液界面的位置。对于半封闭与连通型裂隙结构的干燥,与外界连通的裂隙开口端水分汽化,液面向内部移动,内部气液界面同时汽化并向外推动,在内外两液面协同作用下,水柱在移动过程中减小直到消失。当受热不均匀时,出现液柱流动至表面富集现象。对于较裂隙尺寸小的大孔结构,干燥过程中只有液面随干燥内移的过程,液柱流动性差,干燥效率低,推测出现局部低温,传热效率低,影响干燥效率。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ536
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 文献综述
    1.1 引言
    1.2 褐煤干燥技术研究现状
    1.3 褐煤干燥水分迁移研究现状
    1.4 多孔介质水分迁移研究现状
2 绪论
    2.1 研究背景与意义
    2.2 研究内容与计划
    2.3 技术路线图
    2.4 课题来源
3 褐煤基础理化性质分析
    3.1 实验设备与仪器
    3.2 煤质分析
    3.3 褐煤红外光谱分析
    3.4 褐煤TG曲线分析
    3.5 褐煤真空干燥曲线分析
    3.6 本章小结
4 褐煤孔隙特性分析
    4.1 比表面与孔结构常用表征方法
    4.2 褐煤的比表面积与孔体积分析
    4.3 褐煤的SEM分析
    4.4 褐煤的孔结构分布特征分析
    4.5 褐煤的孔型特征分析
    4.6 本章小结
5 褐煤颗粒三维空间物理模型建立及水分迁移模拟
    5.1 建模路线与基本参数计算
    5.2 二维平面模型建立
    5.3 三维模型单元建立
    5.4 褐煤颗粒三维模型建立
    5.5 褐煤颗粒内水分迁移过程模拟
    5.6 本章小结
6 褐煤颗粒干燥及毛细管内水分迁移实验探究
    6.1 褐煤颗粒热风干燥实验研究
    6.2 水分迁移模拟与干燥实验相关性分析
    6.3 毛细管水分迁移实验研究
    6.4 干燥过程中褐煤颗粒内部水分迁移规律探究
    6.5 本章小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 创新点
    7.3 展望
附录Ⅰ 褐煤颗粒水分迁移过程模拟程序
参考文献
作者简历
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本文编号：2883191