螺旋反应器中颗粒混合及煤热解特性研究

发布时间：2020-07-12 00:52

【摘要】：在“煤拔头”工艺中,高温固体热载体是煤热解反应的热源。热载体和煤颗粒在反应器内的流动、混合过程直接影响到煤颗粒的升温速率和温度分布,进而影响热解产物的产率和组成。螺旋反应器因同时具有物料输送、计量和混合等功能,可被用于“煤拔头”工艺中,实现煤和固体热载体的快速混合和热解。因而,螺旋内物料的混合和煤热解特性的研究对于“煤拔头”技术的发展和应用有着重要意义。本文以螺旋反应器为研究对象,考察了螺旋反应器内物料的轴向返混、横向混合、传热及煤热解反应特性,以期获取螺旋反应器内固固混合、传热和传质规律,找到反应器内物料快速混合和传热的方法,对新型螺旋反应器及以煤热解为核心的多联产技术的开发和工艺优化提供理论基础与实验依据。论文提出以水溶性染料酸性红-18作为石英砂包覆染色剂,制备了均匀包覆的示踪剂。利用此示踪剂,基于脉冲示踪法考察了螺旋安装倾角、螺旋转速、颗粒粒径等因素对螺旋内颗粒物料停留时间分布的影响规律。研究结果表明：提高螺旋安装倾角会促进螺旋内物料的循环流动,增大轴向返混；增大螺旋转速和颗粒粒径均会提高螺杆对物料的输送效率,使轴向返混减小。但过大粒径的颗粒在螺旋混合输送过程中会被部分破碎,产生较多细粉,使轴向返混增大。根据实验结果,采用马尔可夫链模型相关理论及方法提出了三参数2D马尔可夫链模型,并利用该模型对螺旋反应器内物料的停留时间分布特性及颗粒流动规律进行了模拟、解释。该模型将每个螺节划分为流动主体和滞留区,对水平和上倾安装时螺旋内部存在的滞留和内循环流动给予了很好的描述。随着螺旋安装倾角的降低,螺旋内滞留区大小逐渐减小甚至消失。论文采用石蜡固化法耦合彩色图像分割技术获取螺旋反应器内颗粒运动规律与横向混合信息。针对石英砂颗粒颜色差异,提出基于R-B色差特征的自适应阈值分割方法提取目标颗粒,并依此描述沿输送方向螺旋内物料的颗粒运行轨迹和混合状态。论文考察了螺旋转速、安装倾角、填充度和颗粒粒径等因素对最终混合度和混合速率的影响。结果表明,螺旋内物料的最终混合度仅由物料性质决定,混合物料之间的粒径差异对获得较高的横向混合度不利。螺旋的操作条件如螺旋转速、填充度和安装倾角仅影响混合速率,对物料的最终混合度则没有影响。降低螺旋转速和填充度、提高安装倾角有利于提高横向混合速率。为了探索螺旋作为煤热解反应器的性能,本文设计并建成了一套热态螺旋混合反应装置,实验结果证实了其作为煤热解反应器的连续运行稳定性。采用响应曲面实验设计方法考察了热载体温度、螺旋转速、热载体／煤质量比对气相产率和组成的影响。结果表明,提高热载体温度和热载体／煤质量比气体产率均上升,提高螺旋转速虽然能实现煤和砂子快速混合,但是会减少煤在反应器中的停留时间,因而气相产物的生成有极大值点存在。沿轴向煤的气相产率逐渐升高,但增幅变缓,同时螺旋壁面温度沿轴向急骤下降。因而,在设计螺旋长度时,应兼顾混合效果和轴向的热量损失。最后,结合马尔可夫链颗粒流动模型、传热理论与煤热解动力学模型,建立螺旋反应器固体热载体煤热解模型。该模型对螺旋内各物料之间、物料与设备之间的传热进行了分析,并探讨了热载体温度、螺旋转速、热载体／煤质量比和粒径等因素对煤颗粒升温和热解过程的影响。研究结果表明：热载体作为系统热源,通过热传导和热辐射形式对煤颗粒的传热约占其能量输出的80-85%,是热传递的主要形式。粒径是影响煤颗粒升温过程和挥发分产率的重要因素。0.5 mm及以下颗粒升温速率达240K/s以上,升温速率随煤颗粒粒径增大而降低。对于非均匀粒径分布体系,煤颗粒之间粒径的差别有利于提高挥发分产率,这是因为细颗粒有较高的热解终温和挥发分产率。平均粒径一定时,粒径分布越宽,挥发分产率越高,达到热解终态所需要的时间也越长。为了描述混合过程对颗粒传热和煤热解挥发分析出过程的影响,提出了颗粒团分散模型,颗粒团直径越大,其内部有效导热系数越小,煤颗粒升温速率越慢。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ530.2

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