張 凱

(中國電能成套設(shè)備有限公司，北京 100080)

褐煤干燥及熱解機(jī)理研究現(xiàn)狀

張 凱

(中國電能成套設(shè)備有限公司，北京 100080)

單個大顆粒褐煤干燥、熱解機(jī)理的研究對于褐煤提質(zhì)技術(shù)的開發(fā)具有重要的理論與實(shí)際意義，可用于該過程的數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化研究。對于單個大顆粒褐煤而言，在干燥、熱結(jié)過程中內(nèi)部存在較大的溫度、水含量及揮發(fā)分含量的梯度，所涉及到的科學(xué)問題為多孔介質(zhì)傳熱與傳質(zhì)問題。文中主要針對褐煤的干燥機(jī)理、熱解機(jī)理及堆積態(tài)干燥過程機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的文獻(xiàn)調(diào)研。

褐煤；干燥機(jī)理；熱解機(jī)理

0 引 言

褐煤是泥炭經(jīng)過長期地質(zhì)成巖作用的產(chǎn)物，即植物殘骸在物理、生物、化學(xué)作用下變成的固體碳?xì)淙剂?，褐煤是煤炭資源中煤化程度較小的煤，屬于軟質(zhì)煤。與其它煤種相比，褐煤含氧量高，灰份大，密度小，易于自燃，煤粉容易爆炸。表1給出了截止2007年1月世界煤炭可采儲量。由該表可知，全球褐煤可采儲量約1 496億t，占煤炭可采儲量的17.7%。我國褐煤可采儲量約186億噸，占全國煤炭可采儲量的16.2%[1]。美國、澳大利亞、中國、俄羅斯等國家擁有豐富的褐煤資源。褐煤主要用于燃燒、熱解、煉焦、氣化、提取褐煤蠟及褐煤微生物的轉(zhuǎn)化與利用，在我國動力與化工用煤中起到重要的作用，見表1。

我國褐煤的特性是高揮發(fā)份(50%左右)、高水分(30%左右)、高灰份(30%左右)、低熱值(14 MJ/kg 左右)、低灰熔點(diǎn)[2]。主要分布在東北、西北、西南和華北等地，集中在內(nèi)蒙古、云南和新疆等省份。由于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對東部沿海地區(qū)較落后的原因，這些地區(qū)的用煤量相對較少，因此需要將褐煤運(yùn)輸?shù)骄嚯x比較遠(yuǎn)的利用場地。但由于褐煤易氧化自燃以及高水分含量，不適于遠(yuǎn)途運(yùn)輸利用，而且會造成了鐵路系統(tǒng)的運(yùn)力浪費(fèi)。

表1 世界各國煤炭可采儲量 億噸

單個大顆粒褐煤干燥、熱解機(jī)理的研究對于褐煤提質(zhì)技術(shù)的開發(fā)具有重要的理論與實(shí)際意義，可用于該過程的數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化研究。對于單個大顆粒褐煤而言，在干燥、熱結(jié)過程中內(nèi)部存在較大的溫度、水含量及揮發(fā)分含量的梯度，所涉及到的科學(xué)問題為多孔介質(zhì)傳熱與傳質(zhì)問題。文中的研究對象為褐煤的干燥、熱解過程，因此，文獻(xiàn)調(diào)研主要針對褐煤的干燥機(jī)理、熱解機(jī)理，堆積態(tài)干燥過程機(jī)理。

1 干燥過程傳熱傳質(zhì)機(jī)理研究現(xiàn)狀

到目前為止，由于多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和隨機(jī)性，還沒有一種理論模型能夠全面的描述干燥過程中多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱濕傳遞機(jī)理。現(xiàn)有的干燥模型主要有以下三類。

表2 已提出的薄層干燥經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(1)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停寒?dāng)物質(zhì)的外部干燥條件恒定時，可以使用引入時間項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。已提出的部分薄層干燥?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵姳?。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜秉c(diǎn)是由于模型中有時間項(xiàng)，當(dāng)干燥條件發(fā)生改變時，該模型不再適合，模型使用范圍受限。

(2) 熱質(zhì)耦合理論模型：已提出的熱質(zhì)耦合理論模型主要有液態(tài)擴(kuò)散模型、毛細(xì)流動模型、蒸發(fā)-冷凝模型、Luikov非平衡熱力學(xué)理論模型、Philip與De Vries模型、蒸發(fā)前沿模型、Whitaker體積平均模型理論和孔道網(wǎng)絡(luò)干燥模型等。系統(tǒng)完善的干燥理論不但要能解釋物料干燥過程中出現(xiàn)的熱濕現(xiàn)象，而且還應(yīng)該給出相應(yīng)的干燥模型，進(jìn)而去預(yù)測在一定條件下物料的干燥特性，并能根據(jù)模型計(jì)算出物料的干燥速率曲線和干燥曲線。

(3)特征干燥速率曲線模型：該模型認(rèn)為，在降速干燥段，特征干燥速率曲線是干燥物質(zhì)特有的，可以通過薄層干燥實(shí)驗(yàn)得到濕物質(zhì)的特征干燥速率曲線，特征干燥速率曲線體現(xiàn)了相對干燥速率與特征水含量之間的關(guān)系。相對干燥速率和特征水含量的定義式如下：

(1)

式中：Win為恒速干燥速率，如果干燥速率曲線不存在恒速干燥段；Win就等于最大干燥速率；X為干基水含量。

針對褐煤的干燥機(jī)理研究，Chen等[8]建立了一個過熱蒸汽干燥褐煤球形顆粒的模型，該模型建立在退縮面假設(shè)的基礎(chǔ)上，指定蒸發(fā)僅發(fā)生在干燥前沿。隨著干燥進(jìn)行，干燥前沿從顆粒表面向顆粒中心移動。其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(Hager等[9]文獻(xiàn)中關(guān)于陶瓷顆粒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)進(jìn)行了比較。然后模型被用于研究系統(tǒng)參數(shù)、熱物性參數(shù)對煤干燥行為(包括轉(zhuǎn)換溫度)的影響。Looi等[10]完成了褐煤顆粒在過熱蒸汽中的干燥實(shí)驗(yàn)，利用了Chen等的干燥模型，發(fā)現(xiàn)預(yù)測值總是低于實(shí)驗(yàn)值。

Bongers等[11]研究了澳大利亞低階煤(Loy Yang、Morwell和South Australian Bowmans煤)在受壓蒸汽中的平衡水含量。實(shí)驗(yàn)中蒸汽溫度180～260 ℃，壓力1～2.5 MPa。研究發(fā)現(xiàn)：平衡水含量是過熱度的簡單函數(shù)，當(dāng)絕大部分的水被脫除后有機(jī)物質(zhì)的釋放才變得明顯。

由上述研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，對褐煤顆粒干燥的研究相對較少，已有模型難以揭示固體褐煤顆粒干燥機(jī)理。

2 熱解動力學(xué)機(jī)理研究現(xiàn)狀

煤熱解是氣化、液化過程的組成過程，同時也是燃燒的重要初始過程，對著火過程有很大的影響。由于其自身的復(fù)雜性，影響煤熱解過程的因素眾多，如煤階、礦物質(zhì)成分、粒徑大小、升溫速率等，這些因素給熱解機(jī)理的研究帶來很多困難。

采用熱解模型來描述煤粉的熱解機(jī)理是十分重要的，長期以來廣為國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。至今，已經(jīng)建立了許多傳統(tǒng)熱解模型去描述熱解過程的機(jī)制，例如單一反應(yīng)模型、有限多平行反應(yīng)模型、分布活化能模型等。單一反應(yīng)模型一般將反應(yīng)采用一級或n級來表示，有限多平行反應(yīng)模型認(rèn)為煤的熱解是單個化合物或幾種化合物的熱分解，而Pitt[12]認(rèn)為煤的熱解過程有無限多平行反應(yīng)同時發(fā)生，可用無限多平行反應(yīng)模型描述。Anthony等人[13]在Pitt的基礎(chǔ)上發(fā)展了無限多平行反應(yīng)模型，其假設(shè)煤熱解所發(fā)生的數(shù)量眾多的反應(yīng)的活化能呈一定的分布，故又稱之為活化能分布模型。但以上模型仍然存在預(yù)測結(jié)果偏差較大、適用性差、引入過多不合理假設(shè)等問題。

對于大顆粒熱解而言，Larfeldt等[14]建立了木材球形顆粒熱解模型，驗(yàn)證了木材粉末熱解機(jī)理。Sadhukhan等[15]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了球狀、圓柱狀木材顆粒在電加熱爐中的熱解實(shí)驗(yàn)，利用木材熱解的二次反應(yīng)熱解機(jī)理建立熱解模型。

褐煤由于儲量豐富日益受到關(guān)注，而褐煤揮發(fā)分的熱解行為對其利用具有重要影響。以往研究中對于熱解行為的研究大都局限在細(xì)煤粉顆粒上(微米級)，大顆粒(厘米級)的熱解行為研究較少，而大顆粒由于加熱速率的原因其揮發(fā)分的析出特性與小顆粒存在顯著差別。

3 堆積態(tài)干燥過程研究現(xiàn)狀

對于固定床堆積態(tài)干燥過程研究，首先在實(shí)驗(yàn)室搭建固定床堆積態(tài)干燥實(shí)驗(yàn)臺架，獲得堆積態(tài)干燥過程相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。固定床干燥過程數(shù)值建模研究中將流體簡化為柱塞流，采取基于褐煤顆粒內(nèi)部、固定床高度均劃分網(wǎng)格的多尺度計(jì)算法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得固定床內(nèi)部不同高度處顆粒內(nèi)部的微觀信息。求解固定床褐煤干燥多尺度數(shù)值模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，模型具有較好的計(jì)算精度，為稠密顆粒多孔介質(zhì)數(shù)值計(jì)算提供新方法。同時建立固定床集總參數(shù)數(shù)值模型，并與實(shí)驗(yàn)及多尺度固定床干燥模型進(jìn)行對比。最終獲得通過固定床干燥實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的堆積態(tài)干燥過程傳熱和傳質(zhì)模型，為其應(yīng)用到到水平移動床裝置數(shù)值計(jì)算研究提供理論支持。

目前，研究堆積態(tài)顆粒中的傳熱過程可以采用兩種能量方程模型，分別是局部熱平衡模型和非熱平衡模型。第一種模型假設(shè)顆粒相和流體相溫度相等，在任一位置滿足局部熱平衡。但是在很多實(shí)際情況中，這個假設(shè)并不成立。最近，很多學(xué)者針對局部非熱平衡情況，進(jìn)行了一些堆積態(tài)顆粒中的對流傳熱的理論和數(shù)值研究，他們認(rèn)為非熱平衡模型能夠更精確、合理地描述了固定床內(nèi)物料的傳熱過程。Naghavi等[16]，Aregba等[17]利用非熱平衡模型計(jì)算了床層不同深度處的水分含量和熱風(fēng)溫度，并通過固定床干燥試驗(yàn)驗(yàn)證了該計(jì)算模擬結(jié)果的正確性；Chekib等[18]利用非熱平衡模型計(jì)算了生物質(zhì)顆粒在固定床反應(yīng)器內(nèi)的熱解過程，其采用二維數(shù)學(xué)模型，考慮二維熱質(zhì)傳遞的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合較好。為了考慮氣相速度分布對干燥過程的影響，Sitompul 等[19]在連續(xù)性方程、N-S方程中引入空隙率和床層曳力系數(shù)，利用非熱平衡模型對固定床內(nèi)谷物的干燥過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果能夠真實(shí)反映固定床內(nèi)的傳熱過程。

對于堆積態(tài)干燥過程來說，固定床干燥器應(yīng)用最為廣泛。固定床干燥被大量地應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、化工領(lǐng)域。最近，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算大量應(yīng)用到固定床干燥傳熱、傳質(zhì)過程，其最終目的是利用數(shù)值計(jì)算優(yōu)化干燥過程和輔助設(shè)計(jì)干燥裝置，進(jìn)而逐步減少費(fèi)時費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)工作。固定床內(nèi)傳質(zhì)過程模擬基本方法是將床內(nèi)物料等分為一系列薄層，將時間等分為一系列時間間隔，利用薄層干燥速率方程計(jì)算熱空氣狀態(tài)和物料組分的變化，這樣逐層計(jì)算，最后得到固定床內(nèi)物料的傳質(zhì)效果。薄層干燥速率方程是顆粒平均水分含量和其他一些可能的影響參數(shù)(例如干燥介質(zhì)的溫度，濕度等)的函數(shù)。但是，這樣的模型忽略了顆粒內(nèi)部傳熱、傳質(zhì)過程，不能夠揭示固定床中顆粒內(nèi)部的干燥細(xì)節(jié)。針對以上問題，一些學(xué)者在研究固定床干燥過程中考慮了顆粒內(nèi)部的水分傳遞過程，Sitompul等[20]將單顆粒擴(kuò)散耦合到固定床谷物干燥模型中，但是計(jì)算結(jié)果并未給出顆粒內(nèi)部的干燥信息。另外，Saastamoinen等[21]利用簡化的退縮面模型計(jì)算了固定床內(nèi)木塊的干燥過程，但是簡化模型并未與單顆粒干燥情況進(jìn)行對比，是否反映單顆粒干燥過程有待驗(yàn)證，其固定床計(jì)算結(jié)果中也未給出不同位處顆粒內(nèi)部的干燥行為。實(shí)際上，很多學(xué)者對退縮面模型和擴(kuò)散模型描述顆粒內(nèi)干燥過程的準(zhǔn)確性提出質(zhì)疑[22-23]。由此可以發(fā)現(xiàn)，對固定床褐煤顆粒干燥的研究并不完善。

4 結(jié)束語

綜上所述，對于褐煤提質(zhì)過程，已經(jīng)開展了一定的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究工作，并取得了一定的研究成果，目前仍然存在一些阻礙褐煤提質(zhì)技術(shù)發(fā)展與大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)問題。針對大顆粒褐煤的干燥實(shí)驗(yàn)、機(jī)理研究較少，已有模型難以揭示固體褐煤顆粒內(nèi)水分遷移機(jī)理。開展實(shí)際裝置的熱質(zhì)傳遞過程優(yōu)化分析是實(shí)現(xiàn)大型化褐煤干燥提質(zhì)應(yīng)用的重要需求。

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Study State Review of Lignite Drying and Pyrolysis Mechanism

ZHANG Kai

(China Power Complete Equipment Co., Ltd, Beijing 100080, China)

The mechanism of drying and pyrolysis of single coarse lignite particles has important theoretical and practical significance for the development of the lignite upgrading technologies, and it can be used for simulation and optimization study. For single larger lignite particles, there is significant difference of particle temperature, water content and volatile content, and the scientific question is about the heat and mass transfer of the porous medium. In the study, the study state review is completed for the mechanism of lignite drying and pyrolysis.

Lignite; Drying mechanism; Pyrolysis mechanism

2014-10-10

2014-11-09

張 凱(1982-)，男，主要從事煤化工及火電設(shè)備招標(biāo)工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.011

TD849.2

B

1009-3230(2014)12-0046-05