張盛誠， 何 榕

(清華大學(xué) 熱能工程系， 北京 100084)

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煤粉顆粒熱解時的膨脹與其物理化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

張盛誠， 何 榕

(清華大學(xué) 熱能工程系， 北京 100084)

通過建立數(shù)學(xué)模型來研究煤粉顆粒熱解時的膨脹規(guī)律，用分形孔隙模型生成煤粉的孔隙結(jié)構(gòu)，描述熱解過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、氣體在孔隙中的擴散和煤粉顆粒的膨脹與收縮.對模型計算結(jié)果進行擬合，得到描述煤粉顆粒膨脹的微分方程，通過與其他研究者模型計算結(jié)果的對比驗證該微分方程，分析了煤種的官能團含量、煤粉顆粒的孔隙率和比表面積對其膨脹的影響，并定義了一個綜合了煤的物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)X.結(jié)果表明：官能團含量上升，煤粉顆粒的最大膨脹率和煤焦的膨脹率增大；孔隙率或比表面積增大，煤粉顆粒的最大膨脹率和煤焦的膨脹率減?。粎?shù)X越大，煤粉顆粒在熱解過程中會發(fā)生更大的膨脹.

煤； 熱解； 官能團； 孔隙； 膨脹

熱解是煤燃燒、氣化和液化等過程的初始階段，對后續(xù)過程有重要影響，很多學(xué)者對此進行了研究[1-3].隨著溫度的上升，煤粉顆粒在熱解時會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放揮發(fā)分[4].同時，煤是一種有機大分子，在高溫下軟化熔融，因此熱解時煤粉顆粒也會發(fā)生膨脹和收縮.煤粉顆粒的膨脹和收縮直接影響熱解過程中顆粒的大小，那么揮發(fā)分在顆粒中的停留時間也受到影響，進而影響揮發(fā)分在顆粒內(nèi)部的二次反應(yīng)，這會對熱解產(chǎn)物的生成速率和產(chǎn)量有影響[5].熱解時煤粉顆粒的膨脹和收縮也會影響熱解結(jié)束時煤焦的物理結(jié)構(gòu)和煤焦顆粒的反應(yīng)活性[6].

Khan等[7]對24種不同的煤進行了實驗，結(jié)果表明所采用的24種煤在熱解過程中都有不同程度的膨脹和收縮.Yu等[8]研究了加熱速率對3種煤粉顆粒膨脹的影響，結(jié)果表明隨著加熱速率的提高，最終獲得的煤焦的膨脹率先增大，達到一個最大值之后進一步提高加熱速率，煤焦的膨脹率卻減小，這與Gale等[9]的實驗結(jié)論一致.同時，Yu等[8]的研究也表明，對于同一種煤，粒徑小的顆粒會發(fā)生更大的膨脹，這是因為鏡質(zhì)組在小顆粒中聚集，而鏡質(zhì)組是煤粉顆粒塑性的來源.Gale等[9]的研究表明，隨著溫度的上升，煤焦的膨脹率減小.Strezov等[10]使用CCD相機觀察了煤粉顆粒膨脹率的實時變化，研究了壓力對膨脹率的影響，結(jié)果表明熱解時煤粉顆粒先發(fā)生膨脹隨后發(fā)生收縮，隨著壓力的上升，煤粉顆粒的最大膨脹率和煤焦的膨脹率均先增大后減小，其原因是壓力對煤粉顆粒的塑性有2方面的競爭性作用.還有一些研究者通過建立模型來研究煤粉顆粒熱解時的膨脹和收縮規(guī)律.Melia等[11]基于孤立孔模型，對煤粉顆粒的膨脹進行了數(shù)值研究.Solomon等[12]基于FG-DVC模型建立了熱解時煤粉顆粒的膨脹模型，應(yīng)用該模型研究了壓力對煤焦膨脹率的影響，結(jié)果表明隨著壓力的上升，煤焦的膨脹率先增大后減小，這與實驗結(jié)果相吻合.Yu等[13]采用一個多孔氣泡顆粒來描述煤粉的孔隙結(jié)構(gòu)，建立描述煤粉顆粒膨脹的模型，并利用該模型預(yù)測煤粉顆粒的膨脹和收縮.但是，隨著加熱速率的上升，這些模型預(yù)測到的煤焦膨脹率是持續(xù)增大的，沒有出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，其原因是這些模型不適用于較大范圍的加熱速率.因此，這些模型沒有基于準確的孔隙結(jié)構(gòu)模型，不能用來研究原煤的孔隙結(jié)構(gòu)對煤粉顆粒膨脹的影響.

然而，煤粉顆粒是一種典型的多孔介質(zhì)，除了熱解時的外界條件，煤粉本身的孔隙結(jié)構(gòu)對煤粉顆粒的膨脹和收縮也存在影響，但由于目前的實驗條件很難研究這一點，而且又缺少這方面的模型，因此關(guān)于這方面的研究很少.筆者基于分形孔隙模型建立了描述熱解時煤粉顆粒膨脹和收縮的數(shù)學(xué)模型，利用該模型研究了煤中官能團含量、溫度和孔隙結(jié)構(gòu)對膨脹率變化速率的影響，得到了描述膨脹率變化速率的微分方程.煤粉顆粒的膨脹和收縮是由其物理化學(xué)性質(zhì)決定的，利用該微分方程分別研究了煤的物理化學(xué)性質(zhì)對煤粉顆粒膨脹的影響.

1 煤粉顆粒膨脹模型

1.1 模型的建立

煤粉顆粒具有發(fā)達而復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，采用Liang等[14]的分形孔隙模型生成孔隙結(jié)構(gòu)來模擬真實的煤粉顆粒.通過分形孔隙模型生成的孔隙結(jié)構(gòu)在孔隙率和比表面積上接近真實的煤粉顆粒，并且調(diào)整分形孔隙模型的輸入?yún)?shù)可以生成具有不同孔隙率和比表面積的孔隙結(jié)構(gòu).圖1給出了真實煤粉顆粒的SEM圖和分形孔隙模型生成的孔隙結(jié)構(gòu)，后者由100×100×100個立方體網(wǎng)格組成，分為氣體網(wǎng)格(圖1(b)中的白色網(wǎng)格)和固體網(wǎng)格(圖1(b)中的黑色網(wǎng)格).其中，孔隙由氣體網(wǎng)格組成，而煤分子和灰分則隨機分布在固體網(wǎng)格中.

(a)煤粉顆粒的SEM圖(b)孔隙結(jié)構(gòu)

圖1 煤粉顆粒的SEM圖和孔隙結(jié)構(gòu)

Fig.1 SEM images and pore structure of coal particles

熱解時，固體網(wǎng)格中的煤分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放揮發(fā)分.化學(xué)反應(yīng)采用Chen等[15]的FD(Fragmentation and Diffusion)煤熱解模型來描述，該模型包含了熱解時煤分子裂解、一次產(chǎn)物生成和二次反應(yīng)，如圖2所示.該模型假設(shè)煤分子由2 500個單體通過共價鍵連接形成大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個單體由芳香簇和官能團組成，單體包含16種官能團，每種官能團可以裂解生成輕質(zhì)氣體，如生成CO2的羧基和生成H2O的羥基等.熱解反應(yīng)發(fā)生時，連接單體的共價鍵隨機斷裂形成焦油碎片和氣體碎片.焦油碎片繼續(xù)反應(yīng)生成一次焦油，一次焦油在顆粒內(nèi)部會發(fā)生二次反應(yīng)，即交聯(lián)反應(yīng)和裂解反應(yīng).氣體碎片中的官能團裂解生成輕質(zhì)氣體，芳香簇形成一次焦炭.

熱解產(chǎn)生的氣體分布在顆粒的內(nèi)外表面上，通過孔隙向顆粒外部擴散.分形孔隙模型生成的孔隙結(jié)構(gòu)中孔隙由一個個立方體網(wǎng)格組成，采用分子運動論來描述氣體在網(wǎng)格中的擴散，這種方法已被Cao等[16]證實可以用來描述分形孔隙模型中氣體的擴散.

圖2 FD煤熱解模型

孔隙中聚集的氣體使得顆粒內(nèi)部壓力上升，顆粒內(nèi)外形成壓力差，導(dǎo)致軟化的煤粉發(fā)生膨脹[12]，膨脹引起的網(wǎng)格移動量采用以下公式[11]計算：

(1)

式中：Δl為固體網(wǎng)格的移動量；l為固體網(wǎng)格的長度；Δp為網(wǎng)格兩端壓力差；Δt為時間間隔；μ為煤粉顆粒的黏度.

采用Oh等[17]的經(jīng)驗公式來計算μ和T′：

(2)

(3)

式中：φ′為膠質(zhì)體的含量；T和T′為溫度；E為參數(shù)，數(shù)值取自文獻[17]；R為通用氣體常數(shù).

在熱解后期，煤粉顆粒的黏度急劇增大，顆粒發(fā)生再固化和收縮.不同研究者對收縮臨界黏度所取的值不同[18]，本文取為1.0×104Pa·s.軟化熔融的煤粉顆粒表現(xiàn)出表面張力，由于分形孔隙模型生成的孔隙結(jié)構(gòu)為立方體，可以假設(shè)為一個等效的壓力作用在顆粒的外表面：

(4)

式中：σ為表面張力，σ=0.03 N/m[18]；r為顆粒的等效直徑，m.

該等效壓力計入式(1)的壓力差Δp中，由式(1)計算表面張力引起的煤粉顆粒收縮.同時，熱解時由于輕質(zhì)組分的釋放，煤粉真密度增大，導(dǎo)致顆粒收縮.Gale等[19]的研究表明，煤粉真密度僅與失重率有關(guān)，而與加熱速率和熱解溫度等因素無關(guān)，據(jù)此可以得到真密度與失重率的關(guān)聯(lián)式：

(5)

式中：ρt為煤粉的真密度；ρt0為原煤的真密度；x′為熱解時煤粉的失重率.

真密度增大引起煤粉顆粒收縮，其體積變化為

(6)

式中：Vs為固體部分的體積：mp為顆粒的質(zhì)量.

1.2 膨脹率變化速率

不同的煤種往往具有不同的官能團含量，而且官能團含量在熱解過程中也是不斷下降的，不同煤粉顆粒的孔隙率和比表面積也不同.煤粉顆粒的膨脹是由氣體壓力差導(dǎo)致的，官能團是氣體的來源，其含量影響產(chǎn)氣量，溫度影響氣體的生成速率，孔隙率和比表面積影響氣體的分布，這4個參數(shù)都會影響顆粒內(nèi)外的壓力差，因此都對膨脹率的變化速率有影響.為了使模型的結(jié)果有較為普遍的適應(yīng)性，通過對模型計算結(jié)果進行擬合，得到描述膨脹率變化速率的微分方程：

(7)

式中：α為膨脹率，為熱解時煤粉的粒徑與初始粒徑之比；φ為官能團含量；θ為孔隙率；s為比表面積.

為了突出本文的研究重點，假設(shè)煤粉顆粒等溫，忽略顆粒內(nèi)部溫度梯度，所有的模擬都在101 325 Pa下進行.FD煤熱解模型假設(shè)煤分子中存在16種官能團，若考慮每一種官能團的影響將使式(7)異常復(fù)雜.為簡化起見，忽略每一種官能團的影響，φ為16種官能團的總含量.從最后結(jié)果來看，這種簡化是合理的.利用煤粉顆粒膨脹模型，給定初始的φ、T、θ和s，模擬一個較短時間的熱解過程，用膨脹率變化量除以時間就可以得到該條件下的膨脹率變化速率.研究官能團含量的影響時，計算了12個算例，這些算例的初始溫度設(shè)為1 100 K，初始孔隙率為0.32，比表面積為0.83×107m2/m3，而初始官能團含量則在0～0.53內(nèi)變化.圖3給出了官能團含量對膨脹率變化速率的影響，圖中的每一個點為給定初始條件下一個算例計算出來的膨脹率變化速率，實線為曲線擬合的結(jié)果.從圖3可以看出，當官能團含量高于0.111時，膨脹率變化速率為正，膨脹率增大，顆粒膨脹；當官能團含量下降到0.111時，煤粉顆粒黏度達到臨界黏度1.0×104Pa·s時，膨脹率變化速率為0；當官能團含量低于0.111之后，膨脹率變化速率為負，膨脹率減小，顆粒收縮.采用同樣的方法研究溫度、孔隙率和比表面積對膨脹率變化速率的影響，然后采用曲線擬合得到這些自變量與膨脹率變化速率的關(guān)系.

圖3 官能團含量對膨脹率變化速率的影響

分別獲得膨脹率變化速率與4個自變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系后，對所有算例的計算結(jié)果進行擬合，同時將膨脹率變化速率與4個自變量進行關(guān)聯(lián)，可以得到描述膨脹率變化速率的微分方程：

(8)

(9)

(10)

1.3 微分方程的驗證

為驗證微分方程(8)的正確性，將采用該方程預(yù)測得到的膨脹率與其他研究者模型預(yù)測得到的膨脹率進行對比.筆者對4種煤熱解過程中的膨脹率進行了預(yù)測，4種煤在沉降爐中通過對流和輻射加熱，沉降爐壁溫和氣流溫度均為1 473 K.4種煤的工業(yè)分析、官能團含量和初始孔隙參數(shù)見表1和表2.煤粉顆粒的初始粒徑為30 μm.

圖4給出了本文預(yù)測和其他研究者模型預(yù)測得到的膨脹率.從圖4可以看出，Sheng等[18]的模型預(yù)測到了煤粉顆粒在熱解時發(fā)生的膨脹，Yu等[13]的模型預(yù)測到了熱解時煤粉顆粒先膨脹后收縮，本文的微分方程預(yù)測到了4種煤的膨脹和收縮.雖然不同研究者采用的煤種和加熱速率等條件都不盡相同，但是通過對比圖4，可以定性地證明本文得到的微分方程可預(yù)測熱解時煤粉顆粒發(fā)生的膨脹和收縮. 從圖4還可以看出，由于煤粉顆粒先膨脹后收縮，所以在熱解過程中，煤粉顆粒在膨脹階段結(jié)束時會出現(xiàn)最大膨脹率αm；在收縮階段結(jié)束時，煤粉顆粒會達到最終膨脹率αc，最終膨脹率也是煤焦的膨脹率.

表1 4種煤的工業(yè)分析

表2 4種煤的官能團含量和孔隙參數(shù)

圖4 熱解時預(yù)測得到的膨脹率隨時間的變化

2 膨脹率的變化

2.1 官能團含量的影響

研究官能團含量的影響時，初始孔隙率設(shè)為0.4，比表面積為1.0×107m2/m3，加熱速率為3 000 K/s，當溫度達到1 273 K之后保持溫度不變，初始粒徑為30 μm.圖5給出了熱解時煤粉顆粒最大膨脹率和煤焦膨脹率與原煤官能團含量的關(guān)系.從圖5可以看出，隨著官能團含量的上升，最大膨脹率增大.由于官能團是熱解時氣體的來源[20]，官能團含量越高，產(chǎn)氣量也越高，因而導(dǎo)致顆粒內(nèi)外形成更大的壓力差，引起煤粉顆粒發(fā)生更大的膨脹.同時也可以發(fā)現(xiàn)最大膨脹率增大的趨勢在減緩，這是由于在熱解過程中，高官能團含量的煤粉顆粒發(fā)生的膨脹更大，煤粉顆粒的孔隙率和比表面積也更大，較大的孔隙率和比表面積有利于氣體產(chǎn)物在孔隙中的擴散，從而減小顆粒內(nèi)外壓力差，使煤粉顆粒的膨脹變緩.從微分方程(8)也可以直接看出，在膨脹階段，孔隙率和比表面積越大，膨脹率的變化速率越小.從圖5還可以看出，煤焦膨脹率隨著官能團含量的上升而增大.煤焦膨脹率是由熱解時膨脹階段和收縮階段共同決定的.隨著官能團含量上升，煤焦膨脹率增大是由于煤粉顆粒在膨脹階段發(fā)生了更大的膨脹.煤焦膨脹率增大的趨勢也在減緩，但是減緩的幅度比最大膨脹率的減緩幅度大，這是由于高官能團含量的煤粉顆粒發(fā)生了更大的收縮.官能團含量越高，一方面產(chǎn)氣量越高，失重率越大，真密度增大越大，收縮加大；另一方面熱解反應(yīng)持續(xù)時間越長，而加熱速率是一定的，導(dǎo)致煤粉顆粒會在更高的溫度下收縮，而高溫會加速煤粉顆粒的收縮，如微分方程(8)所示.

圖5 官能團含量對最大膨脹率和煤焦膨脹率的影響

2.2 孔隙率的影響

研究孔隙率的影響時，原煤官能團含量為0.53，初始比表面積為1.0×107m2/m3，加熱速率為3 000 K/s，當溫度達到1 273 K之后保持溫度不變，初始粒徑為30 μm.圖6給出了原煤孔隙率對最大膨脹率和煤焦膨脹率的影響.從圖6可以看出，隨著孔隙率的增大，最大膨脹率和煤焦膨脹率均減小.孔隙率越大，則煤焦顆粒中包含的有機煤分子越少，顆粒產(chǎn)氣量越小，同時大的孔隙率有利于氣體的擴散，這2個因素共同導(dǎo)致顆粒內(nèi)外的壓力差減小，從而引起的煤粉顆粒膨脹減小.最大膨脹率和煤焦膨脹率表現(xiàn)出的變化規(guī)律基本一致，這說明初始孔隙率對煤粉顆粒收縮的影響不大.微分方程(8)表明，在收縮階段(官能團含量低于0.111)時，膨脹率變化速率與孔隙率無關(guān).本文模型中顆粒的收縮是由于表面張力和真密度增大引起的，孔隙率對這2個因素都沒有影響.

圖6 孔隙率對最大膨脹率和煤焦膨脹率的影響

2.3 比表面積的影響

研究比表面積的影響時，原煤官能團含量為0.53，初始孔隙率為0.4，加熱速率為3 000 K/s，當溫度達到1 273 K之后保持溫度不變，初始粒徑為30 μm.圖7給出了最大膨脹率和煤焦膨脹率與原煤比表面積的關(guān)系.從圖7可以看出，隨著比表面積的增大，最大膨脹率和煤焦膨脹率均減小.這是由于熱解產(chǎn)生的氣體分布在煤粉顆粒的表面上，比表面積越大，則氣體分布在更大的表面上，導(dǎo)致壓力減小，那么引起的煤粉顆粒膨脹也減小.最大膨脹率和煤焦膨脹率表現(xiàn)出的變化規(guī)律基本一致，這是因為和孔隙率一樣，比表面積對煤粉顆粒收縮的影響不大.比較圖5～圖7可以發(fā)現(xiàn)，相對官能團含量和孔隙率，比表面積對膨脹率的影響要小一些.

圖7 比表面積對最大膨脹率和煤焦膨脹率的影響

3 分析與討論

官能團含量表征了煤的化學(xué)性質(zhì)，而孔隙率和比表面積則表征了煤的物理性質(zhì).在外界條件(加熱速率、熱解終溫等)保持不變的情況下，煤粉顆粒的膨脹是由其物理化學(xué)性質(zhì)共同決定的，膨脹也體現(xiàn)了其物理化學(xué)性質(zhì).由于熱解過程中煤粉顆粒的膨脹是由顆粒內(nèi)外壓力差引起的，所以影響顆粒內(nèi)部壓力形成的因素都會對膨脹產(chǎn)生影響.其中，官能團及其含量影響顆粒內(nèi)部的壓力；而孔隙率和比表面積則決定生成氣體的分布和擴散，會影響顆粒內(nèi)外的壓力差.定義一個表征煤的物理化學(xué)性質(zhì)的綜合參數(shù)X來研究煤粉顆粒膨脹與煤本身性質(zhì)的關(guān)系：

(11)

(12)

式中：sr為相對比表面積.

參數(shù)X是無量綱的，將參數(shù)X定義成式(11)的形式是考慮到官能團含量上升會增大煤粉顆粒的膨脹，孔隙率和比表面積增大則減小煤粉顆粒的膨脹，而且相比于官能團含量和孔隙率，比表面積對膨脹的影響要小.

圖8給出了參數(shù)X與最大膨脹率和煤焦膨脹率的關(guān)系，其中橫坐標為1/X，縱坐標為lnα.從圖8可以看出，最大膨脹率的對數(shù)值lnαm和煤焦膨脹率的對數(shù)值lnαc都與1/X具有很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.991和0.973.通過線性回歸還可以發(fā)現(xiàn)，最大膨脹率對數(shù)值擬合直線的斜率為-0.307，而煤焦膨脹率對數(shù)值擬合直線的斜率為-0.295，取絕對值之后，前者略大，這說明參數(shù)X對最大膨脹率的影響要大于對煤焦膨脹率的影響，這就印證了圖5中的現(xiàn)象.圖5表明，官能團含量上升，雖然最大膨脹率和煤焦膨脹率的曲線都變得平緩，但是煤焦膨脹率的曲線更平緩一些，說明煤焦膨脹率受到的影響更小.通過擬合得到最大膨脹率和煤焦膨脹率與參數(shù)X的關(guān)系為

圖8 參數(shù)X與最大膨脹率和煤焦膨脹率的關(guān)系

(13)

(14)

參數(shù)X實際上反映了煤粉顆粒本身的膨脹能力，綜合考慮了物理化學(xué)性質(zhì)對膨脹的影響.參數(shù)X越大，不論是由于官能團含量越高還是由于孔隙率或比表面積越小，熱解過程中顆粒內(nèi)外形成的壓力差都會越大，那么煤粉顆粒的膨脹也會越大.由式(13)和式(14)可知，最大膨脹率和煤焦膨脹率與1/X呈現(xiàn)出負的指數(shù)關(guān)系，表明雖然隨著參數(shù)X的增大，煤粉顆粒的最大膨脹率和煤焦膨脹率增大，但是增大的幅度在減緩.這是因為煤粉顆粒膨脹得越大，煤粉顆粒的孔隙率和比表面積增大得越多，這有利于顆粒內(nèi)部壓力的釋放，從而減緩煤粉顆粒的膨脹.

4 結(jié) 論

(1) 煤粉顆粒的最大膨脹率和煤焦膨脹率隨著官能團含量的上升而增大，隨著孔隙率或比表面積的增大而減小.

(2) 在外界條件一定時，煤粉顆粒的膨脹只與煤本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，所定義的參數(shù)X反映了煤粉顆粒本身的膨脹能力.

(3) 隨著參數(shù)X的增大，熱解過程中煤粉顆粒的最大膨脹率和煤焦膨脹率均增大，但是增大的幅度在減緩.

[1] 李乾坤, 周勁松, 駱仲泱, 等. 煤種及熱解條件對煤焦脫除煙氣汞的影響[J]. 動力工程學(xué)報, 2012, 32(6): 463-468.

LI Qiankun, ZHOU Jinsong, LUO Zhongyang,etal. Effect of coal type and pyrolysis condition on removal efficiency of flue gas mercury by coal char[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2012, 32(6): 463-468.

[2] 夏芝香, 岑建孟, 唐巍, 等. 熱解溫度對2種煤在流化床中熱解產(chǎn)物的影響[J]. 動力工程學(xué)報, 2015, 35(10): 792-797, 839.

XIA Zhixiang, CEN Jianmeng, TANG Wei,etal. Effects of pyrolysis temperature on pyrolysis products of two kinds of coal in a fluidized-bed reactor[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2015, 35(10): 792-797, 839.

[3] 虞君武, 陳永利, 何榕, 等. FD模型應(yīng)用于煤熱解過程的數(shù)值模擬[J]. 化工學(xué)報, 2014, 65(9): 3592-3598.

YU Junwu, CHEN Yongli, HE Rong,etal. Numerical simulation of coal pyrolysis using FD model[J]. CIESC Journal, 2014, 65(9): 3592-3598.

[4] SOLOMON P R, SERIO M A, SUUBERG E M. Coal pyrolysis: experiments, kinetic rates and mechanisms[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 1992, 18(2): 133-220.

[5] SIMONS G A. Coal pyrolysis II. species transport theory[J]. Combustion and Flame, 1984, 55(2): 181-194.

[6] HE Rong, SATO J I, CHEN Changhe. Modeling char combustion with fractal pore effects[J]. Combustion Science and Technology, 2002, 174(4): 19-37.

[7] KHAN M R, JENKINS R G. Swelling and plastic properties of coal devolatilized at elevated pressures: an examination of the influences of coal type[J]. Fuel, 1986, 65(5): 725-731.

[8] YU Dunxi, XU Minghou, YU Yun,etal. Swelling behavior of a Chinese bituminous coal at different pyrolysis temperatures[J]. Energy & Fuels, 2005, 19(6): 2488-2494.

[9] GALE T K, BARTHOLOMEW C H, FLETCHER T H. Decreases in the swelling and porosity of bituminous coals during devolatilization at high heating rates[J]. Combustion and Flame, 1995, 100(1/2): 94-100.

[10] STREZOV V, LUCAS J A, WALL T F. Effect of pressure on the swelling of density separated coal particles[J]. Fuel, 2005, 84(10): 1238-1245.

[11] MELIA P F, BOWMAN C T. A three zone model for coal particle swelling[J]. Combustion Science and Technology, 1983, 31(3/4): 195-201.

[12] SOLOMON P R, SERIO M A, HAMBLEN D G,etal. Measurement and modeling of advanced coal conversion processes[R]. Washington D C, USA: USDOE, 1992.

[13] YU Jianglong, LUCAS J, WALL T F,etal. Modeling the development of char structure during the rapid heating of pulverized coal[J]. Combustion and Flame, 2004, 136(4): 519-532.

[14] LIANG Zhanggang, HE Rong, CHEN Qun,etal. Fractal generation of char pores through random walk[J]. Combustion Science and Technology, 2007, 179(3): 637-661.

[15] CHEN Yongli, HE Rong. Fragmentation and diffusion model for coal pyrolysis[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2011, 90(1): 72-79.

[16] CAO Liyong, HE Rong. Gas diffusion in fractal porous media[J]. Combustion Science and Technology, 2010, 182(7): 822-841.

[17] OH M S, PETERS W A, HOWARD J B. An experimental and modeling study of softening coal pyrolysis[J]. AIChE Journal, 1989, 35(5): 775-792.

[18] SHENG Changdong, AZEVEDO J L T. Modeling the evolution of particle morphology during coal devolatilization[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2000, 28(2): 2225-2232.

[19] GALE T K, FLETCHER T H, BARTHOLOMEW C H. Effects of pyrolysis conditions on internal surface areas and densities of coal chars prepared at high heating rates in reactive and nonreactive atmospheres[J]. Energy & Fuels, 1995, 9(3): 513-524.

[20] GAVALAS G R, CHEONG P H K, JAIN R. Model of coal pyrolysis. 1. qualitative development[J]. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1981, 20(2): 113-122.

Relationship Between Swelling Behavior and Physical/Chemical Properties of Coal Particles During Pyrolysis

ZHANG Shengcheng, HE Rong

(Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

To investigate the coal particle swelling behavior during pyrolysis, a numerical model was developed by using the fractal pore model to generate the coal particle pore structure, and then to describe the chemical reactions, gas diffusion and the swelling and contraction behavior of coal particles during pyrolysis. Based on fitted curves with model results, a differential equation was obtained to describe the coal particle swelling, which was validated by comparing with predicted results of other researchers, and was then used to study the effects of following factors on the swelling, such as the functional group content, particle porosity and specific surface, etc., and finally a comprehensive parameterXwas defined to characterize the swelling ability of coal particles in consideration of above factors. Results show that both the maximum coal particle swelling ratio and the char swelling ratio increase with rising functional group content, and with reducing porosity and specific surface area. The larger theXis, the greater the swelling of coal particles will be during pyrolysis.

coal; pyrolysis; functional group; pore; swelling

2016-01-04

2016-02-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51176096)

張盛誠(1988-)，男，湖北黃岡人，博士，研究方向為煤的熱解. 電話(Tel.)：15800648491； E-mail：zsc19881218@163.com.

1674-7607(2016)12-0951-07

TQ530.2

A 學(xué)科分類號：470.10