萇 亮

(北京低碳清潔能源研究院 北京 102209)

0 引 言

煤炭是我國主體能源，隨著環(huán)保要求日益提高，煤炭的高效清潔利用成為煤炭工業(yè)發(fā)展的重要方向[1]。其中，煤熱解是煤炭高效清潔利用的重要手段[2-6]，但目前煤熱解技術(shù)諸多工藝中存在反應(yīng)過程煤破碎粉化嚴(yán)重的共性問題：干燥、熱解過程的熱作用使煤粉塵量激增導(dǎo)致煤粉爆燃風(fēng)險升高；熱解氣中含大量煤粉導(dǎo)致除塵系統(tǒng)負(fù)荷增大甚至無法正常運轉(zhuǎn)；煤粉堵塞系統(tǒng)管道、設(shè)備導(dǎo)致生產(chǎn)停車；焦油產(chǎn)品夾帶煤粉難以分離從而降低焦油品質(zhì)等。國內(nèi)外對煤熱解過程中破碎粉化現(xiàn)象進(jìn)行了較多的研究，CHIRONE等[7]和BEER等[8]發(fā)現(xiàn)煤顆粒受熱破碎主要由煤內(nèi)揮發(fā)分析出導(dǎo)致；LI等[9]研究了流化床反應(yīng)器中褐煤的破碎特性，發(fā)現(xiàn)隨熱解溫度升高，褐煤破碎程度加劇且破碎后產(chǎn)生碎片數(shù)量逐漸增多；ZHANG等[10]研究了停留時間對煤破碎特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨停留時間增加，破碎指數(shù)出現(xiàn)峰值；PAPRIKA等[11]發(fā)現(xiàn)煤顆粒中心和環(huán)境的溫度差是破碎的主要原因，提高熱解終溫會使顆粒內(nèi)部溫差升高，且顆粒越大對溫度越敏感；BASU等[12]認(rèn)為煤顆粒的膨脹系數(shù)是影響破碎的關(guān)鍵因素；步學(xué)朋等[13]發(fā)現(xiàn)煤中內(nèi)水在高溫下產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力超過煤自身的極限抗張強(qiáng)度是導(dǎo)致發(fā)生熱爆裂的主要因素之一。目前針對煤熱破碎的研究結(jié)果主要由熱重儀或小型實驗室裝置獲得，試驗結(jié)果對實際煤熱解工業(yè)應(yīng)用的指導(dǎo)有限。

回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單，處理量大，窯內(nèi)部熱源氣體與煤直接接觸強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱，可提高煤熱解轉(zhuǎn)化率等特點，被廣泛應(yīng)用于煤熱解工藝[14]。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱解溫度、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、停留時間等均為回轉(zhuǎn)窯設(shè)計的重要參數(shù)，熱解溫度較高、轉(zhuǎn)速較快、停留時間較長能夠強(qiáng)化窯內(nèi)物料氣-固傳熱及固-固傳熱效果[15]，有利于提高熱解效率，但同時加劇了窯內(nèi)物料的碎裂粉化情況，增大了除塵系統(tǒng)的負(fù)荷、造成后續(xù)設(shè)備堵塞，所以選取合適的回轉(zhuǎn)窯參數(shù)對回轉(zhuǎn)窯熱解工藝至關(guān)重要。選用100 kg級回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器，對神華補(bǔ)連塔礦區(qū)神東煤進(jìn)行干燥、熱解試驗，研究了反應(yīng)過程中由于熱應(yīng)力及回轉(zhuǎn)機(jī)械力造成的碎裂粉化特性，明確不同工藝條件下神東煤破碎規(guī)律，對神東煤回轉(zhuǎn)窯熱解過破碎影響因素進(jìn)行主次分析，并建立破碎過程粒徑關(guān)聯(lián)函數(shù)模型，為回轉(zhuǎn)窯熱解參數(shù)設(shè)計、工藝條件選取、氣體除塵方案的開發(fā)等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對神東煤熱解工藝的優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)具有實際指導(dǎo)意義。

1 原料分析

試驗選用神華補(bǔ)連塔礦區(qū)神東煤，煤質(zhì)工業(yè)分析及元素分析見表1。

表1 樣品工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of the samples %

2 試 驗

2.1 回轉(zhuǎn)窯破碎試驗

煤的碎裂粉化試驗裝置采用回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器?；剞D(zhuǎn)窯參數(shù)：窯筒體直徑400 mm，長3 500 mm；材質(zhì)310S；設(shè)計溫度900 ℃；設(shè)計壓力為-0.5～5.0 kPa；驅(qū)動形式為變頻電機(jī)傳動；回轉(zhuǎn)窯外壁布置電加熱套，作為干燥、熱解過程熱源，回轉(zhuǎn)窯被電加熱套覆蓋的區(qū)域為等溫區(qū)域。

回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料：準(zhǔn)備好的原煤由進(jìn)煤罐送至推煤桿頂端的受煤斗，推動推煤桿，當(dāng)受煤斗送至回轉(zhuǎn)窯中間位置時轉(zhuǎn)動推煤桿，受煤斗內(nèi)的煤落入回轉(zhuǎn)窯。

回轉(zhuǎn)窯出料：回轉(zhuǎn)窯的窯頭(進(jìn)煤端)位置下方裝有液壓裝置，回轉(zhuǎn)窯的所有管口由軟管連接，出料時通過液壓可以提升窯頭使窯體傾斜4°，然后經(jīng)由窯體轉(zhuǎn)動排料。

回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)反應(yīng)器工藝流程Fig.1 Schematic diagram of rotary reactor process

破碎試驗具體操作方法為：

1)打開回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器溫度控制器，進(jìn)入程序升溫過程，設(shè)定回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度；打開N2預(yù)熱器、PSA制氮機(jī)，調(diào)節(jié)N2流量為3 m3/h，N2預(yù)熱器為電加熱，將N2加熱至設(shè)定溫度進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，N2為反應(yīng)保護(hù)氣；調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向(正轉(zhuǎn))，以2 r/min 起步運行。

2)試驗?zāi)繕?biāo)溫度低于200 ℃時，達(dá)到溫度后由進(jìn)煤罐向回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料；若試驗?zāi)繕?biāo)溫度高于200 ℃，當(dāng)回轉(zhuǎn)窯溫度升至200 ℃左右時，進(jìn)煤罐向回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料4 kg，反應(yīng)過程產(chǎn)生的氣體排入氣柜進(jìn)行收集。

3)待回轉(zhuǎn)窯升到指定溫度后調(diào)節(jié)相應(yīng)轉(zhuǎn)速，開始計時保溫。反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉回轉(zhuǎn)窯和預(yù)熱器溫度控制開關(guān)，停止加熱，N2保持通入回轉(zhuǎn)窯，待回轉(zhuǎn)窯溫度降到80 ℃以下后，關(guān)閉N2，進(jìn)行出料，排至出料接收罐。

2.2 試驗參數(shù)

試驗分別考察溫度、停留時間、轉(zhuǎn)速對煤破碎的影響。其中：溫度(加熱終溫)取120、200、300、400、500、600、700 ℃；停留時間(達(dá)到加熱終溫后的停留時間)選取20、30、40、60 min；根據(jù)工業(yè)應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速在0.4～10.0 r/min[16]，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速選取2、4、6、8、10 r/min；神東煤進(jìn)料粒度選取25～13 mm。

2.3 篩分試驗方法

篩分試驗所需設(shè)備：大篩分篩，采用金屬絲編織的方孔篩網(wǎng)(φ=300 mm)，孔徑尺寸為：25、13、6、3、1 mm；小篩分篩，主系列用篩(φ=200 mm)：0.500、0.250、0.125、0.075 mm；XSB-88標(biāo)準(zhǔn)篩振篩機(jī)，上海樹立科技有限公司；電子天平(感量0.01 g)，上海精天電子儀器有限公司。

將經(jīng)回轉(zhuǎn)窯熱解后的煤樣收集、冷卻后篩分。篩分按照由最大篩孔向最小篩孔方向進(jìn)行，分為大、小篩分2個過程。

1)大篩分試驗過程，勻速往復(fù)搖動篩子，移動距離約150 mm，直至篩凈。此外，每次篩分新加入煤樣量應(yīng)保證篩分后，試驗覆蓋篩面面積小于75%，且篩上煤粒能與篩面充分接觸，達(dá)到篩分效果。

2)小篩分試驗過程，將試驗篩按照篩孔徑由大到小，自上而下排列好，套上篩底，將煤樣放入最上層試驗篩內(nèi)，蓋好篩蓋。將試驗篩置于標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)上，啟動機(jī)器，開啟定時器，每隔5 min停機(jī)一次，用手篩檢查。檢查時，依次從上至下取下試驗篩置于盤中，手篩1 min，若篩下物質(zhì)量不超過篩上物質(zhì)量的1%時，即為篩凈。篩下物倒入下一粒級篩中，各個粒度級均應(yīng)進(jìn)行檢查。

3)篩分過后，稱量各個粒度級并測定相應(yīng)指標(biāo)。篩分過程應(yīng)避免使用外力強(qiáng)制物料過篩。

2.4 煤破碎程度表征方法

為準(zhǔn)確表征煤熱解過程破碎程度[17-18]，提出以下表征指標(biāo)：

1)總碎裂率α。基于GB/T 17608—2006《煤炭產(chǎn)品品種和等級劃分》[19]對試驗進(jìn)料煤采用粒度25～13 mm的小塊煤。小塊煤在回轉(zhuǎn)窯干燥和熱解過程中會在物理和化學(xué)因素作用下碎裂，生成碎裂產(chǎn)物。將產(chǎn)物中粒度小于13 mm的產(chǎn)物定義為碎裂產(chǎn)物，將碎裂產(chǎn)物與總產(chǎn)物的比值定義為總碎裂率α，表征產(chǎn)物總體碎裂程度：

(1)

其中，m1為碎裂產(chǎn)物總質(zhì)量，kg；m為總產(chǎn)物質(zhì)量，kg?？偹榱崖师猎酱螅傮w煤樣碎裂狀況越嚴(yán)重，保持原有粒度性能越低。

2)粉化率β。定義小于1 mm碎裂產(chǎn)物所占總產(chǎn)物的百分比為粉化率β，用以表征產(chǎn)物粉化狀況。

(2)

其中，m2為<1 mm產(chǎn)物質(zhì)量，kg。粉化率β越大，則碎裂成細(xì)粉的狀況越嚴(yán)重，粉化程度越高。

(3)

其中，xi為某一篩分粒徑下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；di為某一篩分粒度下的平均直徑，取算術(shù)平均值，具體形式為

(4)

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對神東煤碎裂粉化影響

煤的熱解歷程受溫度直接影響，溫度越高，煤熱解反應(yīng)越充分，同時造成了煤在回轉(zhuǎn)窯中的熱碎裂、粉化。在轉(zhuǎn)速4 r/min，達(dá)到加熱終溫后停留時間30 min，入料粒度25～13 mm條件下，加熱終溫分別選取120、200、300、400、500、600、700 ℃，所得產(chǎn)物的粒級分布如圖2所示。

圖2 不同溫度對產(chǎn)物各粒級分布的影響Fig.2 Influence of different temperatures on the distribution of each particle size of the product

由圖2可知，溫度由120 ℃升至300 ℃，產(chǎn)物以25～13 mm和13～6 mm粒級為主；25～13 mm粒級占比由79.52%降至68.91%，13～6 mm粒級占比由17.44%升至19.88%；6～3 mm和3～1 mm產(chǎn)物占比分別由0.89%、0.44%升至2.91%、1.14%；其他粒級(<1 mm)占比略有升高。

在400～700 ℃熱解階段，仍以25～13 mm和13～6 mm粒級為主，25～13 mm粒級產(chǎn)率隨溫度升高由50.93%降至31.26%；13～6 mm由36.86%增至43.91%，當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時，13～6 mm產(chǎn)率已超過25～13 mm產(chǎn)率。6～3、3～1、1.0～0.5、0.50～0.25、0.250～0.125、0.125～0.075、<0.075 mm的粒級比率分別由4.92%、1.53%、1.70%、1.75%、0.90%、0.94%、0.45%升高至5.40%、2.88%、3.52%、3.95%、2.43%、3.05%、3.59%。

神東煤總碎裂率α和粉化率β的變化情況如圖3所示。溫度由120 ℃升至300 ℃，α由20.48%升至31.09%；溫度由400 ℃升至700 ℃，α由49.08%升至68.74%；由圖3可知，400～700 ℃時，總破碎率的上升趨勢高于120～300 ℃時，可見高溫?zé)峤鈱γ旱钠扑槌潭却笥诟稍锩撍A段。

圖3 破碎率α和粉化率β隨溫度變化曲線Fig.3 Variation curves of α and β with different temperature

溫度由120 ℃升至700 ℃，β由1.70%升至16.55%，由圖3可知，隨著溫度的升高，粉化率上升趨勢也逐漸增大，但是上升程度小于α。

3.2 停留時間對神東煤碎裂粉化影響

在干燥溫度120 ℃、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速為4 r/min、達(dá)到加熱終溫后停留時間為20、30、40、60 min條件下產(chǎn)物各粒級分布如圖4所示。

圖4 干燥過程停留時間對產(chǎn)物各粒級分布的影響Fig.4 Influence of residence time on the distribution of each particle size of the product in drying process

由圖4可知，停留時間由20 min增至60 min，25～13 mm粒級產(chǎn)率由84.35%降至74.98%；13～6 mm粒級產(chǎn)率由13.21%升高至19.42%，6～3 mm粒級產(chǎn)率由0.71% 增至1.21%，小于3 mm粒級產(chǎn)率增幅均小于1%。分析產(chǎn)物的碎裂情況可知，干燥過程停留時間對較大粒級產(chǎn)物25～13、13～6 mm的產(chǎn)率影響更大。

干燥過程破碎率α和粉化率β隨停留時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨停留時間增加，產(chǎn)物總碎裂率α由15.66%升至25.03%，粉化率β由1.32%升至3.62%，可見，干燥過程停留時間對煤樣的影響以破碎為主，對粉化影響較低。

圖5 干燥過程破碎率α和粉化率β隨停留時間變化曲線Fig.5 Variation curves of α and β with residence time in drying process

熱解溫度600 ℃、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速為4 r/min、達(dá)到加熱終溫后停留時間為20、30、40、60 min條件下產(chǎn)物各粒級分布如圖6所示。

由圖6可知，產(chǎn)物中25～13 mm粒級產(chǎn)率由40.88% 降至31.79%；13～6 mm粒級產(chǎn)物為碎裂主產(chǎn)物，產(chǎn)率由38.81%升至43.75%；6～3 mm粒級產(chǎn)率由5.39%升至6.07%，小于3 mm的各粒級產(chǎn)物產(chǎn)率均低于4%。從13～6、6～3、3～1 mm的粒級產(chǎn)物比例在40 min時達(dá)到最大值，到60 min時又出現(xiàn)下降趨勢，說明增加停留時間會加劇二次破碎的程度。

熱解過程破碎率α和粉化率β隨停留時間變化曲線如圖7所示，隨停留時間增加，總碎裂率α由59.12%升至68.22%，增加9.10%；粉化率β由12.36% 升至15.71%，增加3.35個百分點。

圖7 熱解過程破碎率α和粉化率β隨停留時間變化曲線Fig.7 Variation curves of α and β with residence time in pyrolysis process

3.3 回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速對神東煤碎裂粉化影響

在干燥溫度120 ℃，達(dá)到加熱終溫后的停留時間為30 min，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速為2、4、6、8、10 r/min條件下所得產(chǎn)物各粒級分布如圖8所示。

圖8 干燥過程轉(zhuǎn)速對產(chǎn)物各粒級分布的影響Fig.8 Influence of rotating speed on the distribution of each particle size of the product in drying process

由圖8可知，轉(zhuǎn)速由2 r/min增至10 r/min，25～13 mm粒級產(chǎn)率由82.46%降至60.75%；小于入料粒度的產(chǎn)量逐漸增加：13～6 mm粒級產(chǎn)率由15.39% 增至26.96%，6～3 mm粒級產(chǎn)率由0.52%增至3.80%；小于3 mm粒級產(chǎn)率均低于4%。在干燥條件下，轉(zhuǎn)速對產(chǎn)物破碎的影響主要體現(xiàn)在25～13 mm產(chǎn)率降低和13～6 mm產(chǎn)率升高，即對大塊物料的碎裂影響更明顯；6 mm以下各粒級比例雖有所上升，但升幅較小。

干燥過程破碎率α和粉化率β隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖9所示，隨轉(zhuǎn)速升高，α由17.54%升至39.25%，增加21.71個百分點；β由1.26%增至6.82%，增加5.56個百分點。干燥過程中，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致神東煤碎裂和粉化程度增大，但對碎裂的影響程度明顯高于粉化。

圖9 干燥過程破碎率α和粉化率β隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.9 Variation curves of α and β with rotating speed in drying process

熱解溫度600 ℃時，達(dá)到加熱終溫后停留時間30 min，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速為2、4、6、8、10 r/min條件下產(chǎn)物各粒級分布如圖10所示。

圖10 熱解過程轉(zhuǎn)速對產(chǎn)物各粒級分布的影響Fig.10 Influence of rotating speed on the distribution of each particle size of the product in pyrolysis process

由圖10可知，轉(zhuǎn)速由2 r/min升至10 r/min，熱解產(chǎn)物保持原有粒度的能力降低。其中產(chǎn)物中25～13 mm粒級產(chǎn)率由38.52%降至28.57%；13～6 mm粒級產(chǎn)物為碎裂主產(chǎn)物，產(chǎn)率由42.35%升至48.41%，其占比已超過25～13 mm；6～3 mm粒級產(chǎn)率由5.75%升至6.18%后又降至5.32%；3～1、1.0～0.5和0.50～0.25 mm粒級比例變化不大，在2.52%～4.15%；小于0.25 mm粒級產(chǎn)率增加，0.250～0.125、0.125～0.075和<0.075 mm粒級產(chǎn)率分別由1.72%、1.72%、1.32%增加至2.44%、3.12%、3.28%。

熱解過程破碎率α和粉化率β隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖11所示，隨轉(zhuǎn)速升高，α由61.49%升至71.43%，增加9.94個百分點。β由10.87%增至15.08%，增加4.21個百分點。

圖11 熱解過程破碎率α和粉化率β隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.11 Variation curves of α and β with rotating speed in pyrolysis process

3.4 影響碎裂粉化因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

針對神東煤回轉(zhuǎn)窯熱解過程影響破碎因素的主次分析，采用灰色關(guān)聯(lián)分析的量化評價方法[20]，以加熱終溫、停留時間、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速作為比較序列，以總碎裂率α和粉化率β作為參考序列，對原始數(shù)據(jù)初始化處理，計算得到參考序列和比較序列的絕對差和兩級最小差和最大差，求得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)：

(5)

式中，p為分辨系數(shù)，取0.5；i為試驗次數(shù)；k為因素數(shù)量；Δi(k)為參考序列和比較序列的絕對值；min[minΔi(k)]、max[maxΔi(k)]分別為2者的兩級最小差和最大差絕對值。

通過計算各影響因素灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值得出灰色關(guān)聯(lián)度。具體計算方法見文獻(xiàn)[20]，計算結(jié)果見表2。

表2 影響碎裂粉化因素的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果Table 2 Gray correlation analysis results of factors affecting crushing and pulverization

由表2可知，回轉(zhuǎn)窯熱解試驗的3種反應(yīng)條件，對產(chǎn)物總碎裂率和粉化率的影響順序一致。加熱終溫影響程度最大，其次是停留時間，最后是回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速。當(dāng)加熱終溫升高時，顆粒內(nèi)部溫度梯度變大，同時煤顆粒內(nèi)部孔隙的存在增大了傳熱阻力，使煤顆粒內(nèi)部溫度傳遞減緩，增大溫度梯度，造成熱應(yīng)力增大；另一方面，由于煤顆粒本身存在一定孔隙，當(dāng)熱應(yīng)力作用于煤顆粒時，最先發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的是孔隙率較大的部位，即機(jī)械強(qiáng)度較低處，當(dāng)熱應(yīng)力超過煤顆粒本身材料的屈服強(qiáng)度時，會以原先存在的孔隙為基礎(chǔ)產(chǎn)生裂紋發(fā)生碎裂粉化[21]。加熱終溫升高亦增大了煤的熱解進(jìn)程，加快揮發(fā)分的脫除速度，煤中活化分子裂解反應(yīng)加快，析出的揮發(fā)分產(chǎn)率增大，加劇了煤粒發(fā)生碎裂粉化。

停留時間對產(chǎn)物破碎的影響體現(xiàn)在熱解深度和機(jī)械破碎2方面。在同一熱解溫度下增加停留時間使煤熱解反應(yīng)趨向于平衡狀態(tài)，揮發(fā)分逸出行為更加徹底，增強(qiáng)了產(chǎn)物的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步弱化了煤粒的物理結(jié)構(gòu)；此外，過長的停留時間增加了煤在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)揚起、掉落造成的煤顆粒間摩擦碰撞概率，增加了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)構(gòu)件對煤顆粒的機(jī)械碰撞，加劇煤粒碎裂粉化程度，但影響程度弱于加熱終溫造成的影響。溫度和時間充分反映了熱化學(xué)過程導(dǎo)致的煤碎裂粉化。

轉(zhuǎn)速對產(chǎn)物破碎主要體現(xiàn)在通過窯體機(jī)械力增加了單位時間內(nèi)煤粒之間、煤粒與窯壁及內(nèi)構(gòu)件之間的碰撞次數(shù)，屬于物理因素導(dǎo)致的煤碎裂粉化；但在停留時間較短的情況下，轉(zhuǎn)速對煤粒碎裂粉化程度的影響較弱。煤的碎裂粉化過程，熱化學(xué)影響因素遠(yuǎn)大于物理因素，在一定程度上也反映了煤的熱化學(xué)反應(yīng)特征。

3.5 神東煤破碎過程粒徑關(guān)聯(lián)函數(shù)模型的建立及驗證

通過對神東煤熱解過程反應(yīng)溫度、停留時間、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速3種反應(yīng)條件對神東煤破碎影響的試驗及分析結(jié)果，對神東煤破碎前后平均粒徑建立數(shù)學(xué)模型，通過分析破碎的影響因素及破碎情況，應(yīng)用Origin軟件研究回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器中神東煤破碎前后的平均粒徑關(guān)聯(lián)情況，建立2者關(guān)聯(lián)的函數(shù)模型[18]：

(6)

式中，Dout為煤破碎后的平均粒徑，mm；T為反應(yīng)終溫，℃；R為回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器轉(zhuǎn)速，r/min；t為反應(yīng)時間，min；Din為煤破碎前的平均粒徑，mm；m、b、c、d、e為參數(shù)。

Dout=kTbRctd。

(7)

對式(7)兩側(cè)取對數(shù)可得式(8)：

lnDout=lnk+blnT+clnR+dlnt。

(8)

利用Origin軟件對神東煤在回轉(zhuǎn)窯中反應(yīng)后的粒徑與破碎影響因素進(jìn)行分析計算得：k=82.987 5，b=-0.239 2，c=-0.115 2，d=-0.086 0。神東煤破碎試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.989 4，能較準(zhǔn)確描述破碎后平均粒徑與各因素參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，即：

Dout=82.639 7T-0.238 4R-0.111 6t-0.088 5。

(9)

為驗證關(guān)聯(lián)模型對神東煤回轉(zhuǎn)窯熱解過程的適用性，通過式(9)計算各條件下破碎后的平均粒徑，并與試驗所得破碎后平均粒徑對比，獲得計算值與試驗值的誤差，結(jié)果見表3。

表3 粒徑關(guān)聯(lián)模型計算值與試驗值對比Table 3 Comparison of calculated results of particle size correlation model and experimental results

續(xù)表

由表3可知，神東煤在回轉(zhuǎn)窯熱解過程破碎后的平均粒徑計算值與試驗值的相對誤差均在5%以內(nèi)，表明粒徑關(guān)聯(lián)函數(shù)模型能較好地反映不同因素影響下神東煤破碎后的平均粒徑，從而能預(yù)測回轉(zhuǎn)窯熱解破碎程度，為神東煤在回轉(zhuǎn)窯熱解破碎后粒徑分布進(jìn)行量化調(diào)控，為神東煤熱解過程中煤粉爆燃預(yù)警、除塵系統(tǒng)負(fù)荷過載預(yù)警控制系統(tǒng)的開發(fā)提供技術(shù)數(shù)據(jù)，有效提高神東煤回轉(zhuǎn)窯熱解運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié) 論

1)回轉(zhuǎn)窯熱解過程，隨溫度升高(120～700 ℃)，神東煤產(chǎn)物總碎裂率α由20.48%升至68.74%，粉化率β由1.70%升至16.55%；停留時間增加，總碎裂率α由15.66%升至68.22%，粉化率β由1.32%增至15.71%；回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速增加，總碎裂率α由17.54%升至71.43%，粉化率β由1.26%增至15.08%。

2)通過神東煤碎裂粉化因素的灰色關(guān)聯(lián)分析得出，3種因素(反應(yīng)終溫、停留時間、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速)對產(chǎn)物總碎裂率和粉化率的影響順序一致，其中加熱終溫影響程度最大，其次是停留時間，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速在3種因素中影響程度最小。

3)建立了神東煤熱解破碎過程粒徑關(guān)聯(lián)函數(shù)模型，充分反映了煤熱解溫度、停留時間和轉(zhuǎn)速對粒徑分布的關(guān)系。經(jīng)驗證，破碎后平均粒徑計算值與試驗值的相對誤差均在5%以內(nèi)，函數(shù)模型能較好地預(yù)測神東煤在回轉(zhuǎn)窯熱解過程中破碎后的粒度變化情況，為神東煤回轉(zhuǎn)窯熱解應(yīng)用中通過調(diào)整工藝條件對煤粒徑分布進(jìn)行量化調(diào)控，減小煤粉爆燃的風(fēng)險，減少除塵系統(tǒng)負(fù)荷以及為回轉(zhuǎn)窯設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。