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《中国矿业大学》 2016年
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流化床褐煤干燥的微波强化传热传质机制

司崇殿  
【摘要】:中国已探明的褐煤保有储量约占全国煤炭总储量的13%左右。因为褐煤具有高含水量、低热值和易自燃等缺点,限制了褐煤的资源化应用。通过干燥脱水后的褐煤,有利于贮存和长距离运输,同时也有利于褐煤其他方面的应用,如制备水煤浆、气化、液化和燃烧等。本论文利用我国蒙东地区丰富的褐煤资源,研究褐煤在流化床微波强化干燥过程中的流动特性、干燥特性、干燥传热传质机理和工艺路线,符合我国可持续发展战略和节能减排要求。流化床微波强化干燥褐煤技术有望实现褐煤的大规模提质利用,具有较好的市场前景和应用价值。通过表观气速和床层压降的关系可以确定流化床褐煤的最小流化速度。实验结果表明:煤样装填量和颗粒粒度对床层压降影响较大。褐煤的最小流化速度随气体温度的升高有所减小,而随颗粒粒度的增大而增大,与床层高度关系不大。采用欧拉-欧拉双流体模型对冷态流化床褐煤的流动特性进行数值模拟,采用Syamlal-O’Brien曳力模型和有限体积法控制方程的离散,床层压降和最小流化床速度模拟结果与实验结果吻合良好。流化床微波强化干燥实验结果表明:随着微波功率和气体温度的增大,褐煤脱水率增大,干燥效果较好;干燥初期褐煤脱水率随着气体速度的增大而增大;粒度对褐煤微波流化干燥效果的影响较小。对不同干燥条件下的褐煤干燥特性进行研究,发现相对于热风流化干燥和微波干燥,褐煤流化床微波强化干燥过程的干燥时间最短,干燥速率最快。褐煤流化床微波强化干燥过程恒速干燥阶段不太明显,干燥过程主要发生在预热阶段和降速阶段。采用多元线性回归法和最小二乘法得到褐煤流化床微波强化干燥过程的模型方程,模型方程中主要包括颗粒粒度、微波功率、微波时间、气体温度和气体速度等参数。采用不同多孔物料平衡水分经验模型,对褐煤平衡水分曲线进行非线性拟合,将参数带入改进的GAB模型,得到褐煤平衡水分计算模型公式。基于Fick扩散第二定律,得到不同粒径下的褐煤流化床微波强化干燥过程中有效水分扩散系数与温度之间的关系。采用仪器分析法表征褐煤的含氧官能团和孔隙结构,发现流化床微波强化干燥前后褐煤的大分子骨架结构基本不变,干燥后褐煤官能团的吸收峰强度发生了一定的变化。流化床微波强化干燥后褐煤的碳碳键或碳氢键摩尔比例与原煤相比有所增加,但是碳氧单键类(包括酚碳或醚碳)、羰基基团和羧基基团等三种官能团的摩尔比例均有所降低。随着气体温度和气体速度的增大,水分脱除速度有所加快,同时褐煤的裂纹和破碎也有所增加。比表面积随着干燥时间的延长和微波功率的增大先减小后增大,随气体温度和气体速度的增大而减小。总孔容和平均孔径随着干燥时间的延长和微波功率的增大先增大后减小,随气体温度和气体速度的增大而减小。利用流体力学模拟软件对褐煤流化床干燥过程的模拟,得到了褐煤流化床干燥特性曲线,并将数值模拟值与实验结果进行对比,验证了数学模型的正确性。通过对微波干燥褐煤传热传质方程进行离散,发现微波功率越大褐煤的干燥速率越大,褐煤微波干燥实验值与模型预测值吻合较好。在褐煤流化床干燥传热传质数值模拟的基础上,利用流体力学模拟软件模拟流化床微波强化干燥褐煤传热传质。发现不同条件下流化床微波强化干燥褐煤的传热系数与颗粒体积分数和努塞尔数分布相似,分析了微波功率、气体温度和气体速度对流化床微波强化干燥褐煤传热系数的影响。结果表明:随着微波功率、气体速度和气体温度的增大,流化床微波强化干燥的气固相间传热系数增大;随着干燥时间的延长,气固相间的传热系数逐渐减小。考察了干燥时间、微波功率、气体温度和气体速度等参数对褐煤干燥后的粒度分布和破碎率的影响。结果表明,随着干燥时间的延长,褐煤的颗粒分布越来越宽,褐煤的破碎率也增大。微波功率、气体温度和气体速度增大,褐煤水分脱除速率加快,其褐煤内部产生的湿应力增大。由于干燥后期水分的减小,褐煤内部产生的热应力也逐渐增大,因此在流化干燥过程中因颗粒碰撞导致的细颗粒也越来越多。流化床干燥技术和微波干燥技术能耗较高,其中单一微波干燥能耗最高,大约是流化床微波强化干燥的1.7倍,因此采用多能量场耦合的技术可以降低褐煤干燥过程的能耗。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TD849.2

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