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《浙江大学》 2009年
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低阶煤水热改性制浆的微观机理及燃烧特性研究

赵卫东  
【摘要】:我国褐煤等低阶煤资源储量丰富,但由于含水量大、热值低等特点,应用范围受到限制。常规方式干燥后的褐煤具有重复吸水能力和易自燃的特点,不适于长途外运,多用于坑口电厂直接燃烧应用。 水热处理可以有效降低低阶煤内在水分和氧含量,抑制其易自燃特性;水热处理后低阶煤不再重复吸水,同时热值升高,应用领域得到拓宽。改性后低阶煤制备水煤浆,可以替代部分石油燃料应用于工业生产。 本文围绕褐煤、亚烟煤等低阶煤的水热脱水改性、浆体燃料制备及其燃烧特性,进行了以下工作。 采用热重等温干燥的方法,对褐煤的脱水过程进行了机理分析,得出褐煤等温干燥过程可以分成两个阶段,分别受毛细管束缚力和吸附/脱附机理控制。 构建试验台并采用“非蒸发”的水热方法对低阶煤进行脱水改性,得出改性终温、反应釜初始压力对改性过程影响显著。改性后低阶煤挥发分含量降低、固定碳含量以及热值升高,氧/碳原子比降低表明改性过程使煤阶有所升高。水热处理过程中有一定浓度的H2S生成,说明水热处理具有一定的脱硫效果。 成浆性试验表明,改性后低阶煤水煤浆仍具备“剪切变稀”的假塑性流体特征;提高反应终温或反应釜初始压力可以明显提高低阶煤的成浆浓度,并有利于改善浆体的流动性和稳定性;停留时间延长对成浆浓度提高作用不明显,但却有利于改善稳定性;装样量以及干煤/水比对成浆性能提高无明显影响。改性后小龙潭褐煤的最大成浆浓度可以由44.6%(原煤)提高到64.55%,其它低阶煤的最大成浆浓度也基本可以提高至60%左右。 对改性前后低阶煤的理化特征进行分析,总结出水热处理对成浆性能改善的机理主要包括以下几个方面:改性后低阶煤孔隙结构发生了变化,孔比表面积降低与成浆浓度提高存在对应关系,半径小于1000nm孔的孔容积减小也是成浆浓度提高的原因;亲水性的羧基、酚羟基等含氧基团含量降低,提高了低阶煤表面的斥水性,增大了煤水界面接触角,使低阶煤束缚水能力减弱,导致内在水分降低,提高了成浆浓度;红外光谱分析表明水热处理改变了低阶煤的分子结构,在减少亲水性含氧基团的同时,提高了煤的芳香度和碳化程度,这对成浆性能改善有利。 对改性前后低阶煤的燃烧特性进行了热重分析,结果表明改性低阶煤的着火温度有所提高,这有利于抑制自燃的发生;改性低阶煤的综合燃烧性能较原煤稍有提高,并高于兖州烟煤。动力学分析表明,低阶煤经过水热改性后,前期燃烧反应活性较原煤降低,而后期反应活性则有所升高。 利用卧式炉中试系统对改性低阶煤水煤浆进行了热态试验,并与大同烟煤水煤浆进行了对比。结果表明,改性低阶煤水煤浆炉内温度水平与大同烟煤水煤浆相当;沿炉膛轴向,温度场呈现“双峰”特征,分别对应挥发分燃烧为主和焦炭燃烧为主的过程;改性低阶煤水煤浆的燃尽性能优于大同烟煤水煤浆;炉内取样颗粒微观形貌分析表明,低阶煤由于挥发分含量高、粘结性低,初期着火过程煤颗粒呈现“爆裂”特征,而大同烟煤水煤浆煤颗粒则由于热塑性,呈现出“煤胞”和大孔结构。由沿程颗粒燃烧动力学分析可知,随炉内燃烧过程的进行,颗粒燃尽的活化能增加,表明燃尽过程的反应活性下降,燃尽过程减缓,这也是通常炉膛出口飞灰中含有一定份额未燃尽碳的原因之一。 采用计算流体力学软件(Fluent)对低阶煤水煤浆的旋流燃烧进行了数值模拟,结果表明,炉内温度场、气氛场与实际试验工况较接近。变风温工况预测结果显示,冷风(30℃)使着火距离延长,燃烧高温区有所延后,炉膛出口附近CO浓度明显升高;冷风工况虽然可以实现着火,但燃烧效率降低。降负荷工况预测结果显示,70%负荷条件下,炉内燃烧情况良好,但炉内温度水平有所下降,火焰长度稍有延长,炉膛出口CO浓度稍有增加。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TQ53

【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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