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《中南大学》 2009年
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石灰立窑代焦型煤的研制及其干燥与燃烧特性的研究

彭好义  
【摘要】: 石灰立窑型煤代焦,可有效地缓解焦煤资源的紧缺和焦炭供需的矛盾,显著提高石灰生产的经济性,同时还可起到一定的节能与环保功效,是一项应用价值高、市场前景广的新课题。 论文以研制满足氧化铝工业机械混料式石灰立窑生产要求的代焦型煤为研究目标展开。首先全面系统地阐述了型煤的特点、成型方法、粘结机理、应用情况及发展趋势,解释了型煤代焦的原因并进行了可行性分析。 然后在确定石灰立窑代焦型煤具体考核指标的前提下,以低阶无烟煤为原料,并掺配少量烟煤,筛选出一种以镁基固化剂、镁基活化剂、生物质纤维和减水剂组成的复合粘结剂,采用L27(3~(13))的正交试验和多指标综合加权评分法,通过极差分析、方差分析确定代焦型煤复合粘结剂配方及与之匹配的关键成型工艺参数,并对粘结剂的粘结机理及防水性能进行了分析。试验结果表明,石灰立窑代焦型煤复合粘结剂的最优组合为4%的镁基固化剂、0.6%的镁基活化剂、1%的生物质纤维和0.12%的减水剂;相应的关键成型工艺参数为:成型压力20kN,成型水分17%,煤料粒度组成为0.5mm以下粒级含量58%、0.5~1mm粒级含量为14%、1~2mm粒级含量17%、2~3mm粒级含量11%;烟煤的掺配量为无烟煤的10%;生物质纤维对型煤的抗跌强度具有明显的增强作用;代焦型煤在低干燥强度下具有较好的防水性能。 实验测试了代焦型煤的孔隙率,研究了代焦型煤的热对流干燥特性以及型煤含水率与其冷态强度的关系,并分析了型煤热对流干燥的传热传质机理。研究结果表明,代焦型煤的孔隙率ε为16.23%;其热对流干燥过程经历了升速干燥期、恒速干燥期和降速干燥期三个阶段,其中以降速干燥期为主;型煤干燥过程中存在蒸发界面内移的现象;代焦型煤的冷态机械强度随其含水率的降低先升高后下降,存在一个极大值,代焦型煤干燥的最佳含水率为2.32%;代焦型煤干燥过程传热与传质相互耦合,在升速干燥与恒速干燥阶段,为外部条件控制过程,而在降速干燥阶段则为内部条件控制过程。 基于Whitaker的体积平均理论,运用Darcy定律,从质量守恒和能量守恒的角度,建立了代焦型煤热对流干燥过程的数学模型,并以残余饱和度S_(ir)为判据将型煤干燥过程分为干区和湿区两个区域,干、湿区模型通过动态蒸发界面耦合。湿区模型以含湿饱和度S和温度T、干区模型以蒸汽压力P_g和温度T为基本状态参数。采用全隐式有限数值差分法对控制方程、边界条件和蒸发界面动态边界进行离散,将非线性方程组逐步线性化处理后采用迭代法进行数值求解。采用VB6.0编制计算程序,得到了代焦型煤热对流干燥过程中型煤含水率MC和温度T的变化曲线,计算结果与试验结果基本一致。然后利用该模型数值模拟具体分析了型煤尺寸、干燥介质温度、对流传热系数及传质系数等因素对代焦型煤干燥过程的影响。 采用热重分析法对代焦型煤的热解和燃烧特性进行了实验研究,并将代焦型煤与无烟块煤和焦炭进行对比分析。研究结果表明,代焦型煤的着火性能、稳燃性能及综合燃烧特性优于焦炭和无烟块煤,而释热强度和燃尽性能介于焦炭和无烟块煤之间;代焦型煤燃烧属于一级反应模型,代焦型煤的平均活化能比焦炭小很多,而略高于无烟块煤;煅烧温度对单颗粒型煤燃烧速率的影响较小,在一定范围内减小型煤尺寸和改善通风条件有利于提高其燃烧速率,相同条件下,代焦型煤的燃烧速率低于焦炭而高于无烟煤块煤;代焦型煤比无烟煤块煤更适合作为石灰立窑的替代燃料。 综合研究结果表明,代焦型煤在冷、热态机械强度以及燃烧特性方面均能满足机械混料式石灰立窑生产的要求,但也需相应地对石灰立窑进行一些必要的技术改造或变动。论文研究结果对石灰立窑型煤代焦具有重要的理论意义和指导价值。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TQ177.2

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【引证文献】
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【同被引文献】
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