褐煤过热蒸汽气流干燥过程动力学模型研究

【摘要】：我国褐煤资源相对比较丰富,己探明的保有储量就达1303亿吨,占全国煤炭储量的13%。随着经济的高速发展,我国的烟煤和无烟煤等优质煤炭资源已被充分利用。因此,褐煤已经成为我国能源生产和供应的重要组成部分。但褐煤是煤化程度较低的煤种,具有高水分、高灰分、高挥发分、低发热量和低灰熔点的特征,从而导致褐煤直接燃烧效率低、温室气体排放量大等问题。同时也造成其单位能量的运输成本高,不利于长途运输和储存的缺点。我国褐煤的开发利用遇到了严重的瓶颈。褐煤的利用,如液化、干馏和气化都需要把煤中水分降至10%以下。而迄今为止,褐煤的开发利用在我国还没有实际工业化展开。其主要原因在于缺乏一套有效的工艺和技术以满足褐煤干燥的安全、节能、经济和环保的要求。而有效的干燥工艺及其相关装备的形成在很大程度上依赖于对其机理的深入了解和设计、技术方法的可靠。 本文以极具能源战略意义的褐煤作为对象,分析了褐煤的特性及国内外褐煤干燥技术的应用现状。分析表明虽然国内外学者正积极研究开发各种褐煤干燥技术和工艺,但其研究仍未取得较大的进展,相关成果也并不充裕。寻找安全、节能、环保的先进褐煤干燥技术及建立实用、完整、可靠的相关理论仍是现阶段研究的重点。过热蒸汽干燥由于具有安全、节能、环保等诸多优点,非常适用于褐煤的干燥。虽然一些学者针对褐煤的过热蒸汽干燥开展了实验研究和模型研究,但这些研究仅处在起步阶段。描述物料在干燥过程中的水分、温度的变化规律,预测和优化物料的干燥效果一般通过建立干燥热、质传递模型并进行数值模拟来实现。目前,过热蒸汽干燥动力学特性通常由干燥曲线的测试结果建立的半经验模型来反映。但这种干燥模型与干燥条件、物料特性等密切相关。而绝大部分实际干燥过程中的干燥条件却随时处于变化当中。现有形式的干燥模型在干燥过程计算的应用中受到了严重的制约,其理论亟待补充、完善并使之实用化。 与烟煤和无烟煤相比,褐煤在物理、化学及热特性等方面均有所不同,而褐煤干燥过程中的热、质传递与这些特性却密切相关。因此,本文对褐煤的物理、化学和热特性进行了分析,并对以储量较大的内蒙古赤峰褐煤为煤样,对其其孔径分布、工业分析(水分、灰分、挥发分和固定碳)、元素分析(C、H、O、N和S)和发热量等进行了测试,为褐煤过热蒸汽干燥的工艺的选择及其干燥理论的进一步研究提供了基础数据。结果表明,褐煤的内部结构与常见的大孔径多孔介质相同,其水分传递过程遵循多孔介质的规律。 基于褐煤的理化特性及工业生产特点,褐煤干燥提质首先需要综合考虑安全、能耗、水耗、环保、产能、运行费用等指标。干燥方式的选择对这些指标的影响是至关重要的。本文对常用的包括转筒干燥、回转管式干燥、流化床干燥和气流干燥等干燥工艺进行了分析,讨论了各自的优缺点。鉴于气流干燥方式结构简单、各种参数易于测量、易于大型化和工业化等优点,且其热、质传递过程与其它流态化干燥方式(如流化床干燥、旋转闪蒸干燥、喷雾干燥等)具有相同的特点和相同的数学描述。因此,本文选定气流干燥方式作为代表性的研究对象。在同时吸收了过热蒸汽干燥的安全、节能和环保的优点的基础上,开发了一套适用于褐煤干燥的安全、.节能的名为“循环分级粉碎气流”的独特的过热蒸汽流态化干燥系统,并对其工艺技术进行了详细分析,为中试试验研究和模拟研究提供了方向。 为实现褐煤过热蒸汽气流干燥工艺,验证其工业生产的可行性,本文按上述设想建立了一套独特的测试功能齐全的中试试验系统。该系统的处理能力为20-300kg/h,气流管风速为10-30m/s,进气温度为400-650℃。试验物料选用初始含水量为30-50%、原煤平均粒径为0-3mm的赤峰平庄褐煤。在试验系统的各个关键位置设置了一系列的测试孔,用于测量该处的温度、静压、颗粒速度、气体流速等参数,并可通过特制的取样装置采集该测试孔处的物料样品完成其水分、成分、温度等指标的测试。通过对颗粒的停留时间、含水量分布、气流和颗粒的温度分布等进行测量,获得了大量可用于工业规模生产和理论模型验证的具有较高参考价值的运行和过程参数；通过对干燥管内颗粒及气流的运动特性和传热特性进行了分析,掌握了大量的干燥过程参数,为下一步过热蒸汽干燥过程的模型建立及数值模拟提供了参考和验证依据,也为褐煤过热蒸汽气流干燥工程设计提供了依据。结果表明该系统能够安全、稳定地运行,且干燥后产品的品质能够满足工业生产的要求,可以应用于实际工程的工艺选择之中。 实现准确的褐煤过热蒸汽气流干燥过程预测的前提是建立精确的数学模型,以描述褐煤颗粒的含水率、温度以及气体的流速、温度等参数变化规律。从本质而言,过热蒸汽流态化干燥过程是干燥机内气流与被干燥物料的动量、热量、质量传递的耦合。在组分传递方面,目前普遍采用的是不考虑物料颗粒内部含水量差异的集总参数模型。虽然该模型具有形式简单、便于工程计算等优点,但仅适用于表面水分蒸发的干燥过程。而在用于以内部水分迁移为主要因素的干燥过程的描述时,必然会导致严重的失真。本文在分析了干燥管中褐煤颗粒和过热蒸汽两相流状况的基础上,利用N-S方程,采用离散相模型(Discrete Phase Model)描述颗粒行为,并先忽略褐煤颗粒的内部传质阻力,建立了面向过热蒸汽流态化干燥的基础计算流体动力学模型。通过建立物理模型,进行适当的网格划分,并确定进口条件、出口条件和边界条件和求解及控制条件等工作,对褐煤过热蒸汽气流干燥过程进行了模拟。模拟结果显示,对于褐煤过热蒸汽干燥,忽略褐煤颗粒的内部传质阻力会导致其干燥过程模拟的严重失真,对干燥动力学理论的补充和完善是非常必要的。 虽然国内外学者对于如褐煤等的多孔介质的组分传递进行了大量的研究,建立了大量的干燥动力学的理论模型。但由于这些模型的表达方式过于复杂,且其中的孔隙率分布、平均空隙尺寸等仍需实验确定,将其应用于实际工程计算尚需极大的研究进展和巨大的研究努力。目前,对干燥动力学的研究仍以实验的方法为主,而干燥动力学特性主要由干燥特性曲线来体现。为此,本研究建立了一套独特的可用于热风干燥和过热蒸汽干燥机理研究的实验系统,并通过进行了大量的过热蒸汽干燥机理及其干燥曲线的实验研究与测试。实验发现,与热风干燥不同,过热蒸汽干燥存在三个阶段：冷凝段,含水率增加,物料温度同时升高；恒速段为物料颗粒表面水的蒸发过程,含水率直线下降；降速段为物料内部水分迁移至颗粒表面扩散的过程,含水率呈指数规律下降。在此基础上,本文进一步研究了过热蒸汽作为干燥气流介质的干燥动力学特性,建立了一套能够描述过热蒸汽干燥全过程包括蒸汽冷凝和物料内部传质阻力在内的干燥动力学模型,使得干燥动力学理论更加完整和准确。 在上述过热蒸汽干燥的三个明显的干燥阶段中,冷凝段和恒速段仅与物料颗粒表面水分相关,采用集总参数模型可以获得较高的计算精度。而内部传质阻力的影响主要呈现于降速干燥段。本文对干燥动力学的理论和实验的分析发现,对于特定的物料和一定的粒径范围,在不同的干燥条件下,其干燥曲线具有相同的变化规律,进行适当的无量纲处理后,这些降速段的干燥曲线可为同一数学表达式。该表达式独立于干燥条件之外。基于该特点,为将恒定干燥条件下获得的干燥曲线引入干燥条件处于变化中的干燥过程的计算和模拟中,本文首次提出了通用干燥动力学模型。而运用通用干燥动力学模型的要点是：确定一定干燥条件下恒速段的干燥强度、临界含水量及临界含水量随恒速段的干燥强度的变化关系；以临界含水率为节点,含水率大于此节点的干燥过程可用成熟且简便的集总参数模型进行描述,而进入降速干燥段后,干燥过程则运用通用干燥模型进行预测。 为褐煤过热蒸汽气流干燥过程进行预测,并对褐煤干燥工艺进行优化,本文在建立了上述基础流体力学计算模型和过热蒸汽干燥动力学模型的基础上,建立了针对以气流干燥为代表的褐煤过热蒸汽流态化干燥过程的CFD模型,并进行了模拟。与中试试验结果比较显示该模型满足工程设计和计算的精度要求,可对褐煤的干燥过程进行可靠的预测,为本文研究的过热蒸汽干燥理论在过程实际中的应用奠定了良好的基础。 【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ536

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