（工程热物理专业论文）生物质型煤试验和神经网络、分形理论应用研究.pdf

摘要 坼为国家杰出青年科学基金( 5 0 0 2 5 6 1 8 ) ) ? a 目一生物质能源化综合利用的机理性研 究一的子课题狂文主要针对生物质型煤技术开展研究，内容涉及生物质型煤的成型、 燃烧性能和孔隙结构的实验研究，以及分形理论、人工神经网络和遗传算法的应用研 究。 实验研究由三个部分组成： ( 1 ) 成型性能测试实验：针对多种生物质和煤种、不同配比、不同水分等多种实验组合 情况，建立正交试验表，设计模压成型机，进行生物质型煤成型试验和抗压性能试 验，寻求成型的最佳条件； ( 2 ) 燃烧性能测试实验：建立两个燃烧测试系统，分别进行生物质型煤圆硫效率和燃烧 性能测试试验，并在数值求解的基础上，提出“观察定位法”确定着火点； ( 3 ) 压汞实验：应用压汞测孔法，分析生物质型煤内部孔隙结构，寻求孔隙结构的特征 参数和参数之间的关系，以及孔隙结构与燃烧性能之间的关系。 在压汞实验的基础上，建立基于m e n g e r 海绵思想的多孔分形结构模型。该模型能 够模拟不同分维、不同孔径范围、不同体积孔径分布、不同比表面积一孔径分布的 具有自相似结构的孔隙系统；对生物质型煤的孔隙结构进行数值模拟结果表明该模型 能够比较全面的反映孔隙信息，与实验结果相符。 生物质型煤由不同物化性质的生物质、混煤和添加剂组成，型煤特性与各组分相应 特性之间存在高度非线性关系，并且可利用数据有限，若建立经验回归公式来估计型 煤特性比较困难且难以获得很好的预测效果，而神经网络的应用将使这一问题大为简 化。鉴于本问题类似于动力配煤中混煤性能预测问题，本文在现有的混煤性能预测模 型的基础上，针对原有预测模型中搜索机制存在的不足，研究b p g a 混合神经网络方 法，提高预测性能。 丁 关键词： 生物质型煤? 着火点j 压汞法i 正交实襄遗传算法? 人工神经网络- ， 分形理论 ， 塑垩盔兰婴主兰垡丝奎垒! 塑垦! 里 e x p e r i m e n t a ls t u d y o n b i o b r i q u e r e a n d a p p l i c a t i o n o fn e u r a l n e t w o r k & f r a c t a lt h e o r y a sas e c t i o no fm e c h a n i c a ls t u d yo ns y n t h e t i cu t i l i z a t i o no fb i o m a s se n e r g y w h i c hw a s s p o n s o r e db y n a t i o n a ls c i e n c ef u n df o rd i s t i n g u i s h e dy o u n gs c h o l a r s ( 5 0 0 2 5 6 1 8 ) ，t h i s t h e s i sf o c u s e d o n i n v e s t i g a t i o n i n t o b i o - b r i q u e t t et e c h n o l o g y , m a i n l yi n c l u d i n g e x p e r i m e n t a ls t u d yo nb r i q u e t t i n gc h a r a c t e r , c o m b u s t i o nf e a t u r ea n dp o r es t r u c t u r e ，a n d a p p l i c a t i o n o f f r a c t a lt h e o r y , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) a n d g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t h e e x p e r i m e n t a ls t u d yc o m p r i s e s t h r e e p a r t s ： 1 ) e x p e r i m e n t o n b r i q u e t t i n gc h a r a c t e r ：d i f f e r e n tb r i q u e t t i n gc o n d i t i o n sw e r ec o n s i d e r e d i n c l u d i n g d i f f e r e n tb i o m a s sa n d c o a l ，m i x t u r er a t i o ，a n dm o i s t u r e ，e t c w i t h s e l f - d e s i g n e dm o d u l ep r e s sm a c h i n e ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o dw a sa p p l i e dt o o r g a n i z eb r i q u e t t i n ga n dc o m p r e s s i o n t e s tf o r o p t i m a lb r i q u e t t i n g c o n d i t i o n s 2 ) e x p e r i m e n to nc o m b u s t i o nf e a t u r e s ：t w oc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e m s w e r e e s t a b l i s h e df o r i n v e s t i g a t i o ni n t os u l f u rr e t e n t i o nr a t ea n d c o m b u s t i o n p r o p e r t i e s w i t h n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，“s i g h tl o c a t i n g m e t h o dw a sr a i s e dt od e t e r m i n ek i n d l i n g p o i n t 3 ) e x p e r i m e n to fm e r c u r yp o r o s i m e t r y ：w i t ht h ea p p l i c a t i o no fm e r c u r yp o r o s i m e t r y m e t h o d , t h ei n n e rp o r es y s t e mo fb i o - b r i q u e t t ew a sm e a s u r e da n da n a l y z e dt os t u d y c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fp o r es t r u c t u r ea n dt h e i rr e l a t i o n s h i p ，a n dr e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o r e s t r u c t u r ea n dc o m b u s t i o nf e a t u r e s w i t hm e r c u r yp o r o s i m e t r ye x p e r i m e n ta n db a s e do nm e n g e rm a n i f o l d ，ap o r o u sf f a c t a l m o d e lw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t ep o r es ) f s t e mw i t hs e l f - s i m i l a r i t y t h em o d e la d a p t s d i f f e r e n c e si nf r a c t a l ，p o r es i z ed i s t r i b u t i o n , v o l u m ev s p o r es i z ea n ds p e c i f i cs u r f a c ev s p o r es i z e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t sa g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n td a t a , s h o w i n gt h em o d e l i sc a p a b l eo f r e f l e c t i n g p o r e i n f o r m a t i o nf u l l - s c a l e d a st h em a i nc o m p o s i t i o n so f b i o - b r i q u e t t e ，t h eb i o m a s s ，c o a l sa n da d d i t i o na g e n t ，h a v e v a r i o u s p h y s i c o - c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i t s c o n s e q u e n t l y , t h e c h a r a c t e r i s t i cc o r r e l a t i o n b e t w e e n b i n - b r i q u e t t ea n d i t sc o m p o s i t i o n si sh i 曲n o n l i n e a r a n da sar e s u l to f t h el i m i t e d a v a i l a b l ed a t a , t h ee x t r a c t i o no fk n o w l e d g ef r o me x p e r i m e n t a ld a t at od e v e l o ps o m e e m p i r i c a lf o r m u l a i saf o r m i d a b l et a s kr e q u i r i n gs o p h i s t i c a r e dm o d e l i n g t e c h n i q u e sa sw e l l a sh u m a ni n t u i t i o na n d e x p e r i e n c e t h eu s eo f n e u r a ln e t w o r k c a na l l e v i a t et h ep r o b l e mt o g r e a te x t e n ta n d r e a c hb e t t e rp r e d i c t i o ne 伍：c t h v b r i da p p r o a c h e so fab pa n dg an e u r a l n e t w o r k sw e r es t u d i e dt op r o m o t et h ee x i s t i n gb pm o d e lf o rp r e d i c t i n gb l e n d i n gc o a l s p e r f o r m a n c ed u e t ot h es i m i l a r i t vt oc o a lb l e n d i n gp r o b l e m 浙江人学硕上学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：b i o b r i q u e t t e ，k i n d l i n gp o i n t ，m e r c u r yp o r o s i m e t r y , o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，f r a c t a lt h e o r y m e c a n d i d a t e ：l i nj i a n g s u p e r v i s o r ：d r z h o n g y a n gl u o ，p r o f e s s o r d r k e f ac e n ，a c a d e m i c i a n s p e c i a l t y ： d e p a r t m e n t d a t e d l q i n h u iw a n g a s s o c p r o f e s s o r e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s e n e r g ye n g l n e e n n g z h e j i a n gu n i v e r s i t y h a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ，c h i n a f e b r u a r y , 2 0 0 2 浙江人学硕l 学位论文第一章生物质型煤试验研究综述 第一部分生物质型煤研究的意义和研究现状 第一章生物质型煤研究的意义 1 1中国能源结构现状 人类社会的发展模式正面l 临着根本性的改变，靠牺牲资源与环境、通过高消耗和 先污染后治理的方式来追求经济数量增长的传统发展模式已经使当今世界面临各种各 样的威胁。这一切使人们意识到：应当以可持续发展的模式代替传统的消耗性发展模 式。 中国的一次能源以煤为主，目前其生产与消费在一次能源构成中7 5 以上。根据中 国能源资源特点和社会经济状况可以预测，在本世纪相当长一段时间内，煤炭作为我 国能源主题的格局不会有大的改变。 然而，大量的原煤散烧则是构成了我国大气污染的基本来源。据1 9 9 2 年统计，工 业锅炉、窖炉、民用炊事用煤约5 9 亿吨且基本都是散烧，即浪费煤炭，又造成极为 严重的大气污染。据统计，我国直接燃烧的平均热效率为：工业锅炉6 0 ，工业窖炉 2 0 3 0 ，民用炉灶1 5 3 0 ，机车5 8 ，排放到大气中的烟尘和二氧化硫总量的7 3 和8 9 直接来源于燃煤，且我国所产煤炭中粉煤含量逐年上升，其中小于1 3 毫米的粉 煤量达到4 0 4 8 ，有些甚至高达6 0 以上。 目前中国的二氧化硫排放量已经超过美国，成为世界最大的二氧化硫排放国。二 氧化硫的大量排放使城市的空气污染不断加剧。我国酸性降水中硫酸根与硝酸根的当 量比为1 0 ：i ，因此，中国的酸雨主要是硫酸型的，是人为排放二氧化硫造成的。1 9 9 5 年我国由于酸雨和二氧化硫污染造成人体健康和农作物、森林等方面的经济损失约为 1 1 0 0 多亿元，已接近当年全国国民生产总值的2 ，成为制约我国经济和社会发展的 重要因素。此外，我国的酸雨污染和二氧化硫排放也引起了周边国家和国际社会的密 切关注，日本、韩国的舆论也一再提出中国排放二氧化硫等致酸污染物对其环境造成 了损害，有可能引起跨国界的污染纠纷。 煤燃烧是二氧化硫最主要来源。我国一次能源以煤为主的结构近期不会发生变化， 预计到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年煤炭产量将分别达到1 8 亿吨和2 1 亿吨。如果不加以控制， 2 0 1 0 年和2 0 2 0 年全国二氧化硫排放量将分别达到3 3 0 0 万吨和3 9 0 0 万吨。 1 9 9 6 年国务院关于环境保护若干问题的决定中明确提出要治理“两控区”的酸 雨和二氧化硫污染。两控区控制目标为：到2 0 1 0 年，二氧化硫排放总量控制在2 0 0 0 年排放水平以内；城市环境空气二氧化硫浓度达到国家环境质量标准，酸雨控制区降 水p h 值小于4 5 的面积比2 0 0 0 年明显减少。 浙江= 学硕上学位论文 第一章生物质型煤试验研究综述 因此实现煤的清洁燃烧对控制我国的大气污染具有重要意义a 随着新的锅炉大 气污染物排放标准的实施，对大气污染的防治提出了更高的要求。全国大中城市应 停止原煤散烧，全面使用固硫型煤和其他清洁燃料，尽快开发节省燃料、易烧、高热 效率、脱硫效果显著的新型燃料势在必行。 1 2生物质能源化综合利用的前景及意义 生物质是唯一可以实现碳的零排放的可再生资源。生物质综合利用技术将各种低 品位的生物质能转化为可高效利用的高品质能源，充分利用丰富的生物质资源，改善 目前的能源供应状况，降低环境污染，实现能源的可持续利用。 生物质和城市垃圾是取之不尽的资源。对它们的能源化利用不但是一种可行、有效 的废弃物处理方法，还可以补充我国常规能源的短缺，减少不可再生的化石燃料的消 耗，同时对于减少污染、保护环境也有重要意义。 全世界的生物质如薪柴、稻壳、秸秆、柴草、木屑、树叶等资源相当丰富，据估 计全世界陆上生物质产量为1 0 1 1 1 0 1 2 吨干物质，相当于目前所耗能量的数倍。但过 去生物质能利用一直没有受到重视，直到7 0 年代初，第一次石油危机后，各国才兴起 了开发和利用生物质能的热潮。我国每年亦有大量的生物废渣没有得到利用，大部分 都直接烧掉，家用柴灶的热效率一般不高于2 0 ，这是极大的浪费。 我国的生物质和城市垃圾的年产量非常大。以1 9 9 6 年为例，据统计各种主要农作 物秸杆、农业加工残余物、薪材以及林业加工剩余物等生物质的资源潜力可达7 亿吨 标煤；而全国城市生活垃圾清运量可达1 0 8 2 5 亿吨，而且正在以每年1 0 的速度在增 加。但是，这些资源并没有得到合理、有效的利用。从生物质中资源量最大、最常见 的作物秸杆利用情况来看，我国1 9 9 6 年的7 0 6 亿吨秸秆资源总量中，被用作畜牧饲 料约1 9 4 亿吨；用于造肥还田和收集损失约1 0 6 亿吨；用于工业原料( 造纸、手工 艺品等) 约为0 1 9 亿吨；另外还有大约3 8 7 亿吨可用于能源化利用，但目前只有2 7 9 亿吨用于农村生活用燃料( 利用效率小于2 0 ) ，其余的约1 0 8 亿吨被白白废弃或直 接在田里烧掉，造成日益严重的环境危害。在城市垃圾处理上，我国基本还是采用传 统的填埋方法来处理，不但无法利用垃圾中所含的能量，造成能源的浪费，还带来了 严重的环境问题，在许多地方由于兴建垃圾填埋场而侵占大量农田、污染土壤及水体 等问题正变得越来越突出。就我省而言，经济发展带来的环境污染及资源浪费问题日 益严重。浙江省属沿海经济发达省份，常规能源资源贫乏。1 9 9 7 年，全省秸秆资源可 获得量近1 2 0 0 万吨( 其中大部分是稻秆) 。据我省农村能源管理部门统计，目前还有 2 5 的秸秆继续用作传统的生活燃料；3 3 的秸秆用于还田；2 0 的秸秆用于生产或其它； 还有2 2 的秸秆找不到出路成为废弃物，堆放田头或随意焚烧。每年被废弃的秸秆、 林业加工剩余物等各类生物质能资源大约有4 0 0 多万吨( 折合标准煤2 0 0 多万吨) ，相 当于每年浪费掉近8 亿元的能源资源，且这一数据还在逐年增加。此外还有造纸业和 制糖业等工业废弃物。 2 浙江人学顾一 学位论文 第一章生物质型煤试验研究综述 因此，从我国基本国情出发，可以因地制宜的利用这些生物废料，既解决了生物 质型煤i , i i , 的生物质来源问题，又充分利用了能源，保护了环境。根据煤耗基数预测， 2 0 2 0 年生物质型煤利用生物质的潜力可达2 亿吨年生物质型煤的减排碳潜力可占 当年总排量的十分之一并且从可开发利用的潜力来看，植物界每年所固定的太阳能即 生物质能可达世界现状总能耗的十多倍目前作为能源利用的生物质仅为总生物质量 的1 ，所生产的能量已占世界总能耗的1 4 。所以生物质型煤可以节约大量的煤炭。加 上生物质型煤的高固硫率，其能源环保效益是显著的。并且发展相应的能源化利用技 术可以充分利用这些资源，生产热、电、气、油等高品质的能源，不但可以解决我国 城市面临的垃圾处理难题，还能改善目前我国农村的能源短缺状况。发展该产业方向 将有力地促进我国城市的发展以及农村地区机械化、电气化建设，并能带动一大批相 关产业的发展。 1 3 生物质型煤技术的研究意义及前景 在生物质和城市垃圾能源化利用技术方面，我国的各科研机构已经进行了大量的研 究开发工作，其中生物质燃烧、气化技术，城市垃圾焚烧等技术已经基本上完成了工 艺性开发。浙江大学在深入的机理研究和广泛的试验工作基础上开发的以循环流化床 为基本燃烧类型的中、大型生物质燃烧设备、以生产中热值煤气为主要目标的适合于 我国农村实际情况的生物质气化技术和用于处理城市垃圾的异重流化床焚烧技术都具 有比较先进的技术指标，和光明的应用推广前景。但限于条件，目前开发的技术大多 还停留在实验室中，缺乏大规模工业的检验，还不能满足产业化发展的要求。但是， 凭借有生命力的先进技术以及浙江大学在相关领域内雄厚的实力和丰富的经验，通过 和工业界的合作以及示范工程的建设该方向的产业化是完全可以实现的。 本文致力于生物质型煤技术研究，该技术将不可再生的化石能源与可再生的生物质 能有机结合，具有综合利用能源和减少环境污染的双重功能。 中国工业型煤在总体上虽已达到世界先进水平，但还未形成规模产业，目前尚处于 工业示范阶段，特别是锅炉型煤及其推广应用方面仍然有不少问题有待完善和解决， 其技术方面的原因有：( 1 ) 尚未研究出来源广、数量大、成本低、技能满足成型工艺要 求，实用的强度要求，有能满足燃烧特性的粘接剂。我国工业型煤，一般采用低压冷 态成型，对粘按剂要求较高。( 2 ) 普遍存在防水防潮能力差的难题，它制约着工业型煤 推广面的大小。我国建成的数十个型煤厂都危机决防水防潮的问题，以至型煤必须用 塑料袋双层包装，才能露天存放和长途运输，每吨型煤必须增加包装费，增大型煤成 本，用户难以接受。( 3 ) 普遍存在高温热强度低和高温固硫率急剧下降的难题。以固硫 为目的的工业型煤，要求层燃锅炉在1 0 0 0 1 3 0 0 c 下能维持较高的固硫率，这是钙系 固硫剂绝对达不到的，因固硫生成物硫酸钙在高温还原气氛中又分解所至。( 4 ) 锅炉燃 用型煤时引火较粉煤困难，出现着火线后移和不易连火、火焰短而使锅炉出力不足等 问题。 浙江大学硕士学位论文 第一章生物质型煤试验研究综述 根据国内外的已有经验，生物质型煤技术可以解决现有的问题。利用生物质型煤技 术可以提高工业锅炉热效率，削减污染物排放，减免除尘脱硫设备及其运行维护费用， 节约能源：还能有效的解决工业型煤需求量大与生产水平有限、技术不过关的矛盾， 加速中国工业型煤的发展，提高研制、生产、使用的积极性，为中国工业型煤的加速 推广应用注入新的活力。生物质型煤技术同其它生物质能源化技术一样，使人类有可 能实现工业化大规模的开发与利用生物质能，使工农林业废弃物变废为宝，充分利用 生物质能的可再生性，建立起可持续发展的能源系统，促进社会经济发展与生态环境 改善的协调进行。 4 塑望查堂墅主堂笪堡壅 笙三翌生塑堕型堡塑塑型! ! 一 第二章生物质型煤研究现状 2 1 生物质型煤技术发展现状 2 1 i 国外基本情况 世界各主要产煤国对型煤技术的开发都很重视，工业发达国家民用能源9 8 是油、 天然气、电、煤气等。民用型煤只使用于特殊场合的炊事、取暖：工业型煤的应用领 域广泛，主要是代替块煤和焦煤用于冶金、化工，并直接作为锅炉燃料。 国外对生物质型煤的研究已很多，并形成了较为完善的技术。德国、土耳其等国 研究用糖浆作粘结剂，同时掺锯末和造纸厂废纸生产型煤；俄罗斯、乌克兰、美国、 英国、匈牙利等国用生物质水解产物作为粘结剂生产型煤；美国、瑞典等国还用脱水 泥炭和磨细的生物质混合、挤压、切割成型生产型煤。 e l 本在面临石油危机的境况下开发了生物质型煤技术。开发了生产能力为6 5 t h 生产线。研究主要针对生物质的燃烧性能的改善，以及生物质的综合利用方面。对生 物质型煤的成型方面的研究还有待深入。将粉碎后的农作物秸秆、原煤与固硫剂混合 后经高压成型机压制而成，其中生物质占1 5 3 0 w t ，固硫率可达8 0 ，燃烧效率高达 9 9 ；日本于1 9 8 5 年即在北海道建成了一座年产6 千吨生物质型煤的工厂，日本还试 验生产了生物质型煤的小型燃烧装置和专用燃烧设备。日本很重视在中国、土耳其、 澳大利亚、巴基斯坦和泰国等发展中国家推广应用其生物质型煤技术。 2 1 2 国内基本情况 大新洁净煤厂( 原山东临沂矿务局汤庄煤矿生物质型煤示范厂) 于1 9 9 5 年底建成， 是中国第一家工业规模的生物质型煤生产厂“。该厂由日本政府的绿色援助计划 ( g a n ) 资助，临沂矿务局配套厂房进行建设。该厂设计年产量为3 万吨，生产的型煤 呈枕型，外观平整光滑，不破碎，无裂纹，粒度为4 0 m m 4 0 m m 2 5 m m ，热值为1 2 1 2 - 1 8 4 8 m j k g ，崩溃强度大于3 9 2 n ，固硫率大于5 0 ，含生物质i 0 3 0 w t 。设备安装 试运行期间存在许多问题，如烧后灰壳黑心，烟大，不耐烧等。 重庆市中日共同研究的生物质固硫型煤试验厂于1 9 9 7 年建成。该厂设计年产量为 l 万吨，高压成型机由日本国际善邻协会赠送，安装调试成功后压制出的生物质和非 生物质固硫型煤的初步燃烧测试表明，民用型煤可以获得较高的固硫率，工业固硫型 煤也有希望获得5 0 7 0 的固硫率。该厂试验成功后将在重庆市普及推广，使重庆市日 益严重的酸雨问题得到有效的控制。 成都市于1 9 9 9 年中日合作进行研究、试验生产生物质型煤，型煤成型主机装置及 其相关技术由同本庆应大学提供。用生石灰作固硫剂，c a s = l 2 ，在原煤中添加生物 7 浙江大学硕士学位论文 第二章生物质型煤研究现状 质秸秆和木屑的混合物2 0 3 0 w t ，挤压固化成型，实际测得研制的生物质型煤具有 易燃、固硫效果显著、未燃损失小等特点。 浙江大学、清华大学、哈尔滨理工大学、煤炭科学研究总院北京煤化学研究所及 杭州环境保护研究所和沈阳环境科学研究所等单位也进行了生物质型煤的部分开发工 作和小型实验研究。 “七五”期间，型煤技术是国家重点攻关内容之一，已取得较大成果：完成工 业成套工艺技术的研究；开发2 0 多种型煤粘接剂；开发型煤固硫技术；研究多 种用途的民用型煤；开发了单种煤炼焦技术和型煤配煤炼焦技术；研制了造气用 型煤。中国的型煤技术大部分已进入工业应用阶段，从实践看来，发展型煤与有煤炭 转化为其他清洁燃料相比，投资省、成本低、能取得多种综合效益，特别适合于发展 中国家使用。 2 2 生物质型煤技术 生物质是指有机物中除矿物燃料外，所有来源于植物、动物和微生物的可再生的物 质，它包括活的有机体如树木、农作物、海藻和草类等，也包括废弃物如粪便、垃圾、 污浆和农林废弃物等。通常可将生物质分为六大类即农作物类、林作物类、水生藻类、 石油类、光合成微生物和未利用资源。未利用资源中主要包括农业废弃物、城市生活 污水和垃圾、林业废弃物、畜业废弃物等。 中国的生物质资源主要包括以下四个方面： 1 农作物秸杆和农业加工残余物； 2 林木和林业加工剩余物； 3 人畜粪便、工业有机废物和水生植物； 4 城市生活污水和垃圾。 根据生物质成型处理的不同方法，生物质型煤大体上可以分为三类：( 1 ) 生物质 制浆后的黑液，如纸浆废液作为成型粘结添加剂：( 2 ) 生物质水解产物，如水解木质 素、纤维素、半纤维素及碳氢化合物等作为成型粘结添加剂；( 3 ) 生物质直接和煤粉 混合，利用受热或高压压制成型。 生物质型煤是型煤中的一种新品，具有普通型煤无可比拟的优点，如易着火，燃烧 速度快；燃烧充分，不结渣：高热效率、高固硫率；既能节约能源，又有利于控制c o ：、 s 0 2 排放，减少对大气的污染，具有综合的经济效益、环境效益和社会效益。 2 2 1 成型 型煤在加工方式上可分为冷压成型与热压成型，干态成型与湿态成型，以及加粘 结剂或不加粘结剂。其主要成型工艺主要包括烘干、粉碎、混合、成型等步骤。大致 可以概括如下：首先将原煤和生物质干燥，然后将原煤破碎，生物质则加以碾碎，磨 6 一 浙江人学倾j + 学位论文 第二章生物质型煤研究现状 成微细粉木；再将两者进行混合，根据原煤和生物质的特性，加入适量的固硫剂( 和 粘结剂) ；最后将混合物一同送入成型机，在一定压力下压制成型。图2 1 为生物质型 煤成型工艺流程图。 图2 1 生物质型煤成型工艺流程图 成型过程中除了可以选择掺入各种生物质外，也可掺入各种可燃的工业废弃物( 煤 泥、泥炭、粉煤灰等) 和城市生活垃圾。 抗压强度是生物质型煤各项机械性能指标中最直观、最有代表性的指标。研究表 明影响生物质型煤抗压强度的因素除了上述加工方式外，主要有：煤种( 以炭化程度 区分) 、生物质种类、组分粒径大小、水分含量、各个组分的混合顺序、成型压力等。 本文采用实验室无粘结剂冷态高压模压成型机压制成型，型煤抗压强度满足工业 应用要求。第四章详细阐述了有关成型试验、抗压强度测试及其影响因素分析。 2 2 2 燃烧性能 生物质型煤的燃烧性能良好，具有易着火，燃烧速度快；燃烧充分，不结渣；高 热效率、高固硫率等特点。主要原因为：生物质型煤的可燃基挥发分比原煤高，在点 火的过程中，易燃的生物质率先点火放热，使型煤在短时间内迅速达到着火点：而且 随着生物质的迅速燃烧，型煤成为一多孔介质，改善了气体渗透扩散性能，即有利于 形成稳定的点火燃烧，又有利于提高固硫率。 随着生物质加入量的增多，生物质型煤点火温度呈降低的趋势。生物质型煤点火 的延迟时间与燃料种类、燃料的性质( 挥发分、灰分、水分等) 、混料配比、主燃火焰 温度、配风形式及大小等有关。 生物质型煤在燃烧的过程中呈多孔球燃烧，有利于氧向内扩散，有利于加速传热 传质和保证充分燃烧，因而不会产生煤热解过程中因为局部供氧不充分发生的热解析 碳冒烟现象。生物质型煤灰渣中残碳含量低，残余灰渣也难于粘结成块，一般呈香烟 灰状，用手一捻即散。 在燃烧过程中，有机生物质比煤先燃烧、碳化，起到了膨化疏松作用，使固硫剂 c a o 颗粒内部不易发生烧结，甚至使孔隙率反而增加，增大了s 0 2 和0 2 向c a o 颗粒 ，_ _ ，一 浙江大学硕士学位论文 第二章生物质型煤 j f 究现状 内的扩散作用，提高了钙的利用率，又有利于固硫反应中先生成的c a s 0 3 及时氧化成 更耐高温分解的c a s o 。，从而提高其固硫率。此外由于生物质型煤在成型过程中煤与 固硫剂接触混合均匀，可以在较低的钙硫比下，使固硫率达到5 0 以上。 2 3 研究内容及技术路线 生物质型煤技术的应用实践表明，目前对其性能的研究还存在诸多尚未完满解决 的问题。比如，虽然提高成型压力有利于提高型煤的机械性能的，然而随着成型压力 的升高，型煤导热性能随之增大，热量从表面向内部的传递速度增大，着火时间延长。 定性的讲，成型压力的升高将降低型煤多孔系统的渗透率，不利于提高固硫率。 此外，由于生物质含量提高，孔隙率的增大和平均孔径的提高，孔隙系统的渗透 性能增强，将导致s 0 2 气体在与固硫剂完成硫化反应之前就释放出煤体。以往对生物 质型煤的固硫性能的研究多限于经典的脱硫剂硫化反应，而孔隙系统的特性才是影响 固硫剂固硫性能的根本原因。 鉴于生物质型煤技术的特点以及目前研究现状，本文着重开展了以下研究内容： 1 成型试验研究( 第三章) ： 成型是生物质型煤性能研究的基础也是关键。本文选取典型生物质和煤种，设计 正交试验表，设计实验室模压成型装置，进行模压成型试验及抗压试验，寻求影 响成型性能的主要因素。 2 燃烧特性研究( 第四章) ： 生物质型煤之所以有可能取代普通型煤，是因为生物质的参与改良了型煤的燃烧 特性。本文在马弗炉内进行固硫试验，测定固硫效率和生物质质量分数之间的关 系；利用单颗炉燃烧试验系统，模拟实际工况，在线监测生物质型煤燃烧全过程， 并实时记录质量和温度数据，测定生物质型煤的着火点、燃尽率等燃烧特性。 3 孔隙结构研究( 第五章) ： 生物质的参与使得生物质型煤的固硫和燃烧性能普遍高于普通型煤，其根本原因 在于型煤内部孔隙系统发生了很大变化。本文应用压汞测孔法，测量两种孔隙形 态( 成型状态和近着火点) 下多种典型配比的生物质型煤的孔隙特性：获得分形 维数d 及孔隙率西、比表面积文渗透率k 、扭曲系数f 等孔隙特性参数，研究 生物质型煤的渗透率、分维、孔隙率以及扭曲系数之间关系，进而从微观角度解 释生物质型煤的固硫和燃烧性能普遍高于酱通型煤的原因。 4 孔隙分形体模型( 第五章) ： 在孔隙结构实验研究的基础上，本文结合分形理论和m e n g e r 海绵思想，建立孔隙 分形体模型，模拟生物质型煤的多孑l 分形结构。 5b p g a 混合神经网络( 第六章) ： 塑垩奎兰堡主兰竺丝塞兰三皇壁型型些堕堕丝! ! ! ! 一 生物质型煤特性与组分特性之间的关系比动力配煤中混煤与煤种母性之间的非线 性关系更为复杂，一般方法难以实现对生物质型煤性能的准确预测；为此，本文 针对b p 网络的不足，在原有混煤性能预测模型的基础上，应用神经网络和遗传算 法，建立b p g a 混合神经网络，预测生物质型煤性能。 塑兰盔堂竺兰兰些堡苎j 童二苎坌兰重苎堕! 一 第一部分参考文献 1 陈贵烽，曲思建，庞雁原煤炭加工与综合利用，1 9 9 4 ( 2 ) ：1 3 - 1 7 2 k l e i s ak ，l e h m a n nj ，v e r f u s sf ，e ta 1 g l u e c k a u f - f o r s c h u n g s h e f l e ，1 9 9 4 ，5 5 ( 4 5 ) ： 1 1 7 1 2 2 3 b e k e rug f u e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , 1 9 9 7 ，5 1 ( 1 2 ) ：1 3 7 1 4 4 4 s a r a n c h u kvi ，k h a z i p o vva ，p a s h e h e n k olv e ta 1 k h i m i y at v e r d o g ot o p l i v a ， 1 9 9 5 ( 1 ) ：2 5 2 9 5 s a r a n c h u kvi ，g a l u s h k olj ，p a s h c h e n k olv e ta 1 p r o c e e d i n g so fi n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nc o a ls c i e n c e ，o v i e d o ，s p a i n ，8 ：1 9 9 5 ：1 0 - 1 5 6 m a r u y a m at ，t a k e m i c h i s i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nc o a lc o m b u s t i o n ，b e i j i n g ， s e p t 1 9 8 7 ：7 l o 9 8 7 9 9 4 7 m u r u y a m at k a m i d em p r o c e e d i n g so f t h e3 r di n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nc o a l c o m b u s t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s c i e n c ep r e s s ，1 9 9 5 ：5 6 1 5 6 7 8 王方。韩觉民煤炭加工与综合利用，1 9 9 6 ( 4 ) ：2 6 - - 2 8 9 朱杰煤矿环境保护，1 9 9 7 ，1 1 ( 3 ) ：1 6 - 1 8 1 0 罗仁学重庆环境科学，1 9 9 6 ，1 8 ( 6 ) ：3 8 4 0 1 1 王玮，坂本和彦，渡边征夫，等第七届全国大气环境学术会议论文集，1 9 9 8 ， 6 9 2 - - - 6 9 8 1 2 何建，杨治敏，阎忠斌，等四川环境，1 9 9 9 ，1 8 ( 4 ) ：2 0 2 4 1 3 何建。杨治敏，王惠群，等城市环境与城市生态，2 0 0 0 ，1 3 ( 1 ) ：2 8 - 3 0 1 4 刘伟军，于艳秋，胡仁德哈尔滨理工大学学报，1 9 9 8 ，3 ( 4 ) ：1 4 1 5 刘伟军，王佐民，于晓东，等煤炭转化，1 9 9 8 ，3 ( 4 ) ：1 4 1 6 l ug q ，t o y a m at ，k i m h j ，e ta 1 p r o c e e d i n g so f t h e 3 r di n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo n c o a lc o m b u s t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s c i e n c ep r e s s 1 9 9 5 ：3 7 4 4 1 7 n a r u s ei ，k i mhj ，l ugq ，e ta 1 p r o c e e d i n g so ft h e1 9 9 82 7 t hi n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o nc o m b u s t i o n ，b o u l d e r , c o ，u s a ，l9 9 8 ( 2 ) ：2 9 7 3 - 2 9 7 9 1 8 刘伟军，刘兴家，李松生，等洁净煤技术，1 9 9 8 ，4 ( 4 ) ：4 0 4 4 1 9 刘伟军，孙庆滨，张维洁，等动力工程，1 9 9 9 ，1 9 ( 5 ) ：4 l o 4 1 4 2 0 徐康富，龙兴能源研究与利用，1 9 9 6 ( 3 ) ：3 - 6 2 1 毛玉如，骆仲泱，蒋林，方梦祥，岑可法生物质型煤技术研究煤炭转化，2 0 0 1 ， 2 4 ( 1 ) ：2 1 2 5 ， 塑垩叁兰堡：苎兰垡堡塞墨三童兰塑堕坠鉴堕里些堡! ! ! ! 一 第二部分生物质型煤性能研究 第三章生物质型煤成型性能研究 3 1 研究概述 成型是把细颗粒压缩成大颗粒以便于使用、运输和存储的一种工艺。他被广泛的 应用于工业生产的各个方面，如煤的成型、生物质成型、金属成型和化工废料成型， 型煤加工只是其中一种。成型技术是型煤技术的关键技术之一。型煤形状及成型压 力等会影响到其燃烧及固硫，同时又受燃烧及固硫要求的约束。所以对成型技术的 要求比较高，并随实际应用需要而改变。 3 1 1成型压力及成型设备 按压力大小，型煤的成型可划分如下： ( 1 ) 低压成型：5 0 兆帕以下 ( 2 ) 中压成型；5 0 一1 0 0 兆帕 ( 3 ) 高压成型：1 0 0 兆帕以上 成型机主要有轧辊式和螺旋挤压式两类。 1 轧辊式成型机 主要有一对轴线相互平行、直径相同、彼此间有一定间隙的相向旋转的轧辊组成， 每个轧辊表面对应分布着大量的型窝。当原煤落入其中时，轧辊逐渐闭合，产生较 大的挤压力。由于型窝是逐渐闭合的，压力逐渐升高时煤颗粒会向上挤动，继而产 生颗粒间的剪动和滑动，这种现象会使窝界面上发生较强的剪切应力。如果型窝形 状或转速选择不当，会降低型煤的成型率。当煤料间的结合力小于煤料和辊轴表面 间的结合力时，型煤将断裂填塞在各自的型窝内，发生粘槽现象。 2 螺旋挤压式成型机 主要有螺旋杆及型腔模板组成，具有灵活、相对轻便，便于更改等特点，比较适 合实验室试验研究使用。 根据本试验需要，采用油压成型工艺，设计制造模压成型机。成型原理与螺旋挤 压式成型工艺相似。 3 1 2成型机理 根据我国七五攻关的研究成果，成型力主要有煤粒间的机械啮合力、水化膜的亲 和力和煤粒间的分子范得瓦斯力组成。 按压力大小，型煤的成型可划分如下： 塑垩查兰堡堂垡笙皇兰三皇竺塑堕型堡垡型丝堕堕! ! 一 ( i ) 低压成型：5 0 兆帕以下 ( 2 ) 中压成型：5 0 一1 0 0 兆帕 ( 3 ) 高压成型：1 0 0 兆帕以上 根据现有的成型研究结果，本试验选用成型压力为1 0 0 m p a ，属于高压成型。 煤粒、石灰等颗粒物具有一定的弹塑性，在受外力挤压时，发生弹性形变，它们 相互镶嵌啮合，当外力清除之后，弹性形变及塑性形变被部分保持下来，形成内应 力，由此产生的摩擦力使颗粒相互啮合。 型煤在湿态和干态时的这三种力起的作用不尽相同，一般型煤的成型机理分为湿 态粘结和干态粘接两部分。 1 湿态成型机理 煤粒间存在一定的湿粘接性。煤在加工破碎中的一些键桥或晶格发生断裂，在断 裂面上形成一些不饱和键，使得煤粒间的表面电荷不平衡而呈现出微弱的负电性， 从而在煤粒间表面可吸附一定的阳离子。水分子是偶极体，水的阳离子端被煤粒吸 附后使水分子受到紧缩，在煤粒表面形成一层密度较大的水膜，即粘接性水膜。此 外，煤粒中的钙钠离子溶解于水中，使本来紊乱运动的极性分子绕着它们运动，形 成好像以离子间吸引力结合在一起的水化阳离子。煤粒表面的粘接性水膜通过这个 阳离子水化膜将煤粒相互连接，从而将煤粒群离开成型机型窝时的形状保持下来， 形成具有一定强度的型煤。在湿态，这种力比机械啮合力和煤分子间范得瓦斯力的 都大很多，成型力以它为主。 2 干态成型机理 煤粒间的粘接性水膜的表面张力很大，随着型煤的不断干燥，水膜慢慢变薄，表 面张力进一步增大，煤粒因为受力不平衡而向内移动，从而导致型煤体积收缩，煤 粒间彼此靠的更近，从而使分之间的范得瓦斯力大为增强。同时，煤粒干燥后，煤 粒间的摩擦力也随之增大，煤粒见的机械啮合力也相应增大