煤颗粒脱挥发分的数学模拟研究.doc

煤颗粒脱挥发分的数学模拟研究第24卷第2期嘏=I料化学19964月JOURNAlOFFUELCHEMISTRYANDTECHNOIOGYvo1.2No2Ap1.】996一j5煤颗粒脱挥发分的数学模拟研究王国金.李术元/王剑秋钱家麟朱亚杰大_l_.lo0o8s)关键词4些堡茎坌,煤墨盟?模拟教学横,2煤脱挥发分过程是煤的焦化,气化和燃烧等工艺中的基础步骤.开发煤颗粒脱挥发分的数学模型对于煤加工工艺操作参数的制定,生产过程自动控制和反应器的设计具有重要意义.国内外许多学者已对煤粉脱挥发分动力学进行了广泛的研究,其中有影响的为:Kobayashi的双竞争模型,即煤的脱挥发分以两个互相竞争的平行反应来控制,一个在低温下起主导作用,而另一个在高温下起主导作用;Anthony的无限多个平行反应模型.即认为挥发过程通过无穷多的平行反应完成,并假定视频率因子相同.而活化能呈连续的高斯分布;Solonm的基元组分模型.认为煤是由各种官能团(如羧基,羟基,醚,芳香氢,脂肪氢和烷基侧链等)组成?每一官能团的热解参数不随煤种而变.但其总体反应速率随煤种变化,原因归结为不同原煤所含的官能团数量初始值的差异.上述模型未考虑传递现象的影响,不适合预测煤颗粒的脱挥发分过程傅维标,张燕屏:z,3-等人提出了通用的用于预测煤粒热解的FuZhang模型,该模型的先进之处在于考虑了煤粒内部温度分布的不均匀性和煤颗粒与周围环境的能量传递.但其通用性则有待商榷:(1)模型认为煤粒的热解动力学参数(视频率因子和活化能)不随煤种变化,由此可以推论.如果把煤磨细(<200目),所测得的各种煤的本征动力学参数相同,这显然与实际情况不符;(2)模型认为煤粒的热物性参数如热容和导热系数不因煤种及煤灰分含量而变化,这也与实际情况有重大差异;(3)模型中忽略了反应热的影响,这对于高挥发分年青煤(如褐煤)的热解将产生严重的偏差.童建民采用文献2中相同的方法和装置研究了腐泥煤(油页岩)颗粒的热解动力学,求得的视频率因子,活化能与文献差别甚大,导温系数也由o.02930.0580W/M.K调整为20W/M.K,这从实践上说明了FuZhang模型在通用性上遇到的问题.鉴于煤是由有机大分子和无机矿物质组成的复杂混合物.煤的变质程度,岩相组成等性质将对煤脱挥发分过程产生重要影响本文基于煤变质程度和显微组成影响煤中有机质脱挥发分的本征动力学和反应热.煤中矿物质影响煤的热物性这一事实,通过耦合煤本征化学反应动1995年1月9日收到中国石油化工总公司发展部和国家教委博士基金资助课题.现在通讯地址:l00085北京2852信箱中国石化长城高级澜楫油公司182燃料化学24卷力学和传热过程.建立了一个考虑了煤性质并适用于各种实际热解条件的煤颗粒脱挥发分数学模型.开发出了相应的求解软件,可以方便地预测不同时刻煤粒热解的转化率以及各种因素的影响;相应地本文在热天平装置上进行了炉温分别为760C和800C模拟工业生产条件的煤粒热解实验.获得瞬间的热解转化率,以从实践上考察本模型的适用性和FuZhang模型的通用性.1煤颗粒脱挥发分数学模型的建立假设:(1)媒颗粒为球形,且在热解过程中形状和尺寸保持不变;(2)热解产物的传质速度很快,煤颗粒内导热为热解过程的控制步骤.1.1煤脱挥发分的本征动力学dX-koeXp(一E/R71)(卜x)1.2煤粒的能量方程初始条件:t一0时,TYp.Ci8T一(r卜H警边界条件:r一0处,aT一.y-R处.A一h(TBY)+dF(T一7)h由Nu一2.0+RePr确定.r:R处的边界条件和h的计算,实际上体现了外界环境(生产操作条件)对煤颗粒温度分布或热解转化率的影响;例如,焦炉内程序升温时,则7一ToTV炉内温度保持一定值,则TB=Constant.上式中各符号的意义和量纲为:一时间(s);X一热解转化率;k.和E热解本征动力学的视频率因子(s)和活化能(kJ/too1);R一气体常数(8.314kJ/too1.K);T温度(K);To一室温或初温(K);T一炉壁温度(K);T煤颗粒表面温度(K);C.和k一煤的热容(kJ/kg.K)和导热系数(kJ/M.K.S);r煤粒内部径向位置(M),H一煤热解反应热(kJ/kg);煤的真密度;e一煤的黑度(0.9);一波尔兹曼常数(1.38lO26kJ/K);F角系数(1.O);h对流传热系数(w/m.K).V一焦炉升温速度(K/s);Nu,Re和PT分别为Nusselt,Reynolds和Prandtl准数.数学模型的求解:通过有限差分将能量方程离散化(21层).得到一组严重耦合的非线性方程组,采用有界Wegstein迭代法求得任意时刻煤颗粒内的温度分布和转化率分布,最后利用辛普森积分技术即可求出煤颗粒热解的平均转化率2实验本实验所用热解装置为LCT一1改进型的热重差热分析仪,样品为茂名腐泥煤.为模拟实际生产中煤料进人反应器后的快速受热分解条件,在进行实验时,首先将样品置于托盘上,固定石英保护管后,通载气;再将加热炉抬起置于石英管上方160mm处后升温,待炉温达到给2期王国盘等:煤颗粒脱挥发分的数学模拟研究183定值并稳定后,突然将炉子放下,使样品迅速受热脱挥发分.该过程的瞬间失重信号由记录仪打印输出.为保护热天平不受热解产物(如焦油)的污染,采用空气为载气从天平托盘下部通入而由石英管顶部排出.煤粒热解脱挥发分形成的Stefen流可阻隔空气与样品的直接接触,保证热解过程的顺利进行.实验条件:炉温76O800C;空气流量2000ml/min;样品粒度5.27.0ram.3结果与讨论本模型中所用本征动力学,反应热和热物性参数分别取自文献,FuZhang模型计算中的参数取自文献;本模型与FuZhang模型预测值和实验所得热解转化率的对比示于图1.可见本模型与实验吻合得较好.而FuZhang模型与实验值存在较大的偏差.煤中有机质是由多种官能团组成的有机大分子,当受热分解时,不同的官能团断裂而产生各种挥发分产物.文献.认为.不同煤种官能团的种类相似.所以不同煤种释放的挥发物成分是相似的;当煤热解时.一个链的断裂需要一定量的能量.对任何煤种,相同的链断裂需要相同的能量,因此在同样的颗粒温度下.对任何煤种中的相同的官能团,其振动频率是一样的,这样对于任何煤种的热解,表示化学因素的动力学参数应该是相同的.本文作者认为,上述推论忽视了煤中官能团在煤结构中所处环境的不同,以及官能团数量的差异,例如由于变质程度的不同,褐煤中羧基的数目远大于无烟煤中的;从显微结构层次来看,即使是同一种煤,由于其显微组成的差异,其热解性质也是不同的,例如富古稳定组分的烟煤比富含丝质组分的烟煤热解速度要高得多.FuZhang模型还忽视了煤中矿物质含量的不同所造成煤导热性质的重大差异.1?nl000.n图1在不同条件下煤颗粒的热解动态Fig.1Coalparticlepyrolysisundervariousconditionsafurnacetemperature:760?cosparticesize:7.Ommb.furnacetemperature:800,coaparticlesize:5.2mmFuZhangmodepredictionpresentmodeprediction-experimenta184燃料化学24卷本文所建立的热解模型充分考虑到了煤种有机质热解化学动力学及反应热的差异,并且将煤灰分含量的影响反映于煤的热物理性质上,比较真实地反映了煤复杂的物理化学特征,所以其预测值与实验值符合较好.本模型需要的煤本征动力学参数,由热天平测得的一条非等温曲线即可求出;已开发出的模型数值解软件,只要输人煤种性质和实际工况条件(如炉温和载气流量等),即可得到任一时刻的煤热解转化率或挥发分产量,便于在实际中应用.4结论(1)在考虑煤本征热解动力学,反应热和热物理性质的基础上.本文建立了一个新的煤粒热解数学模型,其预测值和实验值吻合良好(2)FuZhang煤粒热解通用模型不适用于茂名腐泥煤,原因在于该模型忽视了煤变质程度和显微组成对煤有机质本征热解动力学与反应热的影响,以及煤中矿物质对煤宏观热物性的影响.(3)本文所开发的数学模型及其预测技术.具有精度高,适应多种工况条件等优点,便于在工业生产中采用.参考文献Bliek.EJournal,l985:31(L):l686张燕屏煤的挥发份析出规律的研究.清华大学硕士论文,L986傅维标.张燕屏.煤粒热解通用模型(FuZhang模型).中国科学(A辑),1988,12(4)1283童建民颗粒油页岩热解通用动力学规律的实验研究.清华大学硕士论文,l993俞昌铭.热传导及其数值分析,北京:清华大学出版社,l981:392MyersandSeider.IntroductiontoChemicalEngineeringandComputerCalculations.NewJersey:PrenriceHa【】,L976:49O周力行,燃烧理论和化学流体力学,北京:科学出版社,l986:29李术元.钱家辩,秦匡宗,朱亚杰.石油(石油加工版),L986.2(3);l王廷芽,陆绍信.朱亚杰.华东石油学院,1986.10(L):121l23456789r2期王国金等:煤颗粒脱挥发分的数学模拟研究185STUDYoNMATHEMATICALMoDELLINGoFCoALPARTICLEDEVoLATILIZATIoNWangGuojinLiShuyuanWangJianqiuQianJialinZhuYajie(Dept.|ChemicalEngineering,UniversityofPetroleum,Belng)ABSTRACTAscoalisacomplexmixtureoforganicmacromoleculesandinorganicmaterials,thepropertiessuchascoalmetamorphism,petrology.etc.,playanimportantroleineoaldevolatIli2ation.Amathematicalmodelfordevolatilizationofcoalparticle,involvingcoalproperties,andbycouplingofintrinsickineticsofcoalpyrolysiswithinternalandexternalheattransfer,hasbeendeveloped;Pyrolysisexperimentsoncoalparticlehavebeencarriedoutinathermogravimetricanalyzersimulatingbehavi