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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

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第一章绪论

1.1型煤技术概论

1.1.1 型煤的定义与分类

1.1.2型煤的优点

1.1.3型煤的成型方法

1.1.4型煤成型机理假说

1.1.5型煤成型的影响因素

1.1.6 国内外型煤技术的研究与应用状况

1.1.7我国型煤技术的发展趋势

1.2石灰立窑型煤代焦的背景

1.2.1混料式机械化石灰立窑及生产

1.2.2石灰立窑型煤代焦新课题

1.2.3石灰立窑型煤代焦的可行性分析

1.3本文研究的意义与主要内容

1.3.1研究意义

1.3.2主要研究内容

1.4本章小结

第二章 石灰立窑代焦型煤的试验研究

2.1试验考核指标的确定

2.2试验程序及测试方法

2.2.1试验程序

2.2.2测试方法

2.3试验原料煤的筛选

2.4代焦型煤粘结剂的筛选

2.4.1筛选原则

2.4.2常用型煤粘结剂及特点分析

2.4.3石灰立窑代焦型煤粘结剂初步筛选

2.5试验设计与数据处理方法

2.5.1正交试验法

2.5.2直观分析与方差分析法

2.5.3多指标综合评分法

2.6代焦型煤多指标正交试验

2.6.1 正交试验表的设计

2.6.2型煤试样的制备

2.6.3实验研究用仪器、设备

2.6.4正交试验测试结果与综合处理

2.6.5综合加权评分结果的直观分析

2.6.6综合加权评分结果的方差分析

2.6.7正交试验最优结果与检验

2.7石灰立窑代焦型煤粘结剂的作用特性分析

2.7.1 效应曲线图

2.7.2代焦型煤粘结剂的作用机理

2.7.3最佳成型工艺参数分析

2.7.4代焦型煤的防水性能

2.8本章小结

第三章 代焦型煤热对流干燥的实验研究与机理分析

3.1代焦型煤的结构属性

3.2代焦型煤孔隙率的实验测试

3.2.1 测试的基本原理与方法

3.2.2测试仪器设备与试剂

3.2.3实验结果及误差分析

3.3代焦型煤热对流干燥特性的实验研究

3.3.1实验目的

3.3.2实验内容

3.3.3实验方法、装置与过程

3.3.4实验测量误差分析

3.3.5实验数据处理与结果分析

3.4代焦型煤含水率对其冷态机械强度的影响

3.4.1实验方案

3.4.2实验步骤

3.4.3代焦型煤冷态机械强度随含水率的变化

3.5代焦型煤热对流干燥过程的传热传质机理分析

3.5.1代焦型煤与干燥热介质的热质交换机理分析

3.5.2对流干燥过程中代焦型煤内部的热质交换机理分析

3.6本章小结

第四章代焦型煤热对流干燥过程的数值模拟

4.1多孔介质热对流干燥过程的数值模拟研究概况

4.2代焦型煤热对流干燥的物理模型

4.3研究方法

4.4控制方程

4.4.1基本假设

4.4.2代焦型煤内两相流体的流动方程

4.4.3质量守恒方程

4.4.4能量守恒方程

4.5型煤热对流干燥的一维干、湿区数学模型

4.5.1湿区模型

4.5.2干区模型

4.5.3蒸发界面动态边界条件

4.6控制方程组的离散与求解方法

4.6.1控制方程组的离散

4.6.2离散方程组的求解方法

4.7代焦型煤热对流干燥数值模拟的实现

4.7.1数学模型的各参数

4.7.2型煤干燥模拟计算终止的判据

4.7.3型煤热对流干燥数值模拟计算程序的编制

4.8代焦型煤热对流干燥数值模拟结果分析

4.8.1模拟结果的验证与分析

4.8.2型煤干燥过程影响因素分析

4.9本章小结

第五章 石灰立窑代焦型煤燃烧特性的实验研究

5.1代焦型煤燃烧特性的研究方法

5.2代焦型煤的热解特性及动力学分析

5.2.1 实验设备及内容

5.2.2实验结果与分析

5.2.3热解动力学参数求解

5.3代焦型煤的燃烧特性及动力学分析

5.3.1实验设备与内容

5.3.2实验结果与分析

5.3.3燃烧动力学参数

5.4单颗粒代焦型煤燃烧速率的实验研究

5.4.1燃烧温度对代焦型煤燃烧速率的影响

5.4.2代焦型煤尺寸对其燃烧速率的影响

5.4.3通风条件对代焦型煤燃烧速率的影响

5.4.4单颗粒代焦型煤、焦炭和无烟块煤燃烧速率对比实验

5.5代焦型煤在石灰立窑上的应用分析

5.6本章小结

第六章全文总结

参考文献

攻读博士学位期间主要科研业绩

致谢

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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(313)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Sir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Pg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。

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