1、1固定床内煤热解过程中的颗粒特性分析摘 要：本文在自建的小型固定床上研究了煤在固定床内热解的颗粒特性，考察了诸多因素（温度、热解时间以及粒径大小）对煤颗粒破碎特性的影响。 关键词：固定床 煤的热解 颗粒特性 一、引言 长期以来，由于我国煤炭的综合利用技术落后，煤炭的利用率低下，致使烟尘、二氧化硫等污染物大量排放到环境中，导致大气中 PM2.5 等悬浮颗粒物浓度逐年上升。所以，合理、高效、节约地开发和利用煤炭资源成为我国发展清洁能源的重要出路。 煤炭无论是进行燃烧，还是气化、液化、干馏，煤的热解都是这些过程的初始和伴随反应，因此热解是煤热加工过程的最基础过程。热解是大多数煤转化过程首要及重要的步
2、骤，它主要受温度，压力，升温速度，煤颗粒尺寸，煤级和反应环境影响。 二、煤热解研究对煤炭利用的意义 煤的热加工是当前煤炭加工中最重要的工艺，热解是许多煤转化过程的前驱步骤，对后面的转化步骤有重要影响。煤的热解与煤的热加工技术关系极为密切，取得的研究成果对煤的热加工转化过程有直接的指导作用。 另外，煤的热解还是气化、液化等转化过程的重要步骤。为石油化2工、电力等领域新技术的产生、研究和发展，提供理论依据。 随着人们对煤热解应用技术研究的深入和燃烧技术的发展，为煤的高效、经济、清洁利用提供了新的途径。 三、本文研究的内容 本文研究的主要任务是设计和搭建小型固定床实验台以及研究固定床内煤热解过程中的
3、颗粒特性。其具体研究内容如下： 1.设计并搭建用于研究固定床内煤热解过程中的颗粒特性分析的装置； 2.调试和改进、完善试验台，并在试验台上进行各组煤的热解实验，重点考察不同的床温，燃料的粒径，初始粒径对热解破碎的影响； 3.针对所选煤种进行煤的结构和热解反应规律的研究，掌握煤热解气化过程中的热解破碎机理； 4.熟悉固定床气化炉的工作特性； 5.根据实验数据得出破碎的规律，为实际煤气化炉的优化提供依据。四、固定床反应器简述 固定床反应器又称填充床反应器，定义为：凡是流体通过固定不动的固体颗粒构成的床层进行反应的装置都称作固定床反应器。又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应
4、过程的一种反应器。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。 五、煤热解破碎实验 3用筛分法对霍林河褐煤进行分选，得到不同粒径的煤颗粒。在搭建的小型固定床上进行热解破碎试验。通过对几组煤在热解过程中破碎特性的研究，考查了煤颗粒粒径、炉床温度、停留时间对破碎的影响。 实验装置为一小型固定床试验台，该试验台配备的载气为氮气，在床层内安装 K 型铠装热电偶，用于监测炉内温度，恒温加热仪为型恒温仪，样品粒径分布特性通过不同规格的筛子进行筛分得到。 1.煤颗粒破碎特性的实验步骤 试验分三组进行，测试煤颗粒在不同升温速率和不同颗粒尺寸下的热破碎情况。
5、粒径为 0.5mm1mm，1mm2mm 和 2mm3mm 的煤颗粒；热天平的升温速率分别为 50K/min，100K/min 和 150 K/min。在实验过程中采用 0.28mm 到 0.4mm 石英砂砂作床料，加入定量的煤颗粒。通过石英玻璃管的外套电加器保证实验过程中的温度，燃烧气体成分通过出口管通出。热解过程中的煤颗粒以及热解完全的煤颗粒通过冷却后测定其粒度分布。热解后的破碎颗粒留在石英板上，最后对破碎的煤颗粒进行筛分称重。 开始时先通入氮气，以置换出反应器中的空气也用来保护炉内的惰性反应气氛，同时及时将煤热解产生的挥发性产物带离样品，从而减少由于二次反应对试样瞬时重量带来的影响。当达到
6、预定的实验温度时，将一定粒度的实验煤样从反应管顶部一次加人到固定床中，并迅速拧紧顶盖法兰，此时实验煤样将以固定床状态经历氮气气氛下的热解、气化及燃烧等反应，获得不同气氛下多因素对煤热解颗粒特性变化的影响。 2.煤热解的不同影响因素 4在实验过程中，对各种不同的煤在实验台架上进行了实验，观察其在热解后的单位长度范围内的质量变化分布。 2.1 炉床温度 床温分别 450，520，600下的热解 2.2 停留时间 分别在床内停留 10min，20min 后取出煤样观察 2.3 煤颗粒粒径 3 种不同的煤颗粒径（分别为：0.51mm、23mm 与 34mm）在实验台上进行了实验 3.实验数据图 由于用
7、和龙烟煤做实验时结渣造成固定床管严重堵塞，所以其筛分特性无法得到，以下图形均是霍林河煤的筛分特性图。煤质分析见表 5-1 共分 7 组工况，以进行对比： 3.1 粒径为 34mm 炉内停留时间为 20min 终温 600 3.2 12mm 20min 520 3.3 12mm 10min 520 3.4 0.51mm 20min 520 3.5 12mm 20min 600 3.6 34mm 20min 520 3.7 12mm 20min 450 在筛分破碎后煤粉时，有一定量的煤粉无法筛分出来，但是事先对这个结果做了最大限度的降低，从各处文献资料来看，煤粉破碎量最少的粒径分布在 0.30.5
8、mm 范围内，而这个粒径也是在做试验筛分沙子的时候最少的，取得足够的石英砂是必要的。由于石英沙不会热分解，因此在处理结果时只要把沙子的粒径分布处理掉，即可得破碎后煤的粒径5分布。 试验过程中加样品时开盖温度 620oC 闭盖时温度 604oC，加热过程中温度最高升到 623oC 最低降到 585oC，加热时间 20 分钟。 试验过程中加样品时开盖温度 524oC 闭盖时温度 498oC，加热过程中温度最高升到 530oC 最低降到 480oC，加热时间 20 分钟。 试验过程中加样品时开盖温度 540oC 闭盖时温度 518oC，加热过程中温度最高升到 532oC 最低降到 483oC，加热时
9、间 10 分钟。 试验过程中加样品时开盖温度 538oC 闭盖时温度 521oC，加热过程中温度最高升到 529oC 最低降到 476oC，加热时间 20 分钟。 试验过程中加样品时开盖温度 598oC 闭盖时温度 580oC，加热过程中温度最高升到 626oC 最低降到 592oC，加热时间 20 分钟。 试验过程中加样品时开盖温度 541oC 闭盖时温度 525oC，加热过程中温度最高升到 532oC 最低降到 488oC，加热时间 20 分钟。 试验过程中加样品时开盖温度 460，闭盖时温度 448，加热过程中温度最高升到 472最低降到 434，加热时间 20 分钟。控温过程中之所以会
10、出现最高最低温度是因为恒温破碎需要先将温度升到预定值，再开盖加入试验样品，开盖后床内温度必定有所改变，而闭盖后的温度波动是由于温控表不太灵敏所致。试验表明开盖温度最好高于预定温度20oC 左右放入样品煤粉，才不至于闭盖温度太低与预定加热温度，而再调温的过程中加热或是停止加热时，都要预留一定的缓冲温度段。 六、实验结果 同加热时间同加热温度不同粒径比较 6根据实验结果可知，520下，加热 20 分钟，0.51mm， 12mm 和 34mm 的煤颗粒破碎特性随粒径的减小，破碎程度越高，越容易破碎，且破碎后的粒径主要分布在 0.28mm 以下。 同粒径同加热温度不同加热时间比较 加热温度相同的 12
11、mm 粒径的煤，加热时间越长破碎程度越明显，且破碎后的粒径主要分布在 0.28mm 以下。 同粒径同加热时间不同加热温度比较 加热时间相同的 12mm 的煤粉加热温度越高破碎现象越显著，且破碎后的粒径主要分布在 0.28mm 以下。 并且所有破碎图有一个共同的特点是粒径集中分布在所取煤样粒径的下一个粒径段和 0.28mm 以下这个粒径段。 七、结语 本文以煤热解的颗粒特性为研究对象，自行设计并搭建了小型固定床试验台，并应用它研究了霍林河褐煤的热解破碎特性。通过试验台的设计、搭建、调试、改进和破碎试验得出以下结论： 1.热应力在大颗粒炭粒表面处具有最大的压应力，在炭球中心具有最大的拉应力，拉应力
12、是造成炭粒破碎的主要原因。大颗粒炭粒内部的气孔、裂隙很可能成为破碎中心，虽然这些破碎中心可能不位于球心，但由于它很容易产生应力集中 ，即使当球心处的热应力还远未达到炭粒的极限抗张强度时，该处的应力值已超过炭粒的极限抗张强度，而使炭粒发生破碎； 2.根据实验结果可知，在加热时间和加热温度相同的情况下，煤颗7粒破碎特性随粒径的减小，破碎程度越高，越容易破碎。在加热温度和煤颗粒的粒径相同的情况下，加热时间越长破碎程度越明显。在加热时间和煤颗粒的粒径相同的情况下，加热温度越高破碎现象越显著。 而且所有破碎图有一个共同的特点就是破碎后的煤颗粒径分布都是呈两头多的葫芦状，即粒径集中分布在所取煤样粒径的下一
13、个粒径段和 0.28mm 以下这个粒径段。 由于国内外对煤热解的研究还没有达到非常成熟的地步，一些理论和试验的提出主要是顺从对煤燃烧研究的思路，因此在某些方面存在着一定的弊端。本文从部分颗粒特性和热解试验方面对煤热解的颗粒特性进行研究，只得到了一部分结论。由于时间和技术上的限制，本文的工作只能到此为止。对于煤热解的研究尚有许多具有意义同时也富有挑战性的工作。 参考文献 1于涌年.煤炭利用回顾与未来有效技术.煤化工，1994，6（3）：7477. 2旷戈，张济宇，林诚等.粉煤热解气化过程颗粒大小变化的影响因素，燃烧科学与技术，2003，12（4） ：289294. 3吴正舜，刘欣，吴创之等.煤在燃烧过程中的破碎.电站系统工程，2003， ，19 （2） ：46.
