褐煤干燥及熱解機理研究現狀

張 凱

(中國電能成套設備有限公司，北京 100080)

褐煤干燥及熱解機理研究現狀

張 凱

(中國電能成套設備有限公司，北京 100080)

單個大顆粒褐煤干燥、熱解機理的研究對于褐煤提質技術的開發具有重要的理論與實際意義，可用于該過程的數值計算與優化研究。對于單個大顆粒褐煤而言，在干燥、熱結過程中內部存在較大的溫度、水含量及揮發分含量的梯度，所涉及到的科學問題為多孔介質傳熱與傳質問題。文中主要針對褐煤的干燥機理、熱解機理及堆積態干燥過程機理進行了詳細的文獻調研。

褐煤；干燥機理；熱解機理

0 引 言

褐煤是泥炭經過長期地質成巖作用的產物，即植物殘骸在物理、生物、化學作用下變成的固體碳氫燃料，褐煤是煤炭資源中煤化程度較小的煤，屬于軟質煤。與其它煤種相比，褐煤含氧量高，灰份大，密度小，易于自燃，煤粉容易爆炸。表1給出了截止2007年1月世界煤炭可采儲量。由該表可知，全球褐煤可采儲量約1 496億t，占煤炭可采儲量的17.7%。我國褐煤可采儲量約186億噸，占全國煤炭可采儲量的16.2%[1]。美國、澳大利亞、中國、俄羅斯等國家擁有豐富的褐煤資源。褐煤主要用于燃燒、熱解、煉焦、氣化、提取褐煤蠟及褐煤微生物的轉化與利用，在我國動力與化工用煤中起到重要的作用，見表1。

我國褐煤的特性是高揮發份(50%左右)、高水分(30%左右)、高灰份(30%左右)、低熱值(14 MJ/kg 左右)、低灰熔點[2]。主要分布在東北、西北、西南和華北等地，集中在內蒙古、云南和新疆等省份。由于地區經濟發展相對東部沿海地區較落后的原因，這些地區的用煤量相對較少，因此需要將褐煤運輸到距離比較遠的利用場地。但由于褐煤易氧化自燃以及高水分含量，不適于遠途運輸利用，而且會造成了鐵路系統的運力浪費。

表1 世界各國煤炭可采儲量 億噸

單個大顆粒褐煤干燥、熱解機理的研究對于褐煤提質技術的開發具有重要的理論與實際意義，可用于該過程的數值計算與優化研究。對于單個大顆粒褐煤而言，在干燥、熱結過程中內部存在較大的溫度、水含量及揮發分含量的梯度，所涉及到的科學問題為多孔介質傳熱與傳質問題。文中的研究對象為褐煤的干燥、熱解過程，因此，文獻調研主要針對褐煤的干燥機理、熱解機理，堆積態干燥過程機理。

1 干燥過程傳熱傳質機理研究現狀

到目前為止，由于多孔介質內部結構的復雜性和隨機性，還沒有一種理論模型能夠全面的描述干燥過程中多孔介質內部的熱濕傳遞機理?，F有的干燥模型主要有以下三類。

表2 已提出的薄層干燥經驗模型

(1)經驗模型：當物質的外部干燥條件恒定時，可以使用引入時間項的經驗模型。已提出的部分薄層干燥經驗模型見表2。經驗模型的缺點是由于模型中有時間項，當干燥條件發生改變時，該模型不再適合，模型使用范圍受限。

(2) 熱質耦合理論模型：已提出的熱質耦合理論模型主要有液態擴散模型、毛細流動模型、蒸發-冷凝模型、Luikov非平衡熱力學理論模型、Philip與De Vries模型、蒸發前沿模型、Whitaker體積平均模型理論和孔道網絡干燥模型等。系統完善的干燥理論不但要能解釋物料干燥過程中出現的熱濕現象，而且還應該給出相應的干燥模型，進而去預測在一定條件下物料的干燥特性，并能根據模型計算出物料的干燥速率曲線和干燥曲線。

(3)特征干燥速率曲線模型：該模型認為，在降速干燥段，特征干燥速率曲線是干燥物質特有的，可以通過薄層干燥實驗得到濕物質的特征干燥速率曲線，特征干燥速率曲線體現了相對干燥速率與特征水含量之間的關系。相對干燥速率和特征水含量的定義式如下：

(1)

式中：Win為恒速干燥速率，如果干燥速率曲線不存在恒速干燥段；Win就等于最大干燥速率；X為干基水含量。

針對褐煤的干燥機理研究，Chen等[8]建立了一個過熱蒸汽干燥褐煤球形顆粒的模型，該模型建立在退縮面假設的基礎上，指定蒸發僅發生在干燥前沿。隨著干燥進行，干燥前沿從顆粒表面向顆粒中心移動。其計算結果與實驗數據(Hager等[9]文獻中關于陶瓷顆粒的實驗結果)進行了比較。然后模型被用于研究系統參數、熱物性參數對煤干燥行為(包括轉換溫度)的影響。Looi等[10]完成了褐煤顆粒在過熱蒸汽中的干燥實驗，利用了Chen等的干燥模型，發現預測值總是低于實驗值。

Bongers等[11]研究了澳大利亞低階煤(Loy Yang、Morwell和South Australian Bowmans煤)在受壓蒸汽中的平衡水含量。實驗中蒸汽溫度180～260 ℃，壓力1～2.5 MPa。研究發現：平衡水含量是過熱度的簡單函數，當絕大部分的水被脫除后有機物質的釋放才變得明顯。

由上述研究文獻可以發現，對褐煤顆粒干燥的研究相對較少，已有模型難以揭示固體褐煤顆粒干燥機理。

2 熱解動力學機理研究現狀

煤熱解是氣化、液化過程的組成過程，同時也是燃燒的重要初始過程，對著火過程有很大的影響。由于其自身的復雜性，影響煤熱解過程的因素眾多，如煤階、礦物質成分、粒徑大小、升溫速率等，這些因素給熱解機理的研究帶來很多困難。

采用熱解模型來描述煤粉的熱解機理是十分重要的，長期以來廣為國內外學者所關注。至今，已經建立了許多傳統熱解模型去描述熱解過程的機制，例如單一反應模型、有限多平行反應模型、分布活化能模型等。單一反應模型一般將反應采用一級或n級來表示，有限多平行反應模型認為煤的熱解是單個化合物或幾種化合物的熱分解，而Pitt[12]認為煤的熱解過程有無限多平行反應同時發生，可用無限多平行反應模型描述。Anthony等人[13]在Pitt的基礎上發展了無限多平行反應模型，其假設煤熱解所發生的數量眾多的反應的活化能呈一定的分布，故又稱之為活化能分布模型。但以上模型仍然存在預測結果偏差較大、適用性差、引入過多不合理假設等問題。

對于大顆粒熱解而言，Larfeldt等[14]建立了木材球形顆粒熱解模型，驗證了木材粉末熱解機理。Sadhukhan等[15]在實驗室內完成了球狀、圓柱狀木材顆粒在電加熱爐中的熱解實驗，利用木材熱解的二次反應熱解機理建立熱解模型。

褐煤由于儲量豐富日益受到關注，而褐煤揮發分的熱解行為對其利用具有重要影響。以往研究中對于熱解行為的研究大都局限在細煤粉顆粒上(微米級)，大顆粒(厘米級)的熱解行為研究較少，而大顆粒由于加熱速率的原因其揮發分的析出特性與小顆粒存在顯著差別。

3 堆積態干燥過程研究現狀

對于固定床堆積態干燥過程研究，首先在實驗室搭建固定床堆積態干燥實驗臺架，獲得堆積態干燥過程相關實驗數據。固定床干燥過程數值建模研究中將流體簡化為柱塞流，采取基于褐煤顆粒內部、固定床高度均劃分網格的多尺度計算法，該方法的優點是能夠獲得固定床內部不同高度處顆粒內部的微觀信息。求解固定床褐煤干燥多尺度數值模型，并與實驗結果進行了對比，模型具有較好的計算精度，為稠密顆粒多孔介質數值計算提供新方法。同時建立固定床集總參數數值模型，并與實驗及多尺度固定床干燥模型進行對比。最終獲得通過固定床干燥實驗驗證的堆積態干燥過程傳熱和傳質模型，為其應用到到水平移動床裝置數值計算研究提供理論支持。

目前，研究堆積態顆粒中的傳熱過程可以采用兩種能量方程模型，分別是局部熱平衡模型和非熱平衡模型。第一種模型假設顆粒相和流體相溫度相等，在任一位置滿足局部熱平衡。但是在很多實際情況中，這個假設并不成立。最近，很多學者針對局部非熱平衡情況，進行了一些堆積態顆粒中的對流傳熱的理論和數值研究，他們認為非熱平衡模型能夠更精確、合理地描述了固定床內物料的傳熱過程。Naghavi等[16]，Aregba等[17]利用非熱平衡模型計算了床層不同深度處的水分含量和熱風溫度，并通過固定床干燥試驗驗證了該計算模擬結果的正確性；Chekib等[18]利用非熱平衡模型計算了生物質顆粒在固定床反應器內的熱解過程，其采用二維數學模型，考慮二維熱質傳遞的影響，計算結果與實驗符合較好。為了考慮氣相速度分布對干燥過程的影響，Sitompul 等[19]在連續性方程、N-S方程中引入空隙率和床層曳力系數，利用非熱平衡模型對固定床內谷物的干燥過程進行了數值模擬，發現計算結果能夠真實反映固定床內的傳熱過程。

對于堆積態干燥過程來說，固定床干燥器應用最為廣泛。固定床干燥被大量地應用在農業、化工領域。最近，隨著計算機技術的發展，數值計算大量應用到固定床干燥傳熱、傳質過程，其最終目的是利用數值計算優化干燥過程和輔助設計干燥裝置，進而逐步減少費時費力的實驗工作。固定床內傳質過程模擬基本方法是將床內物料等分為一系列薄層，將時間等分為一系列時間間隔，利用薄層干燥速率方程計算熱空氣狀態和物料組分的變化，這樣逐層計算，最后得到固定床內物料的傳質效果。薄層干燥速率方程是顆粒平均水分含量和其他一些可能的影響參數(例如干燥介質的溫度，濕度等)的函數。但是，這樣的模型忽略了顆粒內部傳熱、傳質過程，不能夠揭示固定床中顆粒內部的干燥細節。針對以上問題，一些學者在研究固定床干燥過程中考慮了顆粒內部的水分傳遞過程，Sitompul等[20]將單顆粒擴散耦合到固定床谷物干燥模型中，但是計算結果并未給出顆粒內部的干燥信息。另外，Saastamoinen等[21]利用簡化的退縮面模型計算了固定床內木塊的干燥過程，但是簡化模型并未與單顆粒干燥情況進行對比，是否反映單顆粒干燥過程有待驗證，其固定床計算結果中也未給出不同位處顆粒內部的干燥行為。實際上，很多學者對退縮面模型和擴散模型描述顆粒內干燥過程的準確性提出質疑[22-23]。由此可以發現，對固定床褐煤顆粒干燥的研究并不完善。

4 結束語

綜上所述，對于褐煤提質過程，已經開展了一定的基礎與應用研究工作，并取得了一定的研究成果，目前仍然存在一些阻礙褐煤提質技術發展與大規模應用的基礎科學問題。針對大顆粒褐煤的干燥實驗、機理研究較少，已有模型難以揭示固體褐煤顆粒內水分遷移機理。開展實際裝置的熱質傳遞過程優化分析是實現大型化褐煤干燥提質應用的重要需求。

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Study State Review of Lignite Drying and Pyrolysis Mechanism

ZHANG Kai

(China Power Complete Equipment Co., Ltd, Beijing 100080, China)

The mechanism of drying and pyrolysis of single coarse lignite particles has important theoretical and practical significance for the development of the lignite upgrading technologies, and it can be used for simulation and optimization study. For single larger lignite particles, there is significant difference of particle temperature, water content and volatile content, and the scientific question is about the heat and mass transfer of the porous medium. In the study, the study state review is completed for the mechanism of lignite drying and pyrolysis.

Lignite; Drying mechanism; Pyrolysis mechanism

2014-10-10

2014-11-09

張 凱(1982-)，男，主要從事煤化工及火電設備招標工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.011

TD849.2

B

1009-3230(2014)12-0046-05