本文關(guān)鍵詞：低階煤熱敏特性及其熱力破碎機(jī)理研究

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【摘要】：我國低階煤資源儲量豐富,但由于其煤化程度低、水含量高、揮發(fā)分高、發(fā)熱量低、反應(yīng)活性強(qiáng)等煤質(zhì)特性,需經(jīng)脫水提質(zhì)才能大規(guī)模利用。國家能源科技“十二五”規(guī)劃將低階煤提質(zhì)改性技術(shù)列入重大技術(shù)研究領(lǐng)域,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適應(yīng)性廣的低階煤提質(zhì)改性技術(shù)與工藝,因此近年來國內(nèi)一些研究單位先后研發(fā)了不同的低階煤脫水提質(zhì)技術(shù),并建成了多個(gè)大型示范項(xiàng)目。低階煤熱穩(wěn)定性較差,各種干燥提質(zhì)技術(shù)均存在煤顆粒干燥過程中因熱沖擊作用發(fā)生嚴(yán)重破碎和粉化的問題,導(dǎo)致除塵系統(tǒng)阻力過大,項(xiàng)目在安全性方面存在一定隱患,難以實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷運(yùn)行,且粉塵對環(huán)境影響較大。隨著國內(nèi)多個(gè)大型低階煤干燥提質(zhì)項(xiàng)目的相繼停運(yùn),低階煤干燥過程中破碎粉化等技術(shù)問題日益凸顯,制約了低階煤干燥提質(zhì)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。目前國內(nèi)外針對低階煤在干燥過程中破碎粉化特性及其機(jī)理的相關(guān)基礎(chǔ)研究鮮有報(bào)道。本研究針對上述問題,采用熱力干燥實(shí)驗(yàn)對不同變質(zhì)程度的低階煤進(jìn)行脫水提質(zhì),探索低階煤在純熱力作用下的破碎特性,考察了不同因素對熱破碎的影響,提出了適用于描述低階煤整體破碎程度和粉化程度的度量指標(biāo);利用機(jī)械熱分析法、低溫氮吸附法、紅外光譜分析法等手段,系統(tǒng)地研究了低階煤在干燥過程中的熱物性特征、煤孔隙結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)的變化規(guī)律,建立了低階煤熱敏特性表征體系;提出了熱敏感度的測定方法,通過煤巖分析、核磁共振等手段,系統(tǒng)地研究了不同變質(zhì)程度、巖相組成、分子結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素對熱粉化性的影響;采用滾筒干燥和轉(zhuǎn)鼓干燥工藝,考察了熱力、機(jī)械力不同的加載方式對低階煤破碎粉化的影響;通過建立單顆粒煤在純熱力作用下發(fā)生破碎的數(shù)學(xué)模型,考察脫水過程中溫度梯度和濕度梯度對顆粒內(nèi)部應(yīng)力場的作用,分析顆粒破碎機(jī)理。低階煤在干燥過程中因水分的脫除發(fā)生的破碎現(xiàn)象遠(yuǎn)不及其在高溫條件下(氣化或燃燒)因揮發(fā)分的脫除而導(dǎo)致的熱破裂現(xiàn)象明顯,故需針對低階煤低溫干燥過程提出表征破碎特性的指標(biāo)。本研究自主設(shè)計(jì)了箱式干燥裝置,采用篩分實(shí)驗(yàn)對低階煤在純熱力作用下的破碎特性進(jìn)行了探索性研究,首次提出了適用于描述低階煤整體破碎程度和粉化程度的度量指標(biāo),并考察了干燥溫度、干燥程度、入料粒度、升溫速率和不同煤種五個(gè)因素對低階煤破碎特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),不同條件下低階煤顆粒干燥后粒度組成與入料粒度組成均存在較大差異,但隨著各因素的變化,出料粒度分布變化程度不同。其中,干燥程度、入料粒度、升溫速率和不同煤種對出料粒度分布的影響較大,不同干燥溫度對出料粒度分布的影響很小。通過研究提出了表征顆粒破碎程度的多粒徑指標(biāo)相對破碎率,對比以往的研究人員提出的單一粒徑指標(biāo)破碎率,相對破碎率更好的反映了整體粒徑分布的變化情況,且對不同的影響因素較為敏感。通過考察不同粒級的破碎生成顆粒在粒度分布、孔徑分布和顯微組分組成上的差異提出了表征顆粒粉化程度的指標(biāo)粉化率。低階煤在干燥過程中物理化學(xué)和熱特性均會發(fā)生一定變化,本研究建立了低階煤熱敏特性指標(biāo)體系,包括孔隙結(jié)構(gòu)、膨脹特性、機(jī)械強(qiáng)度和含氧官能團(tuán)四個(gè)方面。采用低溫氮吸附法研究了干燥過程中低階煤的孔隙結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)隨著干燥程度的加深,低階煤的孔隙結(jié)構(gòu)迅速復(fù)雜化。干燥初期,煤中水分因吸熱體積發(fā)生膨脹,煤顆粒內(nèi)部的壓力增大使得孔隙發(fā)生擴(kuò)張,顆�？左w積變大;全水分降至15%后,進(jìn)入降速脫水階段,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生擴(kuò)張的現(xiàn)象加劇,其孔體積增大速率也明顯加快�？讖椒植紨�(shù)據(jù)顯示,干燥處理后的煤樣大孔和微孔百分比均出現(xiàn)不同程度下降,而中孔百分比上升較為明顯,說明干燥會導(dǎo)致煤樣孔隙向中孔過渡。利用熱機(jī)械分析儀研究了干燥過程中低階煤的升溫膨脹與失水收縮特性。結(jié)果表明對同一煤種而言,干燥溫度越低,煤樣發(fā)生收縮的時(shí)間越長,相應(yīng)的最大收縮量越小,收縮速率越慢,程度較緩和;干燥溫度越高,煤樣在相同時(shí)間內(nèi)失水越多,失水速率越快,由濕度梯度引起的濕應(yīng)力作用更大,導(dǎo)致煤樣內(nèi)部的應(yīng)力點(diǎn)增多,孔隙、裂隙坍塌程度更劇烈,收縮過程的宏觀現(xiàn)象表現(xiàn)也更為明顯。不同煤種在干燥過程中收縮性差異較大。對比不同煤種的tma試驗(yàn)數(shù)據(jù)和干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,煤樣的相對破碎率和粉化率指標(biāo)與相應(yīng)的膨脹性指標(biāo)最大收縮量具有很強(qiáng)的一致性,說明熱膨脹性強(qiáng)的煤在干燥過程中更易破碎及粉化。以抗碎強(qiáng)度和相對破碎率作為評價(jià)指標(biāo),研究了干燥過程中顆粒的機(jī)械強(qiáng)度變化,結(jié)果表明一定粒徑的煤顆粒其抗碎強(qiáng)度隨著溫度的升高,呈現(xiàn)遞減趨勢,且減小速率也不斷增大;隨著干燥程度的加深,呈線性遞減趨勢;隨著粒徑的增大呈冪函數(shù)減小趨勢。針對低階煤熱粉化性的內(nèi)在影響因素,前人從未進(jìn)行過報(bào)導(dǎo),本文提出了熱敏感度的測定方法,系統(tǒng)地考察了不同變質(zhì)程度、煤巖組分、大分子結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素對熱敏感度的影響。研究發(fā)現(xiàn),不同變質(zhì)程度煤的熱敏感度差異較大。隨著最大鏡質(zhì)組反射率的增大,低階煤的熱敏感度呈現(xiàn)指數(shù)型的減少;隨著全水分和揮發(fā)分含量的增大,熱敏感度呈現(xiàn)指數(shù)型的增大;而灰分含量與熱敏感度相關(guān)性較差;低階煤的熱敏感度與原煤孔體積大致呈現(xiàn)正相關(guān)性。扎哈淖爾長焰煤的三種宏觀煤巖組分中亮煤富含鏡質(zhì)組,灰煤中惰質(zhì)組成分含量最大,而暗煤中的礦物質(zhì)成分占比最大。三種煤巖組分的熱敏感度存在一定差異,其中亮煤的熱敏感程度最小,暗煤熱敏感程度最高,灰煤居中。暗煤因富含惰質(zhì)組在干燥受熱過程中較易發(fā)生破碎生成細(xì)顆粒產(chǎn)物,且暗煤的礦物質(zhì)含量較高,在干燥過程中礦物質(zhì)與煤基質(zhì)之間易因溫度梯度引起的熱應(yīng)力和膨脹度不均勻?qū)е碌膽?yīng)力產(chǎn)生裂紋并發(fā)生演化,其熱敏感度在三者中最大。在煤的大分子結(jié)構(gòu)方面,隨煤分子中的芳構(gòu)化程度不斷提高,其熱敏感度呈現(xiàn)對數(shù)型減小趨勢;煤中脂碳參數(shù)越高,熱敏感度越高,兩者為正相關(guān)關(guān)系;含氧官能團(tuán)參數(shù)越高,熱敏感度越高。因煤在工業(yè)干燥過程中不僅受到熱力作用,同時(shí)受到機(jī)械力作用,本研究對比考察了熱力、機(jī)械力不同加載方式對低階煤在干燥過程中破碎特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),在熱力與機(jī)械力耦合加載的方式下,出料的破碎程度最深,耦合加載方式下的粉化率大于兩種作用力單獨(dú)加載方式之和,說明熱-機(jī)械力耦合加載方式產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。利用三種加載方式下粉塵的粒度分布和顆粒的孔徑分布研究熱力和機(jī)械力的破碎機(jī)理差異,結(jié)果表明機(jī)械力單獨(dú)加載方式下,顆粒破碎程度最輕,其粒度表現(xiàn)為煤顆粒經(jīng)破碎、磨碎設(shè)備處理后產(chǎn)物普遍的單峰分布,而在熱力單獨(dú)加載和熱-機(jī)械力耦合加載方式下粉塵粒度分布呈雙峰分布;機(jī)械力單獨(dú)加載條件下,煤顆�？左w積未發(fā)生明顯變化,且大孔、中孔與小孔占總孔體積的比例也相對不變,而在熱力單獨(dú)加載的條件下,煤顆�？左w積發(fā)生了劇變,其大孔、中孔與小孔占總孔體積的比例也發(fā)生了很大的變化,大孔的比例減小,中孔比例增大,而在熱-機(jī)械力耦合加載過程中,煤顆粒的孔體積進(jìn)一步增大,但其大孔、中孔與小孔占總孔體積的比例仍與熱力加載方式相近。兩條結(jié)論均說明熱力與機(jī)械外力對煤顆粒的破碎機(jī)理存在一定差別,而耦合加載與熱力單獨(dú)加載方式的破碎機(jī)理一致,機(jī)械力只是加劇了熱力作用的宏觀表現(xiàn)。針對煤顆粒在純熱力作用下的破碎機(jī)理,本研究通過建立破碎模型,求解煤顆粒內(nèi)部因溫度梯度引起的熱應(yīng)力和水分梯度引起的濕應(yīng)力,分析二者對顆粒破碎的作用。結(jié)果表明,煤顆粒內(nèi)部因水分梯度引起的濕應(yīng)力的值遠(yuǎn)大于由溫度梯度引起的熱應(yīng)力的值,濕應(yīng)力對于顆粒的破碎起主要作用。且在顆粒的表面區(qū)域,濕應(yīng)力表現(xiàn)為較大的拉應(yīng)力,由于煤顆粒極限抗張強(qiáng)度相較極限抗壓強(qiáng)度要低一個(gè)數(shù)量級,導(dǎo)致顆粒表面首先發(fā)生破裂,剝落出細(xì)小顆粒。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD849

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本文編號：1301522