本文選題：褐煤 + 微波�。� 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：由于褐煤成煤的時(shí)間短,煤化程度低使得其水分含量很高,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含氧官能團(tuán)豐富,脫水后易復(fù)吸、易自燃且成漿濃度低,嚴(yán)重制約了褐煤的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用,因而需要采用經(jīng)濟(jì)、高效、快速的處理手段對(duì)褐煤進(jìn)行提質(zhì),改善其界面特性。微波輻照處理是一種高效的提質(zhì)技術(shù),通過(guò)直接加熱褐煤內(nèi)的水分子使其蒸發(fā)遷移,相比于傳統(tǒng)熱力脫水技術(shù),實(shí)現(xiàn)了傳熱傳質(zhì)同向進(jìn)行,屬于“冷熱源”,保證了褐煤脫水環(huán)境的溫度較低,不會(huì)過(guò)度氧化,且對(duì)于減少褐煤界面孔隙結(jié)構(gòu),脫除含氧官能團(tuán)均有積極意義,提高了褐煤的界面穩(wěn)定性。本文通過(guò)微波輻照方法對(duì)褐煤進(jìn)行提質(zhì),針對(duì)褐煤中水分的遷移特性和物化結(jié)構(gòu)的變化以及輻照后褐煤的復(fù)吸特性、自燃特性和成漿性開展試驗(yàn),主要進(jìn)行了以下研究工作:1)通過(guò)煤質(zhì)特性分析得出錫盟褐煤是具有高水分、高揮發(fā)分、低固定碳、低發(fā)熱量和高含氧量的一種低階煤,基于低場(chǎng)核磁共振儀分析得到褐煤中的內(nèi)水相較比外水與褐煤的結(jié)合更加緊密。功率越高,褐煤中水分的遷移越快;隨著水分遷移過(guò)程的進(jìn)行,作為微波吸收劑的水分含量也在降低,剩下的內(nèi)水與褐煤的結(jié)合更加緊密,水分遷移速率不斷降低。通過(guò)添加碳質(zhì)吸收劑可以有效提高褐煤界面上水分的遷移速率,尤其是石油焦因其可以與褐煤共同制備高濃度碳基漿體,是較為理想的吸收劑。2)通過(guò)水負(fù)載法進(jìn)行微波標(biāo)稱輸出功率的校正試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于微波輻照裝置的爐腔開有氣孔,底部的開孔以及水升溫中與外界熱交換的熱量散失等因素,造成了水負(fù)載實(shí)際吸收功率低于裝置的標(biāo)稱輸出功率。進(jìn)而基于實(shí)際吸收功率計(jì)算微波輻照下褐煤中水分遷移的實(shí)際能耗可以得出褐煤中不同賦存狀態(tài)水分的遷移能耗。外水與褐煤間的作用較弱,其脫除難度小,脫除能耗較低,與常態(tài)下自由水的數(shù)值很接近;內(nèi)水由于毛細(xì)管力等的存在與褐煤界面的結(jié)合更加緊密,脫除能耗較高。3)通過(guò)靜態(tài)氮吸附儀研究褐煤的孔結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),孔體積容量高,比表面積大。微波輻照處理過(guò)程中,褐煤中大量水分向外遷移產(chǎn)生收縮應(yīng)力使得褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌,坍塌產(chǎn)生的碎片和受熱熔化的凝膠物質(zhì)對(duì)孔結(jié)構(gòu)形成封堵作用,使得褐煤的孔體積和比表面積整體上呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。開始階段,褐煤大孔內(nèi)自由水的遷移使得大孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍縮,孔體積和比表面積均大幅降低,孔結(jié)構(gòu)由收縮到坍塌的這一過(guò)程使得褐煤比表面積的減小會(huì)滯后于孔體積的降低。此后,部分大孔朝著中孔的方向發(fā)展造成了表面積的小幅升高。隨著毛細(xì)水的脫除,中孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍縮,孔體積和比表面積小幅降低。最終,分子層結(jié)合水的遷移對(duì)于孔隙結(jié)構(gòu)影響很低。4)通過(guò)酸堿滴定試驗(yàn)定量研究褐煤內(nèi)含氧官能團(tuán)結(jié)構(gòu)在微波輻照下的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)熱力脫水方法,微波直接對(duì)褐煤中水分進(jìn)行加熱,褐煤表面的溫度較低,保證了褐煤不會(huì)被嚴(yán)重氧化。在微波輻照的初始階段,由于水分吸收了微波的能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)能使得褐煤的表面形成了一個(gè)溫度較高的環(huán)境,褐煤界面被部分氧化,含氧官能團(tuán)含量小幅增加。此后,褐煤內(nèi)部形成了高溫高壓的環(huán)境,使得褐煤中的部分含氧官能團(tuán)脫除,尤其是隨著分子層結(jié)合水的向外遷移,這部分與水分相結(jié)合的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步脫除。通過(guò)X射線光電子能譜分析發(fā)現(xiàn),在微波輻照過(guò)程中,褐煤的芳香度加深,結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)石墨化趨勢(shì),含氧碳基團(tuán)的相關(guān)分析結(jié)果與化學(xué)滴定的結(jié)果相類似。5)通過(guò)繪制褐煤的等溫吸(脫)附曲線可以發(fā)現(xiàn)褐煤的孔徑分布廣,包括微孔、中孔和大孔,其中以中孔和大孔為主。大孔結(jié)構(gòu)使得其等溫吸附曲線呈現(xiàn)出無(wú)吸附上限的趨勢(shì),中孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象則造成了吸附滯后環(huán)的出現(xiàn)。微波輻照后褐煤的復(fù)吸動(dòng)力學(xué)滿足雙指數(shù)衰減模型,表明其復(fù)吸過(guò)程包括擴(kuò)散和遷入兩個(gè)階段。擴(kuò)散主要受環(huán)境影響,環(huán)境的相對(duì)濕度增大,水蒸氣的分壓相對(duì)提高,其擴(kuò)散變快,水分子碰撞并吸附在褐煤界面上的機(jī)會(huì)增多。水分子在褐煤界面的吸附則與其界面物化特性密切相關(guān)。微波輻照后褐煤復(fù)吸的行為即為水分子重新吸附在褐煤界面上的過(guò)程,因而褐煤復(fù)吸的最終平衡水分與其孔結(jié)構(gòu)的比表面積具有較好的線性正相關(guān)性�？鬃鳛樗肿游胶蟮膬�(chǔ)存空間,孔體積與最終平衡水分也具有正相關(guān)性。通過(guò)微波輻照,褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生坍縮,比表面積降低,孔體積變小,相應(yīng)褐煤的復(fù)吸量減少。含氧官能團(tuán)含量和最終平衡水分間則在較高功率下出現(xiàn)了和孔結(jié)構(gòu)的性質(zhì)不一致的趨勢(shì),這是由于高功率的處理?xiàng)l件雖然有利于含氧官能團(tuán)的脫除,但是高功率會(huì)造成干燥應(yīng)力較大,褐煤的孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的中孔化發(fā)展趨勢(shì),比表面積增加,使得含氧官能團(tuán)含量降低的因素被抵消,復(fù)吸量反而增加。6)通過(guò)先采用高功率快速脫水再通過(guò)低功率強(qiáng)化提質(zhì)的形式相較于單一的功率和先低功率再高功率的方式,輻照后褐煤的復(fù)吸量顯著降低;通過(guò)熱力預(yù)先脫水和微波強(qiáng)化提質(zhì)的方式亦得到良好效果,復(fù)吸量進(jìn)一步降低。7)通過(guò)TG/DTG-DSC發(fā)現(xiàn),微波輻照后褐煤同原煤的熱失重特性類似,在自燃前經(jīng)歷了脫水失重、吸氧增重和氧化分解三個(gè)階段:脫水失重階段為吸熱過(guò)程,表現(xiàn)出一個(gè)略微向下且較寬的吸熱峰;吸氧增重階段由于褐煤界面上一些活性基團(tuán)與氧分子的結(jié)合會(huì)釋放少量熱量使得DSC曲線緩慢上升;氧化分解階段會(huì)釋放大量的熱,DSC曲線迅速上升,此后隨反應(yīng)進(jìn)行,熱流率增大,增加速率在減緩。8)通過(guò)采用Model-free法并基于復(fù)化Simpson積分公式和線性化聯(lián)用的數(shù)值分析手段進(jìn)行褐煤氧化分解階段動(dòng)力學(xué)方程的求算在理論上更為可靠,且計(jì)算精度更高,得到褐煤的氧化分解階段分為兩個(gè)子階段:第一子階段滿足一維擴(kuò)散模型,反應(yīng)由熱解物質(zhì)和氧氣在孔隙結(jié)構(gòu)形成的管道內(nèi)的擴(kuò)散控制;第二子階段滿足相邊界反應(yīng)的收縮圓柱體(面積)模型,主要發(fā)生在褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)表面上,由反應(yīng)主導(dǎo)。褐煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)其界面特性的不同在低溫氧化過(guò)程中呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律,即褐煤的自燃特性與其界面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。600 W功率輻照后褐煤大孔含量較低,不利于熱解物質(zhì)和氧氣的在褐煤中的擴(kuò)散,且比表面積小,反應(yīng)區(qū)域少,因而其在整個(gè)氧化分解階段中反應(yīng)沒(méi)有那么劇烈,燃點(diǎn)相對(duì)更高,自燃傾向性更弱,界面更加穩(wěn)定。9)微波輻照處理可以脫除褐煤界面上部分酸性含氧官能團(tuán),弱化褐煤的持水性,使得水煤漿形態(tài)下褐煤表面的水化膜結(jié)構(gòu)變薄,漿體內(nèi)自由水含量增加,褐煤的最大成漿濃度提高,輻照12 min后的,其最大成漿濃度提高了3.7%。此外,微波輻照后褐煤顆粒界面物化結(jié)構(gòu)的變化使得漿體的流變性和穩(wěn)定性整體上均得到優(yōu)化,但是較長(zhǎng)輻照時(shí)間(12 min)的褐煤隨著測(cè)試過(guò)程的進(jìn)行,其穩(wěn)定性逐漸惡化。基于分形理論構(gòu)建的粒度分布模型可以提高水煤漿內(nèi)顆粒體系的堆積效率,得到的兩段分形模型可以有效指導(dǎo)褐煤水煤漿的級(jí)配,對(duì)應(yīng)的最大成漿濃度提高了2.9%。相比于改變粒度分布,優(yōu)化堆積形態(tài)的方法,通過(guò)微波對(duì)褐煤進(jìn)行提質(zhì),改變其界面物化結(jié)構(gòu),降低其持水性,水煤漿的濃度提高3.7%,效果較為明顯,且不用引入超細(xì)粒,粉磨環(huán)節(jié)時(shí)間更短,成本更低,但是該方法需要在微波場(chǎng)下進(jìn)行,電耗較大。
[Abstract]:due to the short time of lignite forming and low coal gasification degree , the water content of the lignite is very high , the pore structure is complex , the oxygen - containing functional group is rich , the dehydration is easy to reabsorb , is easy to self - ignite and the slurry concentration is low , Based on the analysis of coal quality , it is found that the water content of lignite is lower than that of external water and lignite . It is found that the pore structure of lignite is larger than that of chemical titration . In addition , the chemical structure of brown coal has been improved by using the model - free method , and the maximum slurry concentration of lignite increases by 3.7 % . and the cost is lower , but the method needs to be carried out under the microwave field , and the power consumption is large .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD849.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 孫美潔;鄭劍平;王浩;王楠;孫陽(yáng)陽(yáng);楚天成;;利用Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀研究水焦?jié){的穩(wěn)定性[J];石油學(xué)報(bào)(石油加工);2016年06期

2 景曉霞;李志強(qiáng);衛(wèi)藩婧;溫英林;常麗萍;鮑衛(wèi)仁;;堿溶液處理對(duì)褐煤含氧基團(tuán)及其水分吸附行為的影響[J];太原理工大學(xué)學(xué)報(bào);2016年06期

3 孫美潔;鄭劍平;楚天成;盧超;曹志華;;分散劑對(duì)水焦?jié){性質(zhì)的影響[J];石油學(xué)報(bào)(石油加工);2016年05期

4 李明明;盧冀偉;劉炯天;;通遼褐煤電解改質(zhì)的孔隙特征研究[J];中國(guó)礦業(yè);2016年10期

5 李尤;張守玉;茆青;姚云隆;楊靖寧;慕晨;;干燥溫度對(duì)褐煤干燥后復(fù)吸特性的影響[J];煤炭學(xué)報(bào);2016年10期

6 玄偉偉;王倩;張建勝;;褐煤自燃傾向測(cè)定及其低溫氧化反應(yīng)過(guò)程研究[J];煤炭學(xué)報(bào);2016年10期

7 任陽(yáng)光;王浩;徐志強(qiáng);鄭劍平;王繼偉;曹志華;;響應(yīng)面法對(duì)褐煤微波提質(zhì)工藝的優(yōu)化[J];中國(guó)煤炭;2016年09期

8 王晴東;王光華;陳彪;王國(guó)成;王世杰;;東勝褐煤與Yallourn褐煤熱解過(guò)程中微波吸收特性[J];煤炭學(xué)報(bào);2016年06期

9 王楠;任陽(yáng)光;王亞茹;徐志強(qiáng);肖光遠(yuǎn);盧超;;基于微波提質(zhì)技術(shù)褐煤成漿性的試驗(yàn)研究[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2016年05期

10 付畢安;陳梅倩;黃友旺;;添加劑對(duì)褐煤薄層微波干燥特性影響[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2016年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前8條

1 劉鵬;水熱處理對(duì)低階煤碳結(jié)構(gòu)及熱解行為的作用機(jī)理研究[D];華東理工大學(xué);2016年

2 景曉霞;熱干燥過(guò)程中褐煤物化結(jié)構(gòu)的演變及其對(duì)提質(zhì)煤水分復(fù)吸的影響[D];太原理工大學(xué);2015年

3 葛立超;我國(guó)典型低品質(zhì)煤提質(zhì)利用及分級(jí)分質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)的基礎(chǔ)研究[D];浙江大學(xué);2014年

4 劉晨輝;基于冶金物料介電特性的微波加熱應(yīng)用新工藝研究[D];昆明理工大學(xué);2014年

5 周國(guó)莉;基于不同能量作用形式的勝利褐煤脫水機(jī)理及過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2014年

6 孫俊;微波冶金加熱過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];昆明理工大學(xué);2013年

7 虞育杰;褐煤水熱脫水提質(zhì)制備高濃度水煤漿的基礎(chǔ)研究[D];浙江大學(xué);2013年

8 唐萬(wàn)軍;溫度積分及固體分解反應(yīng)的熱分析動(dòng)力學(xué)研究[D];武漢大學(xué);2004年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張旭;基于低場(chǎng)～1H核磁共振的錫盟褐煤水分形態(tài)實(shí)驗(yàn)研究[D];浙江大學(xué);2016年

2 景凱歌;微波輻射對(duì)褐煤干燥及脫水煤水分復(fù)吸的影響[D];太原理工大學(xué);2015年

3 繆宇龍;褐煤微觀結(jié)構(gòu)及熱解提質(zhì)對(duì)褐煤自燃的影響規(guī)律研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2014年

4 張斌;褐煤自燃傾向性的實(shí)驗(yàn)研究[D];浙江大學(xué);2014年

5 楊云龍;蒙東褐煤的干燥特性及其對(duì)水分復(fù)吸的影響[D];太原理工大學(xué);2013年

6 郭威威;添加SWNTs對(duì)LiBH_4吸放氫性能影響的研究[D];沈陽(yáng)大學(xué);2010年

7 張慧娜;連續(xù)升溫條件下高硫煤還原磷石膏產(chǎn)物特性研究[D];昆明理工大學(xué);2009年

8 林鵬;秸稈類生物質(zhì)層燃燃燒特性的試驗(yàn)研究[D];上海交通大學(xué);2008年

9 何佳佳;反應(yīng)條件對(duì)煤揮發(fā)分析出過(guò)程影響的TG-FTIR分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

10 劉長(zhǎng)青;煤低溫氧化過(guò)程的熱分析動(dòng)力學(xué)研究[D];安徽理工大學(xué);2007年

，

本文編號(hào)：1761180