【摘要】：中國褐煤資源量約為1300億噸,占我國煤炭總儲量的約13%,由于濕基水分高達30%-65%,傳統(tǒng)燃煤電廠中,褐煤發(fā)電時其發(fā)熱量的20%消耗在自身的燃前干燥上,由此,干燥成為褐煤高效利用的前提。本文從褐煤中水分賦存狀態(tài)出發(fā),分析了水分在孔隙中的分布特點;通過脫附/吸附行為,解析褐煤中水分的熱力學特性;結合分子模擬的方法,研究了褐煤分子與水之間的相互作用;基于褐煤表面性質、孔隙結構和水分分布等分析,采用多物理場耦合對介觀尺度孔隙內水分運移進行研究。本文首先研究了褐煤中的孔隙水賦存狀態(tài)及其熱力學特性。采用1HNMR分析發(fā)現(xiàn)勝利褐煤(SL)煤心中以束縛水為主,主要集中在0.003-0.3μm孔隙范圍內;昭通褐煤(ZT)含水孔隙略大,在0.01-1μm。通過脫附熱力學行為研究,發(fā)現(xiàn)褐煤吸附中只有一小部分親水位點可能做為有效親水位點,形成的水簇尺寸在6-7個水分子;Loy Yang褐煤(LY)的微孔填充飽和濃度為33.7mmol/g,遠高于SL的12.5mmol/g,這決定了LY的高持水能力的根本原因。研究表明,孔隙水是首要脫水對象。本文進行了褐煤分子與水相互作用的分子模擬。采用Gaussian軟件,對褐煤分子中羥基、羧基和多含氧官能團區(qū)域水簇的形成過程進行研究,研究發(fā)現(xiàn),水簇中傾向于形成3-4個水分子的環(huán)狀結構。隔離的羥基(OH1)與水之間相互作用比水分子之間相互作用弱一些,另一個羥基(O-H2)、羧基(COOH)和含氧官能團密集區(qū)域附近吸附水簇時,吸附的水分子容易與多個親水位點作用,吸附能表現(xiàn)為煤-水作用大于水-水作用,形成有力的儲水位點。羥基附近水簇中最遠原子距離羥基為4.76?,此范圍以外的孔隙填充水分受褐煤表面影響較小。干燥過程的動力學研究表明,溫度對干燥過程的影響最大。SL-2mm和ZT-2mm在300℃下起始干燥速率是150℃下的4.4倍和13.6倍,溫度影響在高濕含量樣品中更加突出,并且高強度的能量輸入會減小粒徑帶來的影響。采用Logarithmic模型進行干燥動力學研究,構建了與溫度、干燥時間、樣品初始水分相關的干燥過程水分預測方程。干燥中SL變化不大,而ZT揮發(fā)分減少達5%,干燥5min后,羧基明顯減少,接觸角增大至接近甚至大于SL�？椎啦粌H是褐煤的主要儲水結構,還是干燥過程中濕分的運移通道。褐煤干燥過程中大孔的減小主要發(fā)生在1μm以上區(qū)域,溫度越高,干燥樣品大孔坍塌越嚴重;中孔范圍內的主要變化集中在20nm以內,較高溫度下,介孔體積先減少后增加;褐煤微孔結構中對CO2吸附量遠遠大于N2,直到干燥后期其吸附量才會迅速減少,首先采用高溫快速干燥脫除50-70%水分后慢速干燥的流程可以得到較大孔隙度的褐煤產品。干燥過程中,各種不同弛豫時間的水分均迅速降低,部分較大孔隙迅速排出,較小孔隙水分發(fā)生減少。干燥初期,部分水分向更小尺寸孔隙中遷移,增加了干燥難度。N2吸附差值法用來研究介孔中水分分布和孔隙含水飽和度,發(fā)現(xiàn)大部分水分集中在26-100 nm孔隙中。干燥過程中,首先是20nm以上孔隙中水分脫除,5min后,范圍擴大到10nm以上;10min之后,范圍繼續(xù)擴大到5nm以上。水分中含水飽和度先降低后增加。介觀尺度水分運移研究采用COMSOL多物理場方法進行。顆粒干區(qū)內主要考察水蒸氣的擴散機制,顆粒濕區(qū)內,將兩相流-相場模型和液體傳熱模型相結合,得到干燥過程中孔隙內氣液兩相分布,確定孔隙內水分相態(tài)和流態(tài),同時考慮液體傳熱和相變影響。發(fā)現(xiàn)顆粒干區(qū)內擴散過程與濃度梯度直接相關,也與傳質路徑長度相關,與路徑中孔喉尺寸相關性較小;而濕區(qū)兩相流流動不但與傳輸路徑孔道尺寸直接相關,受孔喉尺寸影響也較大。干燥初期,褐煤顆粒內水分較高,較大范圍處于濕區(qū),采用高強度干燥方法,增加蒸汽壓力,有利于保持褐煤顆粒內孔體積,促進快速干燥過程的進行;而干燥后期,增加外界與顆粒內部之間的水蒸氣濃度梯度,減少“冗余”擴散路徑有利于擴散過程的進行。綜上,本文從褐煤中水分賦存狀態(tài)和煤-水相互作用出發(fā),研究了不同能量強度下干燥動力學過程,以及褐煤孔隙結構和孔隙內水分的響應,進行了介觀尺度內水分在褐煤孔隙中的運移機制研究,為后續(xù)高效脫水過程構建提供了理論依據(jù)。
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【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD849.2

【參考文獻】

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1 滕英躍;廉士俊;宋銀敏;劉全生;余海燕;李陽;智科端;張永強;;基于~1H-NMR的勝利褐煤原位低溫干燥過程中弛豫時間及孔結構變化[J];煤炭學報;2014年12期

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本文編號：2361557