【摘要】：隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,我國(guó)對(duì)煤炭需求量逐年上升,現(xiàn)有的煤炭運(yùn)輸能力已經(jīng)不能滿足煤炭的需求量。煤炭運(yùn)輸能力長(zhǎng)期處于運(yùn)力不足的狀態(tài),煤炭運(yùn)輸進(jìn)入了一個(gè)瓶頸階段。作為一種新型的煤炭運(yùn)輸方式,型煤管道水力輸送技術(shù)被提出來用于緩解煤炭運(yùn)輸運(yùn)力不足。但是該技術(shù)存在型煤無法完全滿足水力輸送的要求、型煤列(多個(gè)型煤首尾相接形成一列)的水力學(xué)特性研究不充分以及缺乏對(duì)型煤管道水力輸送技術(shù)綜合評(píng)價(jià)等問題。因此,開展適于管道水力輸送的型煤成型研究、型煤列在水力輸送過程的水力學(xué)特性和輸送的數(shù)值模擬的研究以及對(duì)型煤管道水力輸送技術(shù)進(jìn)行環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)成本和能耗的綜合評(píng)價(jià)有利于推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。本文首先對(duì)型煤成型進(jìn)行了研究,根據(jù)壓制型煤工藝過程,對(duì)現(xiàn)有的小型液壓成型機(jī)進(jìn)行了改造,實(shí)現(xiàn)型煤壓制和脫模自動(dòng)實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)了型煤成型所需的模具,便于開展型煤成型的試驗(yàn)研究。同時(shí)搭建了總長(zhǎng)15 m、管道內(nèi)徑50mm的型煤管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。在型煤成型方面,選取無煙煤、煙煤和褐煤作為原料,陽離子乳化瀝青和聚乙烯醇作為型煤的粘結(jié)劑,開展了直徑45mm和直徑135mm兩種型煤的壓制試驗(yàn),提出了型煤壓制工藝所需的關(guān)鍵參數(shù),研究了原煤種類、成型壓力、煤粉粒徑以及粘結(jié)劑種類和添加量對(duì)型煤成型的影響。本文對(duì)型煤的結(jié)構(gòu)、防水性能、耐磨性能和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究和檢測(cè),提出了管道水力輸送技術(shù)對(duì)型煤的最低要求,明確了型煤滿足管道水力輸送要求的成型壓力、煤粉粒徑以及粘結(jié)劑的添加量的必要條件。在型煤列水力輸送機(jī)理方面,研究了型煤列在管道中運(yùn)輸時(shí)管道的阻力損失和沿程阻力損失。利用光電計(jì)時(shí)器測(cè)量了單個(gè)型煤和型煤列的速度隨水流速度變化情況。本文測(cè)量了型煤列在不同水流速度下的表面壓力,計(jì)算了型煤列的拖拽力和抬升力,分析了兩種力對(duì)型煤運(yùn)動(dòng)的影響,最后得出了型煤的拖拽力因子和抬升力因子。利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和Fluent軟件對(duì)型煤在管道輸送的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,展示了型煤從靜止到啟動(dòng)以及通過管道轉(zhuǎn)折處的運(yùn)動(dòng)變化,并將模擬計(jì)算得到的型煤速度變化和管道壓力變化與已有實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果很好地吻合,并通過模擬結(jié)果分析了型煤的受力變化和影響。本文利用掃描電鏡研究了不同成型壓力下無煙煤型煤、煙煤型煤和褐煤型煤的微觀結(jié)構(gòu),采用氮吸附法測(cè)量了三種型煤的孔隙結(jié)構(gòu)和孔的比表面積,對(duì)型煤成型過程以及壓力和粘結(jié)劑對(duì)煤粉結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析和討論。利用熱分析技術(shù)對(duì)型煤的燃燒特性進(jìn)行了檢測(cè)和研究,得到了型煤的燃燒特性參數(shù)并與原煤的燃燒特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)加入粘結(jié)劑對(duì)煤炭的成分含量發(fā)生了變化。無煙煤和褐煤的燃燒性能提高而煙煤的燃燒性能下降。最后研究了型煤在燃燒氣氛下污染物排放特性,發(fā)現(xiàn)陽離子乳化瀝青降低了無煙煤和煙煤的SO2排放濃度卻增加了褐煤的SO2排放濃度。聚乙烯醇降低了無煙煤的SO2排放濃度但增加了煙煤和褐煤的SO2排放濃度。粘結(jié)劑降低了無煙煤的NOx排放濃度卻增加了煙煤和褐煤型煤的NOx排放。最后,本文建立了型煤管道水力輸送技術(shù)、火車輸煤和汽車輸煤的評(píng)價(jià)體系,詳盡搜集了三種運(yùn)輸方案的數(shù)據(jù),建立了三種運(yùn)輸方案能耗、污染物排放和經(jīng)濟(jì)成本的數(shù)據(jù)清單,對(duì)三種運(yùn)輸方案的能耗、環(huán)境影響進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和對(duì)比,發(fā)現(xiàn)型煤管道水力輸送技術(shù)的表現(xiàn)優(yōu)于其余兩種方案。采用生命周期成本分析方法對(duì)三種運(yùn)輸方案的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了評(píng)估和分析,發(fā)現(xiàn)型煤管道水力輸送技術(shù)的收益優(yōu)于其余方案,投資成本也最小,但該技術(shù)的年運(yùn)營(yíng)成本高于火車輸煤方案,低于汽車輸煤方案。粘結(jié)劑的成本在整個(gè)運(yùn)營(yíng)成本中占很大比例。對(duì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵因素—粘結(jié)劑用量、成型壓力、煤粉粒徑和型煤在管道中的磨損率進(jìn)行了敏感性分析,定量了這四種因素對(duì)輸出結(jié)果的影響。
【圖文】：

我國(guó)是少數(shù)Ｗ煤炭為主的國(guó)家，嚴(yán)重缺石油、天然氣。能源利用Ｗ煤炭為主。２０１４逡逑年世界煤炭的消耗量為％８１．８百萬噸油當(dāng)量，其中美國(guó)占１１．６８％，俄羅斯占２．１９％，中逡逑國(guó)占５０．５５％＾。在中國(guó)，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的６６％Ｗ，圖１．１展示了我國(guó)各個(gè)行逡逑業(yè)煤炭消耗比例，其中電為生產(chǎn)行業(yè)耗煤占５０％Ｗ上，其次為制造業(yè)。其他非工業(yè)行業(yè)化逡逑或多或少地采用煤炭作為動(dòng)為來源，即使是日常生活所消耗的煤炭化占到２．６％，足レNB說逡逑明煤炭在我國(guó)能源供給和消耗中的重要地位。逡逑／電力、熱力生邐Ｊ邐氣逡逑／產(chǎn)和供應(yīng)化邐ｉ逡逑？邋２７％邋ｉ邋；息嚴(yán)逡逑石結(jié)化工、煉逡逑＾電力、巧氣及水生化學(xué)原料和化逡逑NB產(chǎn)巧供應(yīng)業(yè)．．．邋．．．邐．邐學(xué)制品剌造業(yè)逡逑－－－２蜘邐，，＇Ｖ邐＼邐３％逡逑ｈ＇邋Ｓ邋＾又非全是礦逡逑、Ｗ：邐ｉ邋．＇｜＊＾炓色全巧奮煉物制造業(yè)逡逑Ｉ邐５％邐４％逡逑有色金屬冶煉逡逑１％逡逑圖１．１各個(gè)工業(yè)行業(yè)耗煤所占比例逡逑１逡逑

ｌｉｌｌｌｌｌｌ逡逑２００７邐２０地邋２００９邐２０１０邐２０１１邐２０１２邐２０１３邐２０１４逡逑圖１．２邋２００７－２０１４年間我國(guó)管道運(yùn)輸貨物量逡逑從圖１．２中可ＬN(yùn)B看出，近年來我國(guó)管道的貨運(yùn)量逐年增加。管道運(yùn)輸起著重要的作用。逡逑從２０世紀(jì)６０年代開始，，管道發(fā)展趨向于采用大管徑、長(zhǎng)距離，并逐漸建成輸送管網(wǎng)，現(xiàn)逡逑在管道運(yùn)輸發(fā)展為氣力管道輸送和液體管道輸送，主要用于運(yùn)輸天然氣和石油等，其中液逡逑體管道輸送越來越受到重視。許多學(xué)者提出了Ｗ液體為載體運(yùn)輸一些散料固體或者防水性逡逑固體，Ｗ此概念為基礎(chǔ)進(jìn)行了用于解決散裝物料、成件貨物、集裝物料的運(yùn)輸，及容器逡逑式管道運(yùn)輸?shù)难芯�，并開展了采用管道運(yùn)輸煤漿的巧究。我國(guó)在管道輸煤的科研、設(shè)計(jì)、逡逑設(shè)備制造和施工等方面已基本具備條件ＩＷ。１９９７年山西類煩尖山鐵礦－太原鋼管道投入運(yùn)逡逑行，該管道全場(chǎng)１０４么里，管道直徑為２巧ｍｍ，年輸送能力為２００萬噸［１７】。另外孟（縣）逡逑－誰（坊）－青（島）輸煤管道是在山西省孟縣的供煤中々地帶制漿廠作為管道的起點(diǎn)，全逡逑程７１３公里
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ536

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