發(fā)布時(shí)間：2020-07-12 00:52

【摘要】：在“煤拔頭”工藝中,高溫固體熱載體是煤熱解反應(yīng)的熱源。熱載體和煤顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)、混合過程直接影響到煤顆粒的升溫速率和溫度分布,進(jìn)而影響熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率和組成。螺旋反應(yīng)器因同時(shí)具有物料輸送、計(jì)量和混合等功能,可被用于“煤拔頭”工藝中,實(shí)現(xiàn)煤和固體熱載體的快速混合和熱解。因而,螺旋內(nèi)物料的混合和煤熱解特性的研究對(duì)于“煤拔頭”技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有著重要意義。本文以螺旋反應(yīng)器為研究對(duì)象,考察了螺旋反應(yīng)器內(nèi)物料的軸向返混、橫向混合、傳熱及煤熱解反應(yīng)特性,以期獲取螺旋反應(yīng)器內(nèi)固固混合、傳熱和傳質(zhì)規(guī)律,找到反應(yīng)器內(nèi)物料快速混合和傳熱的方法,對(duì)新型螺旋反應(yīng)器及以煤熱解為核心的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)和工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。論文提出以水溶性染料酸性紅-18作為石英砂包覆染色劑,制備了均勻包覆的示蹤劑。利用此示蹤劑,基于脈沖示蹤法考察了螺旋安裝傾角、螺旋轉(zhuǎn)速、顆粒粒徑等因素對(duì)螺旋內(nèi)顆粒物料停留時(shí)間分布的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：提高螺旋安裝傾角會(huì)促進(jìn)螺旋內(nèi)物料的循環(huán)流動(dòng),增大軸向返混；增大螺旋轉(zhuǎn)速和顆粒粒徑均會(huì)提高螺桿對(duì)物料的輸送效率,使軸向返混減小。但過大粒徑的顆粒在螺旋混合輸送過程中會(huì)被部分破碎,產(chǎn)生較多細(xì)粉,使軸向返混增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用馬爾可夫鏈模型相關(guān)理論及方法提出了三參數(shù)2D馬爾可夫鏈模型,并利用該模型對(duì)螺旋反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間分布特性及顆粒流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了模擬、解釋。該模型將每個(gè)螺節(jié)劃分為流動(dòng)主體和滯留區(qū),對(duì)水平和上傾安裝時(shí)螺旋內(nèi)部存在的滯留和內(nèi)循環(huán)流動(dòng)給予了很好的描述。隨著螺旋安裝傾角的降低,螺旋內(nèi)滯留區(qū)大小逐漸減小甚至消失。論文采用石蠟固化法耦合彩色圖像分割技術(shù)獲取螺旋反應(yīng)器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律與橫向混合信息。針對(duì)石英砂顆粒顏色差異,提出基于R-B色差特征的自適應(yīng)閾值分割方法提取目標(biāo)顆粒,并依此描述沿輸送方向螺旋內(nèi)物料的顆粒運(yùn)行軌跡和混合狀態(tài)。論文考察了螺旋轉(zhuǎn)速、安裝傾角、填充度和顆粒粒徑等因素對(duì)最終混合度和混合速率的影響。結(jié)果表明,螺旋內(nèi)物料的最終混合度僅由物料性質(zhì)決定,混合物料之間的粒徑差異對(duì)獲得較高的橫向混合度不利。螺旋的操作條件如螺旋轉(zhuǎn)速、填充度和安裝傾角僅影響混合速率,對(duì)物料的最終混合度則沒有影響。降低螺旋轉(zhuǎn)速和填充度、提高安裝傾角有利于提高橫向混合速率。為了探索螺旋作為煤熱解反應(yīng)器的性能,本文設(shè)計(jì)并建成了一套熱態(tài)螺旋混合反應(yīng)裝置,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了其作為煤熱解反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性。采用響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法考察了熱載體溫度、螺旋轉(zhuǎn)速、熱載體／煤質(zhì)量比對(duì)氣相產(chǎn)率和組成的影響。結(jié)果表明,提高熱載體溫度和熱載體／煤質(zhì)量比氣體產(chǎn)率均上升,提高螺旋轉(zhuǎn)速雖然能實(shí)現(xiàn)煤和砂子快速混合,但是會(huì)減少煤在反應(yīng)器中的停留時(shí)間,因而氣相產(chǎn)物的生成有極大值點(diǎn)存在。沿軸向煤的氣相產(chǎn)率逐漸升高,但增幅變緩,同時(shí)螺旋壁面溫度沿軸向急驟下降。因而,在設(shè)計(jì)螺旋長度時(shí),應(yīng)兼顧混合效果和軸向的熱量損失。最后,結(jié)合馬爾可夫鏈顆粒流動(dòng)模型、傳熱理論與煤熱解動(dòng)力學(xué)模型,建立螺旋反應(yīng)器固體熱載體煤熱解模型。該模型對(duì)螺旋內(nèi)各物料之間、物料與設(shè)備之間的傳熱進(jìn)行了分析,并探討了熱載體溫度、螺旋轉(zhuǎn)速、熱載體／煤質(zhì)量比和粒徑等因素對(duì)煤顆粒升溫和熱解過程的影響。研究結(jié)果表明：熱載體作為系統(tǒng)熱源,通過熱傳導(dǎo)和熱輻射形式對(duì)煤顆粒的傳熱約占其能量輸出的80-85%,是熱傳遞的主要形式。粒徑是影響煤顆粒升溫過程和揮發(fā)分產(chǎn)率的重要因素。0.5 mm及以下顆粒升溫速率達(dá)240K/s以上,升溫速率隨煤顆粒粒徑增大而降低。對(duì)于非均勻粒徑分布體系,煤顆粒之間粒徑的差別有利于提高揮發(fā)分產(chǎn)率,這是因?yàn)榧?xì)顆粒有較高的熱解終溫和揮發(fā)分產(chǎn)率。平均粒徑一定時(shí),粒徑分布越寬,揮發(fā)分產(chǎn)率越高,達(dá)到熱解終態(tài)所需要的時(shí)間也越長。為了描述混合過程對(duì)顆粒傳熱和煤熱解揮發(fā)分析出過程的影響,提出了顆粒團(tuán)分散模型,顆粒團(tuán)直徑越大,其內(nèi)部有效導(dǎo)熱系數(shù)越小,煤顆粒升溫速率越慢。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(過程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ530.2

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