低阶煤水热改性制浆的微观机理及燃烧特性研究

摘要

我国褐煤等低阶煤资源储量丰富，但由于含水量大、热值低等特点，应用范围受到限制。常规方式干燥后的褐煤具有重复吸水能力和易自燃的特点，不适于长途外运，多用于坑口电厂直接燃烧应用。水热处理可以有效降低低阶煤内在水分和氧含量，抑制其易自燃特性；水热处理后低阶煤不再重复吸水，同时热值升高，应用领域得到拓宽。改性后低阶煤制备水煤浆，可以替代部分石油燃料应用于工业生产。本文围绕褐煤、亚烟煤等低阶煤的水热脱水改性、浆体燃料制备及其燃烧特性，进行了以下工作。
　　 ⑴采用热重等温干燥的方法，对褐煤的脱水过程进行了机理分析，得出褐煤等温干燥过程可以分成两个阶段，分别受毛细管束缚力和吸附/脱附机理控制。
　　 ⑵构建试验台并采用“非蒸发”的水热方法对低阶煤进行脱水改性，得出改性终温、反应釜初始压力对改性过程影响显著。改性后低阶煤挥发分含量降低、固定碳含量以及热值升高，氧/碳原子比降低表明改性过程使煤阶有所升高。水热处理过程中有一定浓度的H2S生成，说明水热处理具有一定的脱硫效果。
　　 ⑶成浆性试验表明，改性后低阶煤水煤浆仍具备“剪切变稀”的假塑性流体特征；提高反应终温或反应釜初始压力可以明显提高低阶煤的成浆浓度，并有利于改善浆体的流动性和稳定性；停留时间延长对成浆浓度提高作用不明显，但却有利于改善稳定性；装样量以及干煤/水比对成浆性能提高无明显影响。改性后小龙潭褐煤的最大成浆浓度可以由44.6％(原煤)提高到64.55％，其它低阶煤的最大成浆浓度也基本可以提高至60％左右。
　　 ⑷对改性前后低阶煤的理化特征进行分析，总结出水热处理对成浆性能改善的机理主要包括以下几个方面：改性后低阶煤孔隙结构发生了变化，孔比表面积降低与成浆浓度提高存在对应关系，半径小于1000nm孔的孔容积减小也是成浆浓度提高的原因；亲水性的羧基、酚羟基等含氧基团含量降低，提高了低阶煤表面的斥水性，增大了煤水界面接触角，使低阶煤束缚水能力减弱，导致内在水分降低，提高了成浆浓度；红外光谱分析表明水热处理改变了低阶煤的分子结构，在减少亲水性含氧基团的同时，提高了煤的芳香度和碳化程度，这对成浆性能改善有利。
　　 ⑸对改性前后低阶煤的燃烧特性进行了热重分析，结果表明改性低阶煤的着火温度有所提高，这有利于抑制自燃的发生；改性低阶煤的综合燃烧性能较原煤稍有提高，并高于兖州烟煤。动力学分析表明，低阶煤经过水热改性后，前期燃烧反应活性较原煤降低，而后期反应活性则有所升高。
　　 ⑹利用卧式炉中试系统对改性低阶煤水煤浆进行了热态试验，并与大同烟煤水煤浆进行了对比。结果表明，改性低阶煤水煤浆炉内温度水平与大同烟煤水煤浆相当；沿炉膛轴向，温度场呈现“双峰”特征，分别对应挥发分燃烧为主和焦炭燃烧为主的过程；改性低阶煤水煤浆的燃尽性能优于大同烟煤水煤浆；炉内取样颗粒微观形貌分析表明，低阶煤由于挥发分含量高、粘结性低，初期着火过程煤颗粒呈现“爆裂”特征，而大同烟煤水煤浆煤颗粒则由于热塑性，呈现出“煤胞”和大孔结构。由沿程颗粒燃烧动力学分析可知，随炉内燃烧过程的进行，颗粒燃尽的活化能增加，表明燃尽过程的反应活性下降，燃尽过程减缓，这也是通常炉膛出口飞灰中含有一定份额未燃尽碳的原因之一。
　　 ⑺采用计算流体力学软件(Fluent)对低阶煤水煤浆的旋流燃烧进行了数值模拟，结果表明，炉内温度场、气氛场与实际试验工况较接近。变风温工况预测结果显示，冷风(30℃)使着火距离延长，燃烧高温区有所延后，炉膛出口附近CO浓度明显升高；冷风工况虽然可以实现着火，但燃烧效率降低。降负荷工况预测结果显示，70％负荷条件下，炉内燃烧情况良好，但炉内温度水平有所下降，火焰长度稍有延长，炉膛出口CO浓度稍有增加。