爱华网姓名：刘业鹏
学号：14206030654
专业：动力工程
煤颗粒热解的传热传质分析
摘要
采用分布活化能模型及能量守恒方程对煤颗粒热解的传热传质过程建立数学模型，模型考虑煤热解的吸热效应及挥发分逸出时对流换热的影响．与有关煤粉和大颗粒煤热解的实验数据对比，对模型进行验证．针对煤颗粒的温度变化过程和煤热解过程进行数值分析，研究煤热解的吸热效应、挥发分气体逸出的对流效应、颗粒尺寸等参数的影响．
引言
对于流化床中煤粉的燃烧或者移动床气化炉中煤的气化而言，煤热解都是一个重要的过程，研究煤热解规律并准确预测其温度变化和挥发分析出速率对于气化炉的优化设计尤为重要．通过一级反应模型可以预测煤的热解速率⋯，然而由于煤颗粒中挥发分析出与其温度分布紧密相关，这种模型过于简单．Higuera采用竞争反应模型对移动的单颗粒煤热解过程进行了数值模拟．Chem和Hayhurst通过改进的缩核反应模型对大颗粒煤的热解进行了研究，此后又采用一级反应模型研究了恒温小颗粒煤的热解过程。Anthony等人提出了分布活化能模型，
Solomon等人提供的相关实验数据表明这种模型与实际过程符合的很好，该模型是目前最常用的一种煤热解模型．
在挥发分析出或者热分解过程中，颗粒内部的热传递是反应速率的控制因素，而不是煤焦颗粒内挥发分的质量传递。．在多数有关煤热解的研究中，细煤及煤粉都被认为是温度均匀分布．然而，在移动床气化炉中，煤颗粒的尺寸远大于煤粉，煤颗粒的尺寸差异及煤的低热导率导致热解时颗粒内部产生较大的温度梯度．Fu等人发表了由煤粉压制而成的大颗粒煤挥发分析出过程的动力学参数．zhao等人采用热传导方程和FG—DVC模型研究了在流化床或固定床中燃烧的大颗粒煤的热解过程，模型中考虑了煤热解的热效应但在计算中该项设为零．Adesanya和Pham叫建立了在对流环境中大颗粒煤的热解通用模型，考虑了热解的热效应但是未考虑挥发分逸出时与颗粒的换热影响。Huo等人考虑了两方面的影响建立了移动床中大颗粒煤的热解模型，研究其热解过程并分析了颗粒直径、床层温度等参数的影响。基于Huo等人提出的数学模型，本文重点分析煤热解热效应和挥发分逸出所引起的对流换热对颗粒内部温度的变化和挥发分析出速率的影响，并详细讨论煤颗粒尺寸及挥发分含量对煤颗粒升温历程和热解过程的影响。
数学模型
在流化床或者移动床等气化炉中，煤的热解伴随着颗粒内部传热传质现象的发生．通过对刘易斯数的分析可知，颗粒内部的传热是煤
热解过程的速率控制因素，因而本文重点关注颗粒内部的传热．挥发分析出速率与颗粒温度的变化历程有着十分紧密的联系．当温度在650℃以下时，热解反应是吸热的．热解产生的挥发分物质会在颗粒内部产生气流，导致气体逸出时产生对流换热现象．煤颗粒尺寸的变化是复杂多样的，它取决于煤种、加热速率以及最终温度的共同作用。sadhukhan等人川针对高灰分、低挥发分含量的次烟煤，在温度范围为440℃～460℃的实验中得到的膨胀率峰值为1．10，当颗粒升温超过这个温度范围，颗粒中挥发分剧烈析出形成的鼓泡开始破碎，导致颗粒收缩．而Adesanya和Pham叩通过实验观察到在煤热解前后颗粒的体积基本不变．上述的这些因素使得建立煤颗粒的热解数学模型变得十分复杂．为方便研究，本文借鉴文献[3]中的作法，认为煤颗粒为球形，在热解过程中煤颗粒尺寸保持不变，忽略热解过程中的颗粒破碎及其他任何由二次反应所致的形状改变，假设水分的蒸发与煤颗粒挥发分析出同时进行，认为水蒸气为挥发分的一部分，并将蒸发潜热视为煤热解吸热效应的一部分。
结论
考虑煤热解热效应及挥发分逸出对流换热的影响，对煤颗粒的热解过程建立数学模型．通过数值模拟研究了煤热解过程中颗粒的局部温度变化及挥发分析出的规律，对于所模拟的条件，主要得到如下结论：
1) 在加热初始阶段，直径D=16 mm的煤颗粒核心处和表面处的
温差可达200℃以上．经过约600 s，二者的温差会降到10℃以下．挥发分析出速率较快的温度区间为420℃～470℃，越是处于颗粒内层，挥发分快速释放所处温度越高，析出速率峰值也越高．颗粒中间层的温度变化及挥发分析出规律均与核心处相似。
2) 对于直径D=16 mm的煤颗粒而言，即使最终挥发分析出量高达70 wt％，气体逸出时的对流换热效应仍可忽略，但热解热效应的影响不能被忽略，它有助于准确预测煤颗粒内部的温度分布．热解热效应的影响随颗粒尺寸的减小而减弱，对于直径D<0．2 mm的煤颗粒而言，热解热效应的影响可以忽略不计。
3) 颗粒尺寸对于煤的传热过程的影响是显而易见的．对于对流环境中直径D>2 mm的大颗粒而言，煤颗粒表面和核心处需要10 s以上的时间才能达到温度均匀，达到热平衡的时间和挥发分完全析出的时间相近．而对于直径D<0．2 mm的煤粉颗粒而言，表层与核心的温差迅速减小，加热时间小于0．2 s即可达到温度均匀，因而可以采用集总参数法进行研究，而挥发分完全析出比达到热平衡需要更长的时间。
参考文献
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[2]陈永平,施明恒.基于分形理论的多孔介质渗透率的研究[A ].中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集[C ].苏州: 1999
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