球型熱載體回轉(zhuǎn)窯褐煤熱解過程的傳熱模型*

王洪亮 ，蒙 濤 ，張 華 ，劉科偉 ，常少英 ，何德民

（1.中國石油大學(xué)（北京)，北京 102249；2.北京國電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司，北京 100039；3.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

我國褐煤資源量約3200億t，目前主要用于發(fā)電，但其含水量高達(dá) 30（wt）%～50（wt）%導(dǎo)致其發(fā)電效率低[1]。褐煤的優(yōu)勢是揮發(fā)分含量高達(dá)30（wt）%～60（wt）%[2]。褐煤低溫?zé)峤饽塬@得高附加值的焦油、煤氣和半焦，提高褐煤的利用效率。煤熱解溫度對熱解速率及產(chǎn)物分布有顯著影響，而傳熱過程又決定煤熱解溫度，因此，研究煤熱解過程的傳熱十分必要。胡國新等[3]研究了固定床內(nèi)煤顆粒的傳熱，得到了顆粒間總傳熱系數(shù)公式。郭治等[1]建立了以半焦為熱載體的褐煤熱解過程的傳熱模型。liu等[4]研究了流化床內(nèi)煤顆粒的溫度分布；Liang等[5]模擬了固體熱載體移動(dòng)床內(nèi)煤顆粒的溫度分布。但未見球型固體熱載體（簡稱熱載體球）煤熱解過程傳熱的報(bào)道。

本文考慮了反應(yīng)熱及揮發(fā)分析出對煤顆粒溫度分布的影響，建立了熱載體球回轉(zhuǎn)窯煤顆粒熱解的傳熱模型，模擬了煤顆粒的溫度分布并分析了影響溫度分布的因素。

1 物理模型

熱載體球回轉(zhuǎn)窯煤顆粒熱解過程及傳熱途徑見圖1。

裝置額定處理量50kg·h-1，反應(yīng)器長2.5m，直徑0.3m；熱載體粒徑 12.5mm，密度 2400kg·m3，比熱 0.84 kJ·（kg·K）-1，導(dǎo)熱系數(shù) 10W·（m·K）-1；煤為干燥煤，粒徑不大于6mm。高溫?zé)彷d體球與煤在混合器內(nèi)快速混合后進(jìn)入反應(yīng)器，固體物料隨反應(yīng)器轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生徑向混合，軸向上逐漸向反應(yīng)器出口移動(dòng)。煤熱解產(chǎn)生的氣體從固體物料層擴(kuò)散出并離開反應(yīng)器。

上述過程的傳熱途徑包括：（1）熱載體、煤與反應(yīng)器壁導(dǎo)熱和輻射傳熱Q1；（2）氣流與固體物料層上表面對流換熱Q2；（3）熱載體球之間的接觸和輻射傳熱 Q3；（4）煤顆粒間的接觸和輻射傳熱 Q4；（5）煤與熱解氣對流換熱 Q5；（6）熱載體內(nèi)導(dǎo)熱 Q6；（7）煤顆粒內(nèi)導(dǎo)熱 Q7；（8）熱載體與煤接觸導(dǎo)熱 Q8；（9）熱載體與煤輻射傳熱Q9；（10）熱載體與熱解氣對流換熱Q10。其中反應(yīng)器外壁保溫因此忽略物料對反應(yīng)器壁的傳熱Q1；物料層上方氣流主要來自煤熱解，其溫度與從固體物料上表面擴(kuò)散出氣體的溫度接近，且表面固體物料層占固體物料的比例較小，因此，忽略氣流與固體物料層表面的對流換熱Q2；在忽略軸向返混的條件下相鄰熱載體球或煤顆粒之間的表面溫差相比于熱載體與煤表面溫差較小，因此，忽略熱載體或煤顆粒之間的接觸和輻射傳熱Q3和Q4；熱解氣從煤顆粒內(nèi)部析出，在煤顆粒表面的溫度與煤表面溫度接近，所以，忽略熱解氣與煤對流傳熱Q5。綜上所述，該系統(tǒng)主要的傳熱途徑包括Q6～Q10。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 假設(shè)條件

（1）煤顆粒為球體，內(nèi)部只存在導(dǎo)熱；（2）揮發(fā)物在煤的內(nèi)部均勻分布；（3）煤粒形狀尺寸不發(fā)生變化；（4）煤顆粒與熱載體球混合均勻；（5）固體物料無軸向返混。

2.2 固體內(nèi)部導(dǎo)熱

熱載體球?qū)岱匠倘纾?）式所示：

初始條件：

邊界條件：

式中 t:時(shí)間，s；Rp:熱載體半徑，m；rp:熱載體內(nèi)部任意處到中心的距離，0≤rp≤Rp，m；TP：熱載體內(nèi) rp處任意時(shí)刻的溫度，K；TP0：熱載體初溫，K；TPR：熱載體表面溫度，K；TR：煤表面溫度，K；λp：熱載體導(dǎo)熱系數(shù)，W·（m·K）-1；ρp：熱載體密度，kg·m-3；cp：熱載體熱容，J·（kg·K）-1。Hp：熱載體傳熱系數(shù)，W·（m2·K）-1；Hpr：熱載體輻射傳熱系數(shù)，W·（m2·K）-1；Hc：接觸傳熱系數(shù)，W·（m2·K）-1；Hd：對流傳熱系數(shù)，W·（m2·K）-1。

煤顆粒內(nèi)導(dǎo)熱方程如（6）式所示：

初始條件：

邊界條件：

式中 R：煤顆粒半徑，m；r：煤顆粒內(nèi)部任意處到中心的距離，0≤rp≤R，m；T：煤顆粒內(nèi)r處任意時(shí)刻的溫度，K；T0：煤初溫，K；λ：煤導(dǎo)熱系數(shù)，W·（m·K）-1[6]；ρ：煤任意時(shí)刻的密度，ρ0：煤初始密度，kg·m3；c:煤熱容，kJ·（kg·K）-1[6]；v:揮發(fā)分產(chǎn)率；H：煤傳熱系數(shù)，W·（m2·K）-1；Hr：煤輻射傳熱系數(shù)，W·（m2·K）-1；Q：單位質(zhì)量揮發(fā)物熱解吸熱量為837kJ·kg-1[7]。

2.3 輻射傳熱

熱載體與煤輻射傳熱如（14）式所示[8]：

式中 εδ：系統(tǒng)黑度；εp、ε:熱載體與煤的黑度分別為0.82和0.8[8]；Fp、F：分別為熱載體和煤的表面積，m2；X：輻射角系數(shù)，熱載體之間和煤顆粒之間的輻射相互抵消，熱載體對煤的輻射熱量被煤吸收，因此X為1。熱載體與煤的輻射換熱系數(shù)Hpr、Hr分別為

2.4 對流換熱

熱解氣與熱載體球的換熱為對流換熱。固體物料層表面豎直向上平均氣速約為0.063m·s-1（按揮發(fā)分產(chǎn)率30%；物料層厚度0.1m；空隙率0.2；氣體分子量30g·mol-1，溫度550℃計(jì)算）。當(dāng)氣流速度低于0.15m·s-1時(shí)屬于自然對流。熱載體與熱解氣對流傳熱系數(shù)按下式計(jì)算[8]。

式中 Nu：努謝爾準(zhǔn)數(shù)；G rg：葛拉曉夫準(zhǔn)數(shù)；Pr：普朗特準(zhǔn)數(shù)；h：熱載體球最大半周長；δ：氣體夾層厚度小于 3.0×10-3m；dp：熱載體球直徑；λg：氣體導(dǎo)熱系數(shù)0.06W·（m·K）-1；Cp,g：熱解氣熱容 1.1 J·（g·K）-1；μg：氣體動(dòng)力粘度 3.7×10-7kg·（m·s）-1；g為 9.8N·kg-1；β：容積膨脹系數(shù) 1.22×10-3K-1；△t：氣體與熱載體球的溫差小于500K；v：氣體運(yùn)動(dòng)粘度大于3.0×10-7m2·s-1。注：氣體參數(shù)采用空氣相應(yīng)參數(shù)計(jì)算。由于揮發(fā)分產(chǎn)率低于30%，因此，對流傳熱系數(shù)小于計(jì)算結(jié)果：

2.5 接觸導(dǎo)熱

采用Watson等[9]的模型計(jì)算接觸導(dǎo)熱系數(shù)如（22）式所示。

式中 Eeq：有效楊氏模量；req：幾何平均半徑；Fn：法向應(yīng)力；a：顆粒接觸面半徑小于煤顆粒半徑<0.003m；λz：熱載體與煤復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)。

2.6 褐煤熱解

煤熱解過程中顆粒密度與反應(yīng)吸熱量為煤揮發(fā)分生成速率的函數(shù)，因此，需獲得煤的熱解動(dòng)力學(xué)方程。通常是由煤的熱重?cái)?shù)據(jù)求得動(dòng)力學(xué)參數(shù)[1]。但存在3個(gè)問題：（1）熱重為恒速升溫，而熱載體對煤加熱煤的升溫速率隨時(shí)間變化；（2）熱重升溫速率與熱載體對煤顆粒加熱速率相差很大；（3）煤熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨升溫速率和溫度區(qū)間發(fā)生變化[10]。因此采用熱重法直接得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果偏差可能較大，但揮發(fā)分生成速率可表示為：

式中 d T/d t：煤的升溫速率可通過計(jì)算迭代獲得；d v/d T：揮發(fā)分生成速率。為了獲得，采用熱重分析儀分別以30和50K·min-1的升溫速度對褐煤進(jìn)行熱重分析見圖2。

其中，圖2（a）為賀斯格烏拉褐煤的TG曲線；圖（b）為揮發(fā)分生成速率；（c）為揮發(fā)分產(chǎn)率隨溫度的變化。由圖2（a）（b）可知雖然不同升溫速率下的相差很大，但相同溫度下的揮發(fā)分產(chǎn)率卻很接近，因此，可以根據(jù)熱重分析獲得；圖2（d）為對升溫速率為50K·min-1的揮發(fā)分生成速率曲線擬合，擬合結(jié)果如式（24）所示。

4 結(jié)果與分析

采用comsol程序計(jì)算上述模型。圖3為煤顆粒內(nèi)部的溫度分布，熱載體和煤初始溫度分別為973.15K和373.15K，煤粒徑為6mm，熱載體與煤質(zhì)量比為6。

圖3 煤顆粒內(nèi)部溫度分布Fig.3 Temperature distribution inside of lignite

由圖3可知，熱載體溫度隨時(shí)間降低，煤顆粒的溫度逐漸升高，約330s后溫度達(dá)到平衡，約786K。煤顆粒表面溫度經(jīng)5s達(dá)到530K，根據(jù)熱重?cái)?shù)據(jù)，該煤在515K開始熱解，而煤顆粒中心達(dá)515K需30s，可見煤顆粒從表面到中心是逐漸開始發(fā)生熱解。由于煤的導(dǎo)熱系數(shù)相對較小，在達(dá)到平衡溫度之前煤顆粒內(nèi)部存在較寬的溫度分布，煤顆粒表面與中心的溫差隨時(shí)間先增大后減小，最大溫差約200K；250s后內(nèi)外溫差小于2K。郭治等[1]研究了粒徑為20mm的煤顆粒內(nèi)的溫度分布，結(jié)果在1800s后顆粒表面與中心的溫差約為10K，可見減小煤粒徑有助于提高煤的升溫速率，實(shí)現(xiàn)快速熱解。

為了分析煤熱解反應(yīng)熱，煤顆粒密度變化以及熱解氣與熱載體對流換熱對傳熱的影響，分別在考慮及未考慮上述因素的條件下模擬了熱載體球向煤顆粒的傳熱。圖4為未考慮反應(yīng)熱時(shí)煤顆粒內(nèi)溫度分布，條件與圖3相同。

圖4 未考慮反應(yīng)熱時(shí)煤顆粒內(nèi)部的溫度分布Fig.4 Temperature distribution inside of lignitewhen not considering heatof reaction

對比圖4和圖3可知，熱載體球溫度降低及煤顆粒溫度升高的趨勢與圖3一致，但達(dá)到平衡溫度所需的時(shí)間約150s，低于考慮反應(yīng)熱條件下的330s；平衡溫度約820K比考慮反應(yīng)熱條件下的平衡溫度高約34K。上述升溫時(shí)間延長以及平衡溫度降低是由于熱載體釋放的熱量部分用于反應(yīng)吸熱，導(dǎo)致煤顆粒內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)的部位的升溫速率降低，使達(dá)到平衡溫度所需的時(shí)間延長?？梢姴豢紤]反應(yīng)熱對傳熱的影響，計(jì)算結(jié)果將存在較大偏差。

圖5為未考慮煤顆粒密度變化時(shí)其內(nèi)部溫度分布，條件與圖3相同。

圖5 未考慮煤顆粒密度變化時(shí)其內(nèi)部溫度分布Fig.5 Temperature distribution inside of lignitewhen not considering particle changing

對比圖5和圖3可知，在未考慮煤顆粒密度變化的條件下系統(tǒng)的平衡溫度約為781K比考慮密度變化條件下低約4K，達(dá)到平衡溫度所需的時(shí)間比考慮密度變化條件下低約5s。這是由于煤在升溫過程中當(dāng)溫度達(dá)到熱解溫度后，揮發(fā)分開始從煤顆粒內(nèi)部析出，揮發(fā)分的析出導(dǎo)致煤顆粒密度減小，煤顆粒密度變小使得系統(tǒng)的平衡溫度升高，也使得達(dá)到平衡溫度所需的時(shí)間略有縮短。雖然在780K煤的揮發(fā)分產(chǎn)率約為20%，但密度的變化對平衡溫度的影響卻相對較小。這是由于煤顆粒隨溫度升高從表面到中心逐漸發(fā)生反應(yīng)，煤顆粒密度逐漸減小而非陡然減小，未熱解的有機(jī)物仍然吸收熱量，因此煤顆粒密度的變化對平衡溫度以及平衡時(shí)間的影響不大。

圖6為未考慮熱解氣對流換熱時(shí)煤顆粒內(nèi)部溫度分布，條件與圖3相同。

圖6 未考慮熱解氣對流換熱時(shí)煤顆粒內(nèi)溫度分布Fig.6 Temperature distribution inside of lignitewhen not considering heat convection of pyrolysis gas

在煤熱解過程中，當(dāng)煤顆粒溫度達(dá)到熱解溫度后，煤中揮發(fā)分熱解從煤顆粒內(nèi)部析出形成熱解氣。熱載體表面的溫度比熱解氣的溫度高，當(dāng)熱解氣流經(jīng)熱載體表面時(shí)與熱載體表面進(jìn)行對流換熱，帶走部分熱量引起煤顆粒的溫度變化。對比圖6和圖3可知，在未考慮熱解氣對流換熱的條件下系統(tǒng)的平衡溫度約為790 K比考慮熱解氣對流換熱變化條件下低約4 K，達(dá)到平衡溫度所需的時(shí)間比考慮熱解氣對流換熱條件下低約5 s。表明熱解氣與熱載體球表面的對流換熱對傳熱的影響較小。

4 結(jié)論

（1）建立了熱載體球回轉(zhuǎn)窯煤顆粒熱解過程的傳熱模型。

（2）在熱載體和煤初始溫度分別為973.15K和373.15K，煤粒徑為6mm，熱載體與煤質(zhì)量比為6時(shí)，330s后系統(tǒng)溫度達(dá)到平衡，約786K。

（3）煤顆粒密度變化及熱解氣與熱載體對流換熱對系統(tǒng)的溫度變化的影響較小，反應(yīng)熱效應(yīng)對傳熱影響較大。

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