燃煤过程中孔隙结构变化对煤焦破碎的影响

煤的脱挥发分过程和焦炭的燃烧都会导致颗粒的破碎,破碎对燃烧特性以及污染物的排放(如煤粉的燃烬时间、飞灰粒径分布等)有很大的影响。孔隙结构的变化尤其是大孔隙率的变化是导致破碎发生的主要原因之一。本文主要运用逾渗理论计算了破碎发生时的临界孔隙率,并讨论了反应温度、初始孔隙率、粒子导热率等条件对孔隙率变化(即破碎发生)的影响。结果表明温度升高,破碎越容易发生;一般破碎发生在颗粒的中心处;反应气体与炭粒热导率比值越大,大孔隙率越易达到临界值,破碎发生机率增大。     

煤粉工业锅炉燃烧的数值模拟

为了更好地把握锅炉的性能,应用Fluent软件对某新型高效煤粉工业锅炉内的燃烧过程进行了三维数值模拟.采用非预混燃烧模型模拟化学反应过程,用P-1辐射模型计算辐射传热,用Realizable κ-ε湍流模型模拟气相运动,对固体颗粒相的求解采用随机轨道模型.模拟所得到的炉内温度场、离散相和连续相轨迹分布合理,温度场和实测值较为吻合.模拟结果表明,通过适当降低锅炉的负荷,能够进一步改善煤粉燃烧温度场分布.     

移动床中热气体渗流传热与煤热解过程的数值计算

采用热气体对燃烧前的煤颗粒进行渗流炽热预处理,通过理论分析和计算的方法研究移动诃内热气体渗流加热对煤热解反应过程的影响,建立多孔介质渗流传热传质与煤质热解反应相互作用的物理数学模型,研究不同情况下床内颗粒料层中气固温度和煤热解挥发分析出浓度的分布规律,计算结果表明,移动床内煤的热解反应与渗流传热过程密切相关,增大入口渗流速度以及减少给料量,导致热渗透我域扩大,热作用区域内的煤层温度水平提高,热解反应区段向床方向偏移,在热解反应区域,孔隙率对流传质和煤热解过程中有很大的影响,研究结果,对于移动床煤热解反应装置的设计与运行具有一定的参考价值。     

密闭空间煤粉气动分散湍流对爆炸参数的影响规律

采用自行设计的20 L长径比1∶1圆柱形透明有机玻璃罐、铸铁爆炸实验罐及对称式双喷头气动喷粉分散装置,研究了气动湍流强度、煤粉粒径及其爆炸特性,获得了不同实验条件下煤尘的爆炸特征参数,并给出了定量评价。实验结果表明在不同气动分散作用下,湍流均方根速度Urms测得1.1~6.2 m/s,平均湍流积分尺度在40~72 mm,雷诺数在8 000~16 300;爆炸超压峰值随湍流均方根速度呈线性增长,而爆炸超压上升速率Urms在1.1~3.5 m/s范围增速明显,Urms在3.5~6.2 m/s范围增速变缓。较大的湍流强度虽然具有加速煤粉与空气充分预混及自身反应,但同样导致对煤粉粒径间的传热传质效率下降;由最大有效燃烧速率理论计算与实验结果对比,也间接性的验证了实验结论的一致性。     

循环流化床内煤矸石一维燃烧模型

为研究煤矸石在循环流化床锅炉内的燃烧性能,建立了预测煤矸石在锅炉内燃烧后的飞灰底渣残炭量的一维燃烧数学模型。建模采用"小室模型"的方法,将炉膛沿高度方向划分为多段小室,分别建立了质量平衡、动量平衡和组分平衡方程,计算得到了煤矸石燃烧特性沿炉膛高度的一维分布结果。与其他煤矸石燃烧模型不同的是,该模型详细考虑了锅炉内部气固流动、多孔介质传质和化学反应过程,并且耦合了颗粒在循环流化床锅炉的一维停留时间分布模型,模拟了颗粒在炉膛内部的流动过程。通过对模型的计算,得到矸石在循环流化床锅炉中的燃烧速率控制因素,以及矸石燃烧后的飞灰底渣残炭量与矸石物性参数和锅炉运行参数的关系。利用该模型计算并分析得到:矸石燃烧速率由灰层传质速率控制;选取灰层孔隙率大的矸石、增大锅炉热负荷、选取7m/s的风速、投入100~1 000μm的颗粒燃烧效率最高,飞灰或底渣残炭量最低。     

火灾时期矿井通风系统非稳态技术分析

为了了解矿井火灾情形下火灾烟流的蔓延路线和时间,进行了火灾时期矿井通风系统的非稳态计算分析和探讨。基于流体力学、热力学、传热、传质学和燃烧理论的分析,由矿井通风系统中影响风流流动的状态变量建立质量守恒、动量守恒、能量守恒等几组微分方程组,对火灾时期相关热处理问题进行了分析和模型建立,利用时间间隔法的思想进行程序设计,并基于实例矿井进行了火灾时期矿井通风系统的非稳态分析和计算。     

分形在煤粉燃烧中的研究进展

分析比较了近年来测定煤粉分形维数的方法及研究进展,详细讨论了计算煤粉分形维数常用的4种表面测试技术、适用条件及对应的计算方法.结果表明,用不同测试方法获得的数据计算得到的结果并不完全一致.比较发现：表面分形维数与测试方法间存在很大的相关性,只有选择正确的测试方法,才能将煤的表面特性与煤的燃烧过程有机并准确地结合,从而获得突破性成果.煤粉燃烧的分形结果表明：煤燃烧过程是一个表面分维增加的过程,说明煤的燃烧是在一个立体的网络结构内外同时反应,因此煤燃烧反应动力学应当考虑煤粉表面分形结构的特征.     

煤粉射流中颗粒团的传热及其对着火行为的影响

建立描述煤粉射流中典型尺寸颗粒团的传热及着火过程的瞬态数学模型,考察其在高温环境中的升温特性和着火行为。模型计算发现,颗粒团的升温过程与颗粒团尺寸明显相关,对流换热份额随着颗粒团当量直径Dc的增加而下降。在火焰温度Tf=2 000 K、烟气温度T)s=1 400 K的条件下,对于D_c=3 mm的颗粒团,对流换热量Q_(conv,sc)占总换热量的86%;Dc=10 mm时,辐射换热量Q_(rad,fp)占到60%;而D)c≈8 mm时,对流换热与辐射换热量相近。火焰辐射温度T_f的升高降低了对流换热份额,并使得Q_(conv,sc)=Q_(rad,fp)对应的临界D_c,即D_c*减小。T)f对D_c较小的颗粒团的加热和着火影响较小,对D_c较大的颗粒团的影响明显。烟气温度Ts升高时,对流换热份额升高,D_c*增大。T_s在D_c较小时对着火时间影响较大,而D_c较大时影响不再明显。煤粉浓度增加时,颗粒团着火时间先明显下降,在0.6~0.8 kg/m~3的范围内达到最小值,而后随着煤粉浓度的进一步增加而略微增加。     

铁矿石烧结料层温度模拟模型

以烧结理论为基础, 通过描述料层与抽风气体之间传热、传质过程, 建立以焦炭燃烧、碳酸盐的分解、水分的干燥与冷凝、混合料熔融与凝固等物理化学过程为基础的烧结料层温度模拟模型, 并设计开发了相应的铁矿石烧结料层温度模拟系统。该系统可以计算出任何时刻、任何高度料层及气体的温度, 模型计算结果与烧结杯实验结果准确率达90%。     

工业型煤孔隙率及视相对密度测定方法(MT/T918-2002)制定说明

1　前　言型煤的发展已有百余年的历史。有研究表明 ,燃用型煤平均可节煤 2 5%,同时 ,也减少 CO和烟尘的排放 ;如果添加脱硫剂 ,燃用高硫煤可减少 50 %以上的 SO2 排放。型煤具有良好的发展前景。具有较高的孔隙率是型煤的优点之一 ,一般大于 2 0 %。孔隙率大 ,能够强化燃烧 ,灰渣含碳量明显减少。另外 ,床层的通风阻力小 ,空气分布均匀 ,气化时有利于气流和温度的均匀分布 ,改善燃料层中的传热和传质条件。但对该指标的测定 ,国内尚无统一的方法 ,一般是参照煤的方法。但由于两者在化学组成及粒度组成方面差异较大 ,因此 ,不能完全照搬煤…     

煤堆自燃过程的数值模拟

煤炭自燃火灾严重影响煤炭的安全生产和储藏。本文建立了二维煤堆自燃过程的热流方程和氧气传输方程,对煤堆的自燃过程进行了数值模拟,探明了煤堆温度随时间的变化规律,分析了煤堆的不同堆放方式对煤堆传热与燃烧的影响。为煤堆自燃过程的研究提供了理论基础。     

煤炭自然发火介尺度分析:从表征体元宏观模型到孔隙微观模型

煤炭自然发火存在明显的介尺度特性,应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联,有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系,指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提,煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是"尺度上联"。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元,以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法,相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法,由此明确了煤自燃研究中介尺度Ⅱ所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义,考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征,建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程,简述了求解过程,指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型,并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系,提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法,从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递,从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。     

综放沿空巷周围煤体自燃升温过程的数值模拟

用有限元数值模拟方法，对综放沿采空区侧巷道周围煤体内的漏风流态、氧气消耗及温度升高进行了研究，联立求解了流场中的漏风渗流方程、氧浓度渗流-扩散-消耗方程和传热方程．重点描述了沿空煤柱内的自燃特征和升温过程，得到自然发火期与煤耗氧速度呈反比例关系，而对漏风强度影响不大；漏风强度增大只能使煤体内高温区范围扩大，相对提高自然发火几率。     

煤低温氧化自热模拟研究

针对煤低温氧化实验装置系统，在煤样平均粒度为20 mm、装填系数为075～085、空气流速为10 cm/min、相对湿度为80%～85％的条件下进行了3个煤样的实验测试；并根据热力学与传热传质学理论，遵循能量守恒定律和质量守恒定律，建立了描述煤低温氧化自热的数学模型。数值解算结果与实际试验结果得到了较好的验证，表明该模型可以用来模拟煤低温氧化自热过程，对煤自然发火期进行预测。     

Dynamic mathematical model and numerical calculation method on spontaneous combustion of loose coal

Through the experiment of coal spontaneous combustion and relationship particle size with oxidation character of loose coal, some calculation formula of characteristic parameters is got in the process of coal spontaneous combustion. According to these theories of porous medium hydrodynamics, mass transfer and heat transfer, mathematical models of air leak field, oxygen concentration field and temperature field are set up. Through experimental and theoretical analysis, 3-D dynamic mathematical model of coal spontaneous combustion is set up. The method of ascertaining boundary condition of model is analyzed, and finite difference method is adopted to solve 2-D mathematical model.     

煤自燃危险性测试技术条件热力学参数的实验分析

根据煤氧复合理论,基于热反应动力学参数的聚类评价技术指标,测试和分析了煤在自燃氧化过程中的生热总量、产热速率和热焓变化等参数的变化规律。结果为:氧化温度在68～83℃内,煤自燃氧化产热速率加速增加,化学反应作用不明显;煤自燃氧化的焓变随反应温度升高逐渐增大,从反应初始阶段的18kJ/mol,逐渐增加到80℃时的300kJ/mol。实验结果为煤自燃危险性的综合分析评价指标体系的建立提供了技术支持,并在抑制矿井生产过程中由于煤炭自燃引发的恶性事故方面具有显著的现实意义。     

动态推进工作面采空区自燃规律的数值模拟

基于非均质多孔介质中的连续性方程、多相气体渗流-扩散方程和综合传热方程,建立了工作面动态推进下的采空区遗煤自燃数值模型。结合实例条件,描绘了工作面开采推进过程中采空区内漏风流态、氧、CO、瓦斯和温度等分布状态及其动态过程。提出了工作面动态推进用各物理量分布后移的处理方法,使移动步距与时间动态过程相适应,实现了模拟计算在方法上的连续一体化。通过理论分析,发现采空区遗煤自燃与工作面推进速度呈指数关系,因而提高工作面推进速度能显著延长采空区内遗煤的自然发火期。     

传热传质耦合影响松散煤体低温氧化的理论分析

考虑到多孔介质中传热传质对松散煤体低温氧化温度场和浓度场的交叉耦合作用,对松散煤体低温氧化过程中氧的扩散与反应、热的传递建立数学模型,并对其无量纲化,得出表征传热传质耦合的无量纲扩散附加热效应准则数DCT和热附加扩散效应准则数STC。根据建立的数学模型可见:DCT与STC有加速热量传递和质量扩散的作用;松散煤体氧化初期,浓度差是热量传递的主要动力;松散煤体内部进入稳定氧化阶段后,热效应是气体的扩散的主要动力。     

咪唑类离子液体处理煤热失重以及传热特性研究

离子液体作为新型阻化剂,溶解破坏煤中的活性结构从而抑制煤氧化反应进程,达到阻化煤自燃的效果。为了考察咪唑类离子液体对煤热失重以及热传递特性的影响,采集淮南矿区丁集1/3焦煤作为实验煤样,选取[EMIM][BF4],[BMIM][BF4],[BMIM][NO3]和[BMIM][I]对焦煤处理,并将未处理煤样作为对照组,开展热重-差热同步热分析实验和激光导热实验,得出咪唑类离子液体处理煤的热失重和热物性参数。结果表明:离子液体对煤的氧化热失重过程有明显的减弱作用,且不同离子液体的作用效果不同,效果最好的为[BMIM][BF4]。此外,差热结果显示离子液体处理煤的放热量均低于离子液体未处理煤,其中[BMIM][BF4]处理煤相比较于原煤,波峰温度提高28 ℃。煤样的热物性参数呈现出阶段性变化。30~210 ℃,随着温度的增加,煤样的热扩散系数逐渐降低,比热容和导热系数逐渐增大;210 ℃之后,煤样的热扩散系数逐渐上升,比热容趋于平稳,导热系数快速上升。在同一温度下,离子液体处理煤的热扩散系数以及导热系数均低于原煤,离子液体处理煤的比热容均高于原煤,其中[BMIM][BF4]处理煤的热扩散系数最小,比热容最大,导热系数最小。此外,[BMIM][BF4]处理煤热物性参数变化率最低,对温度的敏感性明显减弱,对煤热量传递抑制作用明显。结果可为煤火的防治提供一定的理论基础和现实依据。