昭通褐煤的微波干燥特性及其热解动力学的研究

摘要

由于石油和天燃气的大量消耗，煤炭成为能源短缺问题的有效途径。随着高阶煤炭的消耗增加，褐煤作为低阶煤占世界煤炭储量的45％，由于其具有低市场价格和低含硫量，已经引起广泛的关注。储量丰富的褐煤资源的清洁有效利用的方式通常有煤热解、煤气化、煤液化和煤燃烧发电。然而，褐煤的高水分、高灰分和低发热量是其清洁有效利用的主要问题，褐煤的干燥是其清洁有效利用的关键的最重要一步。褐煤热解是实现褐煤清洁转化的重要方式，更是褐煤气化的前提，对褐煤的气化、液化和燃烧有着重要的影响。但如何对高水分和低发热量的褐煤进行绿色高效干燥和脱灰热解提质已成为褐煤高效利用的难题。
　　与传统加热方式相比，微波加热具有选择性加热、快速加热和有效节能等优点，已经广泛应用于各个领域。本文以高水分的昭通褐煤为研究对象，一方面，采用微波加热的方式对其薄层干燥提质特性及干燥过程中产生的废水水质进行了研究。另一方面，采取非等温加热方式研究了加热速率和灰分对褐煤热解特性的影响。主要研究内容及结论如下:
　　(1)微波干燥时，微波功率越大，褐煤物料表面温度升温速率越大，干燥终温越高。影响昭通褐煤微波干燥特性的基本因素有微波功率、褐煤质量和褐煤初始水分。利用红外光谱分峰拟合的方法对褐煤的含氧官能团区域进行分峰拟合，其OH和C=O、COO-和COOH的含量随微波功率的增大而减少。其干燥过程中产生的废水的COD和pH随微波功率的增大而先减小后增大，微波功率为700W时的最小COD为99.89mg O2L-1，这表明此功率条件下的褐煤微波干燥提质是环境友好的。对此功率下的废水中的有机物进行GC-MS分析，按官能团分类有机物的相对含量，其大小分别为:脂肪烃＞芳香烃＞酚和醇＞酸类＞酯类＞酮类＞醚类。
　　(2)褐煤焦和NaNO3作为微波吸收剂与褐煤均匀混合，进行微波干燥，增强对微波的吸收能力。随着褐煤焦与褐煤质量比和NaNO3质量分数的增大，褐煤的最大干燥速率和水分有效扩散系数增大，褐煤内在水扩散至褐煤表面的速率加快，从而缩短干燥时间。Page模型最适合描述褐煤焦对褐煤微波干燥的影响行为，Henderson and Pabis模型最适合描述NaNO3对褐煤微波干燥的影响行为，均具有较大的R2和较小的RSS和x2。随着褐煤焦与褐煤质量比和NaNO3的质量分数的增加，干燥速率常数随之增大。利用修改Arrhenius方程分别计算褐煤焦与褐煤质量比为0.25∶5和NaNO3的质量分数为5.0％的不同微波功率的表观活化能，数值分别为579.44W/g和286.87W/g。添加褐煤焦和NaNO3到褐煤中后，能提高褐煤物料表面温度的升温速率，褐煤物料的表面温度上升，表现为两段升温方式。水分脱除的每单位电能消耗随着褐煤焦与褐煤质量比和NaNO3质量分数的增大而减小，褐煤微波干燥系统的有效能量随着褐煤焦与褐煤质量比和NaNO3质量分数的增大而减小。因此，微波吸收剂褐煤焦和NaNO3在微波干燥中起到催化剂和节能降耗的作用。
　　(3)对昭通褐煤进行酸处理脱灰处理，褐煤的COOH浓度随酸洗时间的增大而增大，羟基浓度随脱灰时间的增大而减小，矿物质吸收峰强度随脱灰时间的增大而减小。一级反应动力学模型对褐煤非等温热解模型具有很高的线性拟合相关度，其理论活化能随升温速率的增大而增大，随灰分的增大而减小。灰分在褐煤非等温热解中具有催化作用，降低其活化能。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 中国褐煤资源特性和利用现状

1．2．2 中国褐煤资源利用现状

1．3 褐煤脱水的研究进展

1．3．1 褐煤脱水的几种工艺

1．3．2 褐煤脱水过程中的含氧官能团变化

1．3．3 褐煤脱水动力学的研究进展

1．3．4 褐煤干燥产生的废水水质的研究进展

1．4 微波加热的研究进展

1．4．1 微波加热的基本原理

1．4．2 微波加热的特点

1．4．3 微波加热的研究现状

1．5 褐煤热解的研究进展

1．6 本文研究内容及实验思路

第2章 褐煤微波干燥提质的物理特性及其脱水水污染的研究

2．1 实验部分

2．1．1 煤样的选择

2．1．2 实验方法

2．1．3 FT-IR分析

2．1．4 GC-MS分析

2．2 结果与讨论

2．2．1 微波功率对褐煤干燥提质特性的影响

2．2．2 褐煤质量对褐煤干燥提质特性的影响

2．2．3 褐煤初始水分对褐煤干燥提质特性的影响

2．2．4 褐煤微波干燥提质过程中褐煤物料表面温度的变化

2．2．5 褐煤微波干燥提质中褐煤的含氧官能团变化情况

2．2．6 褐煤微波干燥提质中冷凝水水质的分析

2．3 本章小结

第3章 褐煤焦与NaNO3对褐煤微波干燥提质机制研究

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验方法

3．1．3 褐煤微波干燥提质薄层干燥数学模型

3．1．4 褐煤微波干燥提质过程中表观活化能

3．2 结果与讨论

3．2．1 褐煤焦与褐煤质量比的影响

3．2．2 微波功率对褐煤添加褐煤焦与褐煤质量比0．25∶5的影响

3．2．3 NaNO3的质量分数的影响

3．2．4 NaNO3的质量分数为5．0 ％微波功率的影响

3．2．5 微波干燥过程中数学模型的构建

3．2．6 褐煤微波干燥过程中表观活化能的分析

3．2．7 添加褐煤焦和NaNO3后的褐煤物料表面的温度变化

3．2．8 添加褐煤焦和NaNO3后的褐煤微波干燥过程的能耗分析

3．3 本章小结

第4章 昭通褐煤的非等温热解特性研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验方法

4．1．3 FT-IR分析

4．2 结果与讨论

4．2．1 原煤和脱灰后的煤样的FT-IR分析

4．2．2 升温速率对昭通褐煤热解特性的影响

4．2．3 灰分对昭通褐煤热解特性的影响

4．2．4 非等温热解动力学的分析

4．3 本章小结

第5章 结果与展望

5．1 结论

5．2 论文创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

附录