单颗粒煤粉热解过程中的破碎模型.pdf

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1、第39卷第2期煤炭转化Vo1．39No．22016年2月C0ALCONVERS10NApt．2O16单颗粒煤粉热解过程中的破碎模型金光"张昕悦。’王俊峰’武文斐摘要以单颗粒煤粉燃烧破碎模型为基础，提出了以破碎比率概念来表征破碎程度，并以同心圆方式划分网格，由外向内依次按圆环形式模拟热解一次破碎过程．研究发现：煤颗粒粒径是影响煤颗粒破碎最重要的影响因素，粒径越小，反应的比表面积越大，相同膨胀应力产生的压强越大，破碎效果越明显；挥发分含量越高，热解析出过程中产生的膨胀应力越大，同时，气态的挥发分与固态的煤焦壁脱离产生更大的孔隙率，进一步降低了煤颗粒本身的屈服强

2、度，破碎更容易产生；燃烧温度升高，起始阶段温度梯度增大，挥发分析出速度越快，膨胀应力越大，从而使破碎发生．关键词单颗粒煤粉，热解，破碎模型，破碎比率中图分类号TQ530．2，TQ018温度传递减缓，产生更大的温度梯度，造成热应力增0引言大；另一方面，由于煤颗粒本身存在一定的空隙，可煤粉在燃烧过程中会发生复杂的物理变化，如以看做孔隙率较低的多孔介质材料．当热应力作用内部孔隙结构的变化和比表面积的变化等，最终完于煤颗粒时，最先发生结构破坏的就是孔隙率较大成碳的燃烧发生破碎，这一系列变化过程很难进行的部位，即机械强度较低处．_4当热应力超过煤颗粒热态过程的直接观

3、察，现在的研究基本都以实验为本身材料屈服强度的时候，会以原先存在的孔隙为主，热态实验中较难对煤颗粒燃烧的全过程进行研基础产生裂纹．究，基本都是从燃烧产物反推燃烧过程，加之燃烧工随着煤颗粒在炉膛中反应的进行，当煤颗粒内况的差异性和煤粉样本的多样性，很难从数学角度部温度达到一定值后，挥发分开始由内部沿孔道往对整个燃烧过程进行定量描述．D-33因此，将整个燃外析出．挥发分析出产生的膨胀应力会使煤颗粒内烧过程分解成几个阶段，从不同阶段入手逐项进行部压强增大，使裂纹进一步增大，同时，由于挥发分分析，可以从机理上对破碎发生的过程达到全面认的析出，煤颗粒内部的孔隙增大，

4、降低了煤颗粒材料识的效果．本研究主要以煤颗粒热解阶段挥发分析本身的屈服强度，当膨胀应力大于材料应力时，煤颗出过程中热应力及膨胀应力作用于煤颗粒的材料本粒就发生了破碎．身产生的破碎为重点，分析各影响因素在热解阶段对破碎程度的影响．2模型的建立1破碎机理分析煤颗粒燃烧过程中，以网格划分的面层为研究以单颗粒煤粉作为研究对象，假设煤颗粒为各对象，研究面s。的受力情况，结果见第21页图1，向同性、均匀受热的半径为尺的球体．在模型的离其中挥发分析出产生的膨胀应力为：散化处理时，将球形煤粒分成20层，半径间隔为rAr，半径由外向内依次为r，r，⋯r2n．冷态的煤颗FA(

5、，r)：l户(r。，r)￡(r口，r)ds√粒进入炉膛之后，与周围高温空气发生传热(包括辐而煤颗粒本身的材料应力为：射传热与对流传热)，煤颗粒表面迅速升温，由于煤rFR(，f)=l[1——s(r，r)]as颗粒本身存在的热阻使其高温表面与内部产生温度JS梯度，从而导致热应力发生梯度变化．同时，煤颗粒式中：为煤颗粒的抗拉强度；P为作用于研究面S内部孔隙的存在增大了传热热阻，造成煤颗粒内部的压力；r为某一时刻．*内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZYI3136)．1)博士、教授；2)硕士生，内蒙古科技大学能源与环境学院，014010内蒙古包头；内蒙古自治区

6、白云鄂博矿多金属资源综合利用国家重点实验室培育基地，014010内蒙古包头收稿日期：2015一o7一o1；修回日期：2o15—12—16第2期金光等单颗粒煤粉热解过程中的破碎模型J’月口’、r—ro时，—O=-1_一(T一／／／‰。。丁)；＼．r一0时，丁值有界；Dr一0时，T—To．0a为颗粒热扩散系数，为煤颗粒的初始温r日、度；T。。为周围气体的温度；为煤颗粒的导热系数；h为煤颗粒在炉膛内的换热系数．从而得到煤颗粒在起始阶段的热应力分布．[II-la]其中，径向应力为：图1煤颗粒破碎过程受力图一[(。，)一(，)]o1“Fig．1Forceduring

7、fragmentationprocessofcoalparticle切向应力为S面上的孔隙率e(r。，r)可以下式表示：e(，r)一es+(1一es)R／Rs2一一号[2(r。，r)+亍(r，r)一3丁(r，r)]式中：e为S面上的初始孑L隙率，R和R分别为式中：，为颗粒的线性膨胀系数；E为弹性模量；S面上以0为圆心的截面半径和所受热应力区域为泊松系数；T(r，r)为r时刻颗粒内半径为r的平半径，如图1所示．在此时将FA与FR相比较，如果均温度，表达式为：FA大于，那么煤颗粒将沿纹路方向产生破碎，该网格层面从半径为r的球状模型上剥离脱落，形成亍(r，r)一

8、』I0T47crdr／÷07(r3一号lI0Trdr新的半径为r的