数学模型在褐煤干燥中的应用

数学模型在褐煤干燥中的应用

1.绪论

我国褐煤资源丰富，已探明保有储量1303亿t，占全国煤炭总储量13%．褐煤是一种高水分含量(20%～50%)，低热值(收到基低位发热量14MJ/kg左右)的煤种，易于风化和自燃，不宜长途运输，故长期被视作一种劣质的煤炭资源，主要用做坑口电厂燃料或就近气化原料，开发利用程度不高．[1]

当前，随着我国经济的持续快速发展和对能源需求的与日俱增，国内优质煤炭资源供应已日趋紧张，适时发展褐煤提质综合利用产业，将有效缓解我国优质动力煤供应紧张的局面，同时还可利用低品位煤炭扩宽优质动力煤的资源渠道，延伸煤炭工业的产业链，生产高品质的石油替代产品，提高煤炭资源的综合利用效率和煤炭利用的环境效益，从而更好地满足我国能源需求，为我国国民经济发展提供强有力的安全保障．[2]

因此，如何通过物理化学方法对褐煤改性提质，降低褐煤中的水分含量是一个热点和难点问题．干燥褐煤的方法不唯一，下文中介绍了三种干燥褐煤的方法．其中，烟气干燥褐煤，是将单个褐煤颗粒作为研究对象，建立模型，研究不粒径褐煤干燥过程中的烟气温度、颗粒含水量、颗粒内部温度分布等变化规律；滚筒式干燥机干燥褐煤部分，是控制算法部分，应用数学模型研究一系列的控制参数的最优解；振动流化床干燥褐煤部分，建立了流化床不同干燥阶段、不同干燥床层的热量需求情况的数学模型，为不同条件下的热量需求情况提供了理论依据．

2.烟气干燥褐煤

2.1方法概述[3]

为了深入研究高温烟气干燥褐煤的物理过程，在一维球坐标系F对单个球形褐煤颗粒的干燥脱水过程建立了数值模型．模型中以褐煤颗粒内的蒸发界面为基础，将褐煤颗粒分为干区和湿区，对湿区求解传热方程，对干区求解烟气传热和传质方程，模拟褐煤干燥中的水分蒸发过程．模型采用Crank-Nicolson隐式差分方法进行离散化，模拟得到单个褐煤颗粒动态蒸发的过程．利用该模型分析不粒径褐煤干燥过程中的烟气温度、颗粒含水量、颗粒内部温度分布等变化规律．

2.2具体步骤

2.2.1干燥过程分析

烟气干燥褐煤颗粒是一个复杂的过程，整个干燥过程包括气液固多相流动以及褐煤内部和褐煤表面烟气发生的复杂的传热，传质的过程;而褐煤类似多孔介质的内部结构也是复杂的，多样的由于干燥过程以及褐煤性质非常复杂，建立能够依据褐煤的性质并准确描述实际干燥过程的数学模型，是很难实现的．

对于干燥过程数学模型的研究基本上都是根据基础理论，对实际情况做出一定的简化，最终得出干燥过程模型的基本方程．于是有首先根据质量守恒、动量方程和能量守恒关系建立褐煤颗粒传质和传热的基本方程．在建立一维干燥数学模型时，摒弃以往采用的蒸发界面总在颗粒表面的假设，而考虑蒸发界面随着干燥进程的变化而向褐煤内部移动，以褐煤蒸发界面为界，将褐煤颗粒分为蒸发界面外部的干区和蒸发界面内部的湿区两个不同区域．

在干燥过程中，颗粒内部含有液态、气态两种水分．液态水分不断吸热蒸发成为气态，同时气态水经褐煤干区向外扩散至烟气中，随着干燥过程的进行，当颗粒内部通过扩散向表面输送的水分不足以维持颗粒表面的蒸发时，蒸发界面就开始向颗粒内部转移，颗粒表面和蒸发界面之间便形成了一个含水量较低的准干燥区域，称之为干区；而蒸发界面R内部仍然是一个和初始时刻相比，温度有所升高的水润球体，称之为湿区，如图1所示．

图1褐煤颗粒干燥过程

2.2.2模型假设

针对干区、湿区的模型划分，同时基于高温烟气褐煤干燥的特点，对整个单颗粒褐煤干燥过程的模型进行以下基本假设，以保证模型基本符合物理过程：

1)褐煤颗粒为各向同性的球体，其半径可表征不规则形状褐煤的特征尺寸，因而褐煤的干燥过程可采用一维球体坐标系对其建立守恒方程．

2)颗粒在干燥过程中不发生膨胀、破碎或收缩等物理变化，褐煤粒径为常数．3)褐煤的水分均看作存在于多孔介质中的水分，而不区分内在水和外在水，因而在

褐煤蒸发过程中，褐煤的含水部分，即湿区可看做一个半径不断收缩的液滴，其界面因

蒸发进行而不断内移．

4)褐煤蒸发过程中，在蒸发界面外侧的物理过程简化为多孔介质及气体的热交换和组分r包括烟气和水蒸气)扩散过程，气体在多孔介质内的扩散过程可由气体传质方程表述，而传质系数可简化为水蒸气在空气中的传质系数乘某一因子，裱征多孔介质对水分扩散和蒸发的影响，称为多孔系数因子；

5)蒸发界面由位于界面上的小室代表；蒸发界面内部的物理过程简化为含水多孔介质的导热过程．以界面小室为分界，在建模时分别对界面以外和界面以内的部分独立求解，界面小室的蒸发模型根据Fick定律确定，由此来确定干区和湿区各自的边界条件．

6)烟气与褐煤颗粒不反应，但当褐煤干区温度超过某一设定温度时，认为会发生脱挥发份现象，而开始出现这一现象时，是烟气初始温度所允许的最高值．

7)水分在颗粒中呈自由状态．湿区内温度和水分均匀分布，由于烟气温度较低，不考虑辐射换热．

2.2.3建立守恒方程

分别建立一维坐标系下守恒方程描述褐煤颗粒的干燥过程．包括质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程，进而分别得出干、湿区的传质、传热方程．然后再进行求解，具体过程，不一一赘述．

2.3得出结论

发现颗粒最高温度不超过烟气和颗粒的最终平衡温度．褐煤颗粒粒径和初始烟气温度对褐煤的干燥过程有重要影响，较高的初始烟气温度条件下所需的干燥时间短，干燥时间近似与褐煤颗粒粒径的平方成正比．

3.滚筒式干燥机干燥褐煤

3.1方法概述[4]

滚筒干燥过程为：经前期压滤后的褐煤泥由输送设备给人滚筒干燥机，由干燥装置的热源设备——燃烧炉吹出的热烟气对褐煤泥进行干燥；褐煤泥经烟气干燥后，其中烟气携带干燥析出的水分和微细煤粉被负压吸入除尘器；剩余烟气经除尘器除尘过滤后排放到大气．

3.2机械系统组成

滚筒式煤泥干燥系统主要由以下几部分组成：

1)原料装载系统．由输送机、给料机等设备完成煤泥的输送；

2)燃烧供热系统．由热风炉、燃料上煤机、链板除渣机、鼓风机等完成向干燥系统提供稳定的高温热介质；

3)于燥脱水系统．由螺旋推进器、滚筒干燥机、排料箱等设备完成高水分的煤泥与高温热介质的质热交换；

4)环保除尘系统．由除尘器、引风机等设备完成同收干燥产品中的散细颗粒．实现尾气达标排放；

5)产品运输系统．由运输机等设备将干后产品运输到用户指定位置．

3.3电气系统组成

电控系统由各个设备的拖动电机，变频器和检测用的温度、压力传感器及仪表组成．上位控制器由工控机设置的WINCC组态软件完成系统的监控，下位控制器由s7-300-PLC构成．WINCC和算法的控制程序，根据数学模型要求完成数据采集、信息处理、功能控制等任务，井记录系统运行和事件(故障)

等数据．

图2控制架构简图

3.4控制功能

系统控制原则以就地优先，集控自动运行为准则，其运行模式由现场或中控室操作员选择．现场和集控中心都能对设备进行紧急停车的操作．瞪备启动遵循逆煤流启动顺煤漉停止原则，在集控自动状态下某台设备发生意外放障停车时，连锁停止上游设备，下游设备继续运行，并将控制方式由集中自动控制改为集中手动控制．

3.5控制算法

滚筒式煤泥干燥系统的主要设备是滚筒干燥机，原料煤入料(湿料)量、出料(干料)量和滚筒运 …… 此处隐藏：5151字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……