毫米级煤颗粒一次破碎过程中热应力的作用及孔隙结构的影响

Coal particle fragmentation is a common phenomenon during the thermal-chemical utilization of coals, which significantly influences the reaction kinetics, energy efficiency and the operational stability of reactors. As for now there is no consistent conclusion about the role of thermal stress and devolatilization during the primary fragmentation of coal particles, and is also short of discussion about the effects of porous structure on the thermal stress induced fragmentation. Considering that, the present work, with the help of in-situ visualizing technology, is to investigate the thermal stress induced fragmentation by excluding the volatile matter in the high-rank coals previous to fragmentation tests. By comparing the fragmentation behavior of coal particles with and without volatile matter, reveal the fragmentation mechanism of mm-sized coal particles, and clarify the role of thermal stress during the primary fragmentation. Basing on the fragmentation experiments of particles with various porous structures caused by thermal stress, quantitatively investigate the correlations between the porous parameters and the fragmentation extent, and discuss the influencing mechanism. Develop a thermal stress model that contains porous structure parameters, numerically analyze the influences of porous parameters including pore diameter, pore shape etc. on the thermal stress distribution inside coal particles. Check the applicability of the developed thermal stress model and further improve it by comparing the calculated results with the measured tensile strength of particles. The present project will be helpful to obtain a better understanding about the primary fragmentation of coal particles at the initial period after being introduced into the reactor, and to benefit the prediction of particle size distribution, and also provide theoretical and numerical support for the related reactor optimization and process control.

煤颗粒破碎是煤炭热化学加工过程中的普遍现象，对反应动力学、能源利用效率及反应装置的稳定运行等有重要影响。目前关于煤颗粒一次破碎过程中热应力与脱挥发分的作用尚无统一结论，也缺少孔隙结构对热应力破碎影响的研究。本项目拟通过对高阶煤进行预脱除挥发分处理，利用在线可视化技术研究热应力单一作用下毫米级颗粒的破碎行为，并通过对比有、无脱挥发分作用时的颗粒破碎行为，揭示煤颗粒一次破碎的主要机理，阐明破碎过程中热应力的作用。基于不同颗粒在热应力作用下的破碎实验，考察孔隙结构对颗粒热应力破碎的定量影响，并探讨其影响机制。建立带有孔隙结构参数的热应力模型，分析孔径、孔形等孔隙结构参数对热应力分布的影响，利用颗粒抗拉强度验证热应力模型的适用性并对其进行优化。相关研究有助于更好地理解煤颗粒进入反应器初期的破碎行为，为颗粒粒径分布的预测及与其相关的反应器设计优化、工艺过程控制等提供理论与数据支撑。

煤炭热化学转化过程中的一次破碎直接决定反应器中物料的粒径分布，对燃烧、气化等过程的反应动力学、能源利用效率及反应装置的稳定运行等都有重要影响。目前关于煤颗粒一次破碎过程中热应力与脱挥发分的作用尚无统一结论，也缺少孔隙结构对热应力破碎影响的研究。针对煤颗粒一次破碎过程，本项目研究了不同变质程度煤颗粒的破碎现象，利用在线可视化技术研究了毫米级煤颗粒的破碎行为。对不同煤样进行预脱除挥发分处理，并通过对比有、无挥发分作用时的颗粒破碎行为，揭示了不同煤颗粒一次破碎的主要机理，阐明破碎过程中热应力的作用。在排除脱挥发分作用影响的条件下，基于不同颗粒在热应力作用下的破碎实验，考察了孔隙结构对颗粒热应力破碎的影响，并探讨了其影响机制。建立了带有孔隙结构参数的热应力模型，研究了孔径、孔形、孔隙率等结构参数对热应力分布的影响，为更好地分析预测颗粒热应力破碎行为提供依据。.结果表明，低挥发分煤颗粒主要发生热应力破碎，高挥发分煤颗粒则主要发生脱挥发分破碎。随着孔隙率的增加，更易发生热应力集中，热应力破碎程度加剧；而更高的孔隙率同时意味着更多的挥发分逸出通道，脱挥发分破碎程度随孔隙率的增加而降低。破碎抗性值FRN可较好的用来预测不同机理引起的破碎行为，随着FRN值的增大，破碎程度逐渐减弱。根据引入孔隙结构的热应力模型计算分析，孔结构的存在会明显增大颗粒内应力极值，使得颗粒在相同的加热条件下更易破碎，且最大应力值会随着孔隙曲率的增大而增大。颗粒中心与表面附近的孔隙可以显著增加颗粒中心的切向拉应力和颗粒表面的切向压应力，孔径对热应力分布的影响并不明显。随着孔隙率的增加，颗粒内平均最大拉应力线性增加，更易发生热应力破碎，与实验结果相符。本研究不仅可应用于煤颗粒反应过程，也可为其他热反应中固体颗粒的行为分析提供依据，为颗粒粒径分布的预测及与其相关的反应器设计优化、工艺过程控制等提供支持。