低变质煤微波热解数值模拟研究

作     者：梁坤 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周军

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：低变质煤 数值模拟 微波热解 能量场分布 升温特性 

摘      要：低变质煤微波热解技术因其热解速度快、煤焦油质量好、“富氢气体(H和CH)含量高等优点被众多研究者所关注。当前研究多是以微波热解工艺为主要内容,而对微波炉腔体内的能量场(电磁场和煤样温度场)分布研究较少,不利于煤微波热解机理的深入分析和能效的提升。本文采用COMSOL Multiphysics软件,结合煤样热容、煤样介电系数、煤样化学反应热等因素对微波炉腔体内能量场分布的影响,建立了适合低变质煤微波加氢热解的多物理场电磁传热模型,并对低变质煤微波热解过程进行了数值模拟和实验研究,分析了微波功率、热解时间、煤样位置、热解气氛和波导位置对微波炉腔体内电场和煤样温度场的影响。在模拟最优工艺条件下进行微波热解实验,分析了热解升温曲线、产物收率和产物特性,并与常规热解产物进行了对比分析。研究表明:微波功率、煤样位置和波导位置对模拟的微波炉腔体内电场和煤样温度场分布影响十分明显;热解时间和热解气氛对模拟的电场分布影响较小,而对模拟的煤样温度场分布影响较大。微波功率从280 W增加到700 W,电场强度从约4.2×10 V/m增加到约6.5×10 V/m,煤样高温区域覆盖面积超过一半以上。热解时间从100 s增加到1800 s,煤样的高温区域覆盖面积约80%,煤样的最高温度从730℃左右增加到1100℃左右。煤样位置从±9 cm位置移动到-3 cm位置,电场强度从7.3?10 V/m增加到1.1?10 V/m,煤样最高温度从500℃左右增加到1100℃左右。热解气氛的加入提高了煤样高温区域覆盖面积,H气氛下煤样的高温区域覆盖面积约达90%,煤样整体温度约1000℃。波导位置从±6 cm位置移动到0 cm位置,电场强度从约1.1×10 V/m增加到约1.4?10 V/m,煤样最高温度从600℃左右增加到1100℃左右。微波功率从280 W增加到700 W,煤样的升温速率和热解终温逐渐升高,焦油收率从3.64 wt.%增加到7.72 wt.%。热解时间从100 s增加到1800 s,热解终温从350℃左右增加到1000℃左右,焦油收率从0 wt.%增加到7.72 wt.%。煤样位置从±9 cm位置移动到-3 cm位置,煤样的升温速率逐渐增高,热解终温从300℃左右增加到1000℃左右,焦油收率从0 wt.%增加到7.84 wt.%。热解气氛的加入明显提高了焦油收率,H气氛下焦油收率达12.82 wt.%。模拟的最优低变质煤微波热解条件为:微波功率为700 W、热解时间为1800 s、煤样位置为-3 cm位置、热解气氛为H气氛和波导位置为0 cm位置。在此条件下进行低变质煤微波热解实验,其产物兰炭、焦油、热解水和煤气的收率分别为60.76wt.%、12.82 wt.%、7.46 wt.%和18.96 wt.%,其中,焦油中轻质油含量为37.43 wt.%。与常规热解相比,热解水、焦油收率分别提高了1.42 wt.%、4.73 wt.%,焦油中轻质油、中质油含量分别提高了8.27 wt.%、24.7 wt.%。