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煤炭转化 2023年第3期46卷 13-24页

作者：关一宁吴雷周军刘田田杨甫蒋绪西安建筑科技大学化学与化工学院西安710055 陕西省煤田地质集团有限公司自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室西安710021 咸阳职业技术学院陕西咸阳712000

吸波剂协助煤微波热解技术可实现煤的清洁高效转化,吸波剂协助煤微波热解技术与数值模拟技术相结合,可进一步优化微波热解产物特性。将电磁场能量守恒方程、固体热传导方程和几何模型耦合,运用COMSOL软件建立了适用于吸波剂协助低阶煤... 详细信息

吸波剂协助煤微波热解技术可实现煤的清洁高效转化,吸波剂协助煤微波热解技术与数值模拟技术相结合,可进一步优化微波热解产物特性。将电磁场能量守恒方程、固体热传导方程和几何模型耦合,运用COMSOL软件建立了适用于吸波剂协助低阶煤微波热解反应的电磁-传热模型,考察了兰炭(BC)、Fe_(2)O_(3)和Fe_(2)O_(3)/BC三种不同种类吸波剂协助煤微波热解的微波腔体电场和煤样温度场的分布特性和强度变化,并与煤微波热解实验进行了对比验证。结果表明:吸波剂种类对微波腔体的电场和煤样的温度场的分布位置和分布区域形状没有显著影响,而对两者的分布区域面积和强度存在较大影响。吸波剂按对电场的分布区域面积和强度的影响从大到小依次为Fe_(2)O_(3)/BC、兰炭和Fe_(2)O_(3),煤样的温度场呈现出右高左低的分布趋势,且高温区域形状呈羽状。三种吸波剂中,Fe_(2)O_(3)/BC吸波剂的电场强度最大,约为9.79×10^(4)V/m,其煤样的温度场分布区域面积和煤样最高温也均最大。三种吸波剂模拟升温特性与实际微波热解升温特性相似,但Fe_(2)O_(3)吸波剂条件下热解最高温和终温模拟结果与实验结果差异最小,而Fe_(2)O_(3)/BC吸波剂条件下的模拟升温曲线与实验结果最为相似。

关键词：微波热解吸波剂能量场分布数值模拟低阶煤

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多煤层开采高应力演化与能量场分布规律研究

多煤层开采高应力演化与能量场分布规律研究

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作者：刘千贺安徽理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着煤炭开采强度的加大,煤层赋存条件优越的矿体越来越少,煤层群开采受到越来越多的关注。煤层群煤层多次采动后,受其影响下应力承载结构减弱、采动高应力形成、采动应力相互演化叠加,进而出现巷道支护困难、顶底板不易控制、... 详细信息

近年来,随着煤炭开采强度的加大,煤层赋存条件优越的矿体越来越少,煤层群开采受到越来越多的关注。煤层群煤层多次采动后,受其影响下应力承载结构减弱、采动高应力形成、采动应力相互演化叠加,进而出现巷道支护困难、顶底板不易控制、冲击地压、瓦斯抽采困难等多种问题。根据淮南矿区潘二矿西四采区A、B组煤(B8、B7、B6、B5、B4、A3、A1煤)煤层赋存条件以及开采技术特征,综合采用矿井现场试验研究、数值模拟试验、实验室相似材料模拟试验和理论计算分析等方法,对煤层群大范围采场围岩多煤层采动下高应力演化和能量场分布规律进行了研究。研究在大量现场试验的基础上,对采场开采技术特征、煤岩物理力学参数进行试验、分析、汇总,进而设计了A、B组煤多煤层多次采动FLAC3D数值模拟模型、实验室相似材料模拟试验模型。研究分析了多煤层一次采动下围岩应力场、塑性区演化分布特征以及能量场分布规律,以及多煤层多次采动下围岩应力场、塑性区演化分布特征以及能量场分布规律。基于煤层群多煤层开采条件下高应力演化效应和能量场分布规律,构建了多煤层卸压开采应力演化模型以及能量场演化模型。多煤层卸压开采条件下,围岩应力在多次开采情况下应力的“叠加”效应以及在纵向距离上随着距开采煤层距离不同而产生“均化”效应。在煤层采出时,能量场具有和围岩应力场较为相似的分布特征,在开采煤层煤壁前方呈现出能量耗散释放分区、能量激活敏感区以及能量储存稳定区分区特征。研究结果对相近工程地质条件下矿井安全、高效开采以及煤与瓦斯共采提供了重要的指导意义和参考价值,具有显著的社会效应和经济效益。

关键词：多煤层开采数值模拟相似模拟高应力演化能量场分布

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低变质煤微波热解数值模拟研究

低变质煤微波热解数值模拟研究

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作者：梁坤西安建筑科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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.%。

关键词：低变质煤数值模拟微波热解能量场分布升温特性

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