一種預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法
1.本發(fā)明涉及一種預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法。
背景技術(shù)：
2.煤炭的清潔高效利用是節(jié)能減排的首要任務(wù)，而煤氣化是煤炭清潔利用的重要途徑。
3.目前，沒有氣化反應(yīng)中對煤焦顆粒進(jìn)行氣化反應(yīng)速率的計(jì)算或表征方法；大多數(shù)的方法是在氣化反應(yīng)完成后通過氮?dú)馕椒ɡ妹航箍紫督Y(jié)構(gòu)分形維數(shù)來表征反應(yīng)過程中煤焦表面多孔結(jié)構(gòu)變化情況以及氣化反應(yīng)速率，但氮?dú)馕椒ㄋ钑r間長且不能對煤氣化反應(yīng)中的孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)進(jìn)行連續(xù)分析，對煤種也存在限制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
4.本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)中對煤焦顆粒的分析時間過長，且分析方法對煤種存在限制，從而無法快速預(yù)測氣化煤粒在氣化反應(yīng)過程中的反應(yīng)性，而提供了一種預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法。本發(fā)明利用可視化設(shè)備計(jì)算煤焦顆粒的分形維數(shù)，從而表征煤焦顆粒的氣化反應(yīng)性，對了解真實(shí)氣化反應(yīng)環(huán)境和復(fù)雜流場中煤焦顆粒的反應(yīng)特性具有重要的意義，根據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)節(jié)工況運(yùn)行條件如溫度、氧氣含量、給粉量等參數(shù)以保證氣化煤粒氣化效果，提高氣化反應(yīng)效率。
5.本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題。
6.本發(fā)明提供了一種預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其包括如下步驟：
7.s1：采用可視化設(shè)備得到氣化反應(yīng)中不同時刻的煤焦顆粒的圖像；所述氣化反應(yīng)的溫度為750℃～950℃，負(fù)載于所述煤焦顆粒的催化劑的負(fù)載量為 0～10wt％；所述煤焦顆粒的初始當(dāng)量半徑為100μm～150μm；
8.s2：根據(jù)s1中所述煤焦顆粒的圖像，測量不同時刻下所述煤焦顆粒的投影面積a和周長p；根據(jù)所述投影面積a，計(jì)算不同時刻下所述煤焦顆粒的收縮率b；
9.s3：篩選所述圖像中的至少兩個所述煤焦顆粒；所述篩選的標(biāo)準(zhǔn)包括各所述煤焦顆粒在同一時刻下均具有近似的收縮率b，所述同一時刻是指從反應(yīng)開始持續(xù)至反應(yīng)結(jié)束的任意時刻；其中，所述近似的收縮率b是指收縮率不同的所述煤焦顆粒在同一時刻下的收縮率的差值在20％以內(nèi)；
10.s4：根據(jù)s3篩選后的所述煤焦顆粒的投影面積a，計(jì)算各所述煤焦顆粒在不同時刻下的碳轉(zhuǎn)化率x，所述碳轉(zhuǎn)化率是指篩選后的各所述煤焦顆粒的平均碳轉(zhuǎn)化率；根據(jù)s3篩選后的所述煤焦顆粒的投影面積a和周長p，作擬合直線，計(jì)算分形維數(shù)d；
11.s5：當(dāng)待分析的所述氣化煤粒具有與篩選后的所述煤焦顆粒存在相似的物性參數(shù)和相似的反應(yīng)條件時，根據(jù)篩選后的所述煤焦顆粒從反應(yīng)開始持續(xù)至反應(yīng)結(jié)束的任意時刻的碳轉(zhuǎn)化率x和分形維數(shù)d，確定所述氣化煤粒的分形維數(shù)，預(yù)測所述氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率；所述相似的物性參數(shù)包括：所述煤焦顆粒的收縮率與所述氣化煤粒的收縮率的差值在20％
以內(nèi)，所述煤焦顆粒的當(dāng)量半徑與所述氣化煤粒的當(dāng)量半徑的差值在15％；所述相似的反應(yīng)條件包括：氣化反應(yīng)的溫度在750℃～950℃的范圍內(nèi)，催化劑負(fù)載量在0～10wt％的范圍內(nèi)。
12.s1中，較佳地，所述可視化設(shè)備包括攝像裝置和/或顯示裝置；更佳地，所述可視化設(shè)備為高溫?zé)崤_顯微鏡。
13.本發(fā)明中，所述煤焦顆粒的熱解溫度為本領(lǐng)域常規(guī)，一般在800℃左右。
14.s1中，較佳地，所述氣化反應(yīng)的溫度為800～900℃，例如800℃、850℃或900℃。
15.s1中，較佳地，所述煤焦顆粒的初始當(dāng)量半徑為115μm～130μm,。
16.s1中，較佳地，所述催化劑的負(fù)載量為0wt％、2.2wt％、4.4wt％、6.6wt％或10wt％。
17.s1中，較佳地，所述催化劑為碳酸鉀。
18.s1中，較佳地，所述負(fù)載的方法為浸漬法；更佳地，所述浸漬法包括如下步驟：將所述煤焦顆粒加入所述催化劑的水溶液中，加熱攪拌至粘稠狀，烘干即可；其中，所述加熱的溫度較佳地為70～80℃，所述烘干的溫度較佳地為105℃。
19.s1中，較佳地，所述圖像的拍攝間隔時間為20～40s，更佳地為20s或 30s。所述圖像的拍攝間隔時間取決于所述煤焦顆粒的當(dāng)量半徑：由于所述煤焦顆粒的當(dāng)量半徑較小，且在催化劑的作用下所需的氣化時間較短，因此所述圖像的拍攝間隔時間不宜過長；若拍攝時間過短，則會得到較少的關(guān)于顆粒面積、周長的數(shù)據(jù)，從而增大擬合結(jié)果的誤差。
20.s1中，較佳地，所述圖像經(jīng)imagej軟件處理得到。
21.其中，較佳地，所述imagej軟件處理的過程包括：
①
將所述圖像轉(zhuǎn)化為 8bit灰度照片；
②
采用本領(lǐng)域常規(guī)的方法調(diào)整灰度的閾值，使得顆粒完整地被選中。
22.s2中，較佳地，所述收縮率b的計(jì)算公式
①
為：
[0023][0024]
其中，a0為所述煤焦顆粒的初始投影面積，a
t
為t時刻所述煤焦顆粒的投影面積。
[0025]
s3中，較佳地，所述篩選的標(biāo)準(zhǔn)還包括：a)各所述煤焦顆粒的當(dāng)量半徑的差值在15％以內(nèi)；b)各所述煤焦顆粒無分裂；c)各所述煤焦顆粒的邊界明顯。
[0026]
s3中，較佳地，所述篩選的標(biāo)準(zhǔn)還包括：去除反應(yīng)性極差的煤焦顆粒、完全不反應(yīng)的煤焦顆粒或反應(yīng)過快的煤焦顆粒；所述反應(yīng)性極差和完全不反應(yīng)是指所述煤焦顆粒在所述氣化反應(yīng)從開始至結(jié)束的收縮率在10％以內(nèi)，所述反應(yīng)過快是指所述煤焦顆粒在所述氣化反應(yīng)中單位時間內(nèi)收縮率的變化率在30％以上。
[0027]
s3中，較佳地，所述煤焦顆粒的數(shù)量為3個。
[0028]
s4中，較佳地，所述碳轉(zhuǎn)化率x的計(jì)算公式
②
為：
[0029][0030]
其中，a0為所述煤焦顆粒的初始投影面積，a
t
為t時刻所述煤焦顆粒的投影面積，aa為反應(yīng)結(jié)束后所述煤焦顆粒的投影面積，ρ
p
為所述煤焦顆粒的密度。
[0031]
s4中，所述的碳轉(zhuǎn)化率是在所述氣化反應(yīng)中假設(shè)所述顆粒密度不變。
[0032]
本發(fā)明中，由于顆粒自身的差異性，僅憑單顆粒碳轉(zhuǎn)化率不能代表整個氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)情況，所以通過多顆粒的平均碳轉(zhuǎn)化率反映一般氣化特性，避免顆粒的異質(zhì)性和單顆粒選擇的隨機(jī)性帶來的對實(shí)驗(yàn)的影響，因此s4 中選用各所述煤焦顆粒的平均碳轉(zhuǎn)化率作為碳轉(zhuǎn)化率。
[0033]
s4中，較佳地，所述分形維數(shù)d包括計(jì)算公式
③
和公式
④
：
[0034][0035][0036]
其中，n為所述擬合直線的斜率，c為相似分形形狀系數(shù)；
[0037]
根據(jù)不同時刻下，所述煤焦顆粒的投影面積的對數(shù)和周長的對數(shù)分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)作直線擬合，得到擬合直線的斜率n和截距b。根據(jù)公式
③
，得到截距b的關(guān)系式為b＝-2lgc，從而計(jì)算所述相似分形形狀系數(shù)c；將斜率n代入公式
④
得到分形維數(shù)d。
[0038]
s5中，較佳地，當(dāng)所述煤焦顆粒的氣化溫度與所述氣化煤粒的氣化反應(yīng)的溫度相同，且所述煤焦顆粒的催化劑負(fù)載量與所述氣化煤粒的催化劑負(fù)載量相同時，確定所述氣化煤粒的分形維數(shù)為s4中所述分形維數(shù)d，并得到所述分形維數(shù)的碳轉(zhuǎn)化率x。
[0039]
s5中，較佳地，當(dāng)所述煤焦顆粒的氣化溫度與所述氣化煤粒的氣化反應(yīng)的溫度不同時，取所述氣化煤粒的兩側(cè)氣化溫度的分形維數(shù)d，采用插值法計(jì)算得到所述氣化煤粒的分形維數(shù)，并得到所述分形維數(shù)的碳轉(zhuǎn)化率。
[0040]
s5中，較佳地，當(dāng)所述煤焦顆粒的催化劑負(fù)載量與所述氣化煤粒的催化劑負(fù)載量不同時，取所述氣化煤粒的兩側(cè)催化劑負(fù)載量的分形維數(shù)d，采用插值法計(jì)算得到所述氣化煤粒的分形維數(shù)，并得到所述分形維數(shù)的碳轉(zhuǎn)化率。
[0041]
其中，所述插值法為本領(lǐng)域常規(guī)的方法，具體為取前后兩點(diǎn)間的中間值。
[0042]
本發(fā)明中，通過確定所述氣化煤粒的分形維數(shù)和預(yù)測所述氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率，可用于指導(dǎo)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)所述氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率下降，增加氧氣流量，以提高氣化爐內(nèi)的溫度；當(dāng)所述氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率下降，調(diào)節(jié)氣流速度，以提高顆粒氣化反應(yīng)性；當(dāng)所述氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率下降，調(diào)節(jié)噴嘴的入射角度，以提高碳轉(zhuǎn)化率。
[0043]
本發(fā)明中，所述的氣化反應(yīng)先從煤焦顆粒外表面開始，逐漸形成灰層，接著在未反應(yīng)核與灰層之間的界面上繼續(xù)進(jìn)行氣化反應(yīng)，未反應(yīng)核隨著氣化反應(yīng)的進(jìn)行不斷縮小，直至完全消失。
[0044]
本發(fā)明中，通過引入分形維數(shù)的理論對所述氣化反應(yīng)中的所述煤焦的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并表征煤焦顆粒的氣化反應(yīng)性；分形幾何學(xué)用分形維數(shù)的概念d來描述粒子的形狀，粒子的分形維數(shù)由面積-直徑法計(jì)算，計(jì)算公式如式(3)所示，面積即顆粒的投影面積，直徑可由顆粒的投影周長算出，由于面積的對數(shù)lga和周長的對數(shù)lgp之間產(chǎn)生了線性關(guān)系，其中分形維數(shù)可由斜率n表示出。
[0045]
本發(fā)明中，所述分形維數(shù)d與所述煤焦的碳轉(zhuǎn)化率存在正相關(guān)性，可用于預(yù)測氣化煤粒的氣化反應(yīng)性。
[0046]
在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)例。
[0047]
本發(fā)明所用試劑和原料均市售可得。
[0048]
本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：
[0049]
本發(fā)明根據(jù)煤焦顆粒氣化反應(yīng)中的分形維數(shù)值來預(yù)測煤焦氣化反應(yīng)中的反應(yīng)性，方法簡單快捷可在線操作，具有工程應(yīng)用價值，可用于指導(dǎo)煤氣化反應(yīng)過程各參數(shù)量的調(diào)整，有利于提高氣化反應(yīng)效率。
附圖說明
[0050]
圖1為實(shí)施例1中催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在不同氣化溫度下，不同時刻的煤焦顆粒的圖像。
[0051]
圖2為實(shí)施例1中催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在不同氣化溫度下，煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線。
[0052]
圖3為實(shí)施例2中催化劑負(fù)載量為6.6wt％，在不同氣化溫度下，不同時刻的煤焦的圖像。
[0053]
圖4為實(shí)施例2中催化劑負(fù)載量為6.6wt％，在不同氣化溫度下，煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線。
[0054]
圖5為對比例1中催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在氣化溫度為800℃下，煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線。
[0055]
圖6為對比例2中催化劑負(fù)載量為10wt％，在氣化溫度為800℃下，煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線。
具體實(shí)施方式
[0056]
下面通過實(shí)施例的方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，按照常規(guī)方法和條件，或按照商品說明書選擇。
[0057]
本發(fā)明的實(shí)施例中，采用浸漬法，將煤焦顆粒加入碳酸鉀的水溶液中， 70～80℃加熱攪拌至粘稠狀，105℃烘干，得到碳酸鉀負(fù)載的煤焦顆粒。
[0058]
收縮率b的計(jì)算公式
①
為：
[0059][0060]
碳轉(zhuǎn)化率x的計(jì)算公式
②
為：
[0061][0062]
其中，a0為所述煤焦顆粒的初始投影面積，a
t
為t時刻所述煤焦顆粒的投影面積，aa為反應(yīng)結(jié)束后所述煤焦顆粒的投影面積，ρ
p
為所述煤焦顆粒的密度。
[0063]
分形維數(shù)d包括計(jì)算公式
③
和公式
④
為：
[0064]
[0065][0066]
其中，n為所述擬合直線的斜率，c為相似分形形狀系數(shù)；
[0067]
根據(jù)不同時刻下，煤焦顆粒的投影面積的對數(shù)和周長的對數(shù)分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)作直線擬合，得到擬合直線的斜率n和截距b。根據(jù)公式
③
，得到截距b的關(guān)系式為b＝-2lgc，從而計(jì)算相似分形形狀系數(shù)c；將斜率n代入公式
④
得到分形維數(shù)d。
[0068]
實(shí)施例1
[0069]
預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，包括如下步驟：
[0070]
s1：采用高溫?zé)崤_顯微鏡作為可視化設(shè)備得到氣化反應(yīng)中煤焦顆粒的圖像；圖像的拍攝間隔時間為20s；圖像經(jīng)imagej軟件處理得到；氣化反應(yīng)溫度為800℃、850℃和950℃，煤焦顆粒的以碳酸鉀為催化劑的負(fù)載量為 4.4wt％，煤焦顆粒的初始當(dāng)量半徑為115μm～130μm。
[0071]
圖1為本實(shí)施例中催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在不同氣化溫度下，不同時刻的煤焦顆粒的圖像。其中，圖1(a)為800℃、0s的煤焦顆粒的圖像；圖1(b)為800℃、120s的煤焦顆粒的圖像；圖1(c)為800℃、270s的煤焦顆粒的圖像；圖1(d)為850℃、0s的煤焦顆粒的圖像；圖1(e)為850℃、 120s的煤焦顆粒的圖像；圖1(f)為850℃、270s的煤焦顆粒的圖像；圖1(g)為950℃、0s的煤焦顆粒的圖像；圖1(h)為950℃、120s的煤焦顆粒的圖像；圖1(i)為950℃、270s的煤焦顆粒的圖像。
[0072]
s2：根據(jù)s1煤焦顆粒的圖像，測量不同時刻下煤焦顆粒的投影面積a 和周長p；根據(jù)投影面積a，計(jì)算不同時刻下煤焦顆粒的收縮率b；
[0073]
s3：篩選圖像中的三個煤焦顆粒，標(biāo)記為(1)、(2)和(3)；篩選的標(biāo) 準(zhǔn)為：a)三個煤焦顆粒的當(dāng)量半徑的差值在15％以內(nèi)；b)三個煤焦顆粒無 分裂；c)三個煤焦顆粒的邊界明顯；d)三個煤焦顆粒在同一時刻下均具有 近似的收縮率b，同一時刻是指從反應(yīng)開始持續(xù)至反應(yīng)結(jié)束的任意時刻；其 中，近似的收縮率b是指收縮率不同的煤焦顆粒在同一時刻下的收縮率的差 值在20％以內(nèi)；e)去除反應(yīng)性極差的煤焦顆粒、完全不反應(yīng)的煤焦顆粒或 反應(yīng)過快的煤焦顆粒；反應(yīng)性極差和完全不反應(yīng)是指煤焦顆粒在氣化反應(yīng)中 的收縮率在10％以內(nèi)，反應(yīng)過快是指煤焦顆粒在氣化反應(yīng)中單位時間內(nèi)收縮 率的變化率在30％以上；
[0074]
s4：根據(jù)s3篩選后的煤焦顆粒的投影面積a，計(jì)算各煤焦顆粒在不同時刻下的碳轉(zhuǎn)化率x，碳轉(zhuǎn)化率是指三個煤焦顆粒的平均碳轉(zhuǎn)化率，800℃下煤焦顆粒反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率為0.35，850℃下煤焦顆粒反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率為0.68，900℃下煤焦顆粒反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率為0.82；根據(jù)s3篩選后的煤焦顆粒的投影面積a和周長p，作擬合直線，計(jì)算分形維數(shù)d；
[0075]
本實(shí)施例1的三個煤焦顆粒在不同時刻下的周長p和投影面積a如表1、2和3所示。煤焦顆粒不是規(guī)則的圓形，其周長p和投影面積a需由可視化設(shè)備測得。其中，表1為催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在800℃下，不同時刻的周長p和投影面積a；表2為催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在850℃下，不同時刻的周長p和投影面積a；表3為催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在900℃下，不同時刻的周長p和投影面積a。
[0076]
表1
[0077][0078][0079]
表2
[0080][0081]
表3
[0082][0083][0084]
表格中具有一些相對誤差較大的數(shù)據(jù)，其原因在于：隨著氣化反應(yīng)的進(jìn)行，煤焦顆粒會產(chǎn)生氣化氣，從煤焦顆粒內(nèi)部逸出，而使得煤焦顆粒存在瞬時膨脹的現(xiàn)象，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，煤焦顆粒的尺寸不斷減小，降低了有氣體從煤焦顆粒內(nèi)部逸出的情況。在氣化反應(yīng)過程中，煤焦顆粒尺寸的總體變化趨勢是相對固定的。
[0085]
分形幾何學(xué)用分形維數(shù)的概念d來描述粒子的形狀，粒子的分形維數(shù)由面積-直徑法計(jì)算。煤焦顆粒的投影面積a和周長p在雙對數(shù)坐標(biāo)上的關(guān)系如圖2所示。圖2為本實(shí)施例中催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在不同氣化溫度下，顆粒的分形維數(shù)的擬合直線；其中，圖2(a)為800℃下煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線，其分形維數(shù)d為0.80；圖2(b)為850℃下煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線，其分形維數(shù)d為0.88；圖2(c)為900℃下煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線，其分形維數(shù)d為0.95。
[0086]
s5：比對煤焦顆粒和待分析的氣化煤粒具有相似的物性參數(shù)和相似的反應(yīng)條件，確定氣化煤粒的分形維數(shù)，預(yù)測氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率；相似的物性參數(shù)包括：煤焦顆粒的收縮率與氣化煤粒的收縮率的差值在20％以內(nèi)，煤焦顆粒的當(dāng)量半徑與氣化煤粒的當(dāng)量半徑的差值在15％；相似的反應(yīng)條件包括：氣化反應(yīng)的溫度在750℃～950℃的范圍內(nèi)，催化劑負(fù)載量在0～10wt％的范圍內(nèi)。
[0087]
實(shí)施例2
[0088]
預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，包括如下步驟：
[0089]
s1：采用高溫?zé)崤_顯微鏡作為可視化設(shè)備得到氣化反應(yīng)中煤焦顆粒的圖像；圖像的拍攝間隔時間為30s；圖像經(jīng)imagej軟件處理得到；氣化反應(yīng)溫度為800℃、850℃和950℃，煤焦顆粒的以碳酸鉀為催化劑的負(fù)載量為 6.6wt％，煤焦顆粒的初始當(dāng)量半徑為115μm～130μm。
[0090]
圖3為本實(shí)施例中催化劑負(fù)載量為6.6wt％，在不同氣化溫度下，不同時刻的煤焦
顆粒的圖像。其中，圖3(a)為800℃、0s的煤焦顆粒的圖像；圖3(b)為800℃、120s的煤焦顆粒的圖像；圖3(c)為800℃、270s的煤焦顆粒的圖像；圖3(d)為850℃、0s的煤焦顆粒的圖像；圖3(e)為850℃、 120s的煤焦顆粒的圖像；圖3(f)為850℃、270s的煤焦顆粒的圖像；圖3(g)為950℃、0s的煤焦顆粒的圖像；圖3(h)為950℃、120s的煤焦顆粒的圖像；圖3(i)為950℃、270s的煤焦顆粒的圖像。
[0091]
s2：根據(jù)s1煤焦顆粒的圖像，測量不同時刻下煤焦顆粒的投影面積a 和周長p；根據(jù)投影面積a，計(jì)算不同時刻下煤焦顆粒的收縮率b；
[0092]
s3：篩選圖像中的三個煤焦顆粒，標(biāo)記為(1)、(2)和(3)；篩選的標(biāo) 準(zhǔn)為：a)三個煤焦顆粒的當(dāng)量半徑的差值在15％以內(nèi)；b)三個煤焦顆粒無 分裂；c)三個煤焦顆粒的邊界明顯；d)三個煤焦顆粒在同一時刻下均具有 近似的收縮率b，同一時刻是指從反應(yīng)開始持續(xù)至反應(yīng)結(jié)束的任意時刻；其 中，近似的收縮率b是指收縮率不同的煤焦顆粒在同一時刻下的收縮率的差 值在20％以內(nèi)；e)去除反應(yīng)性極差的煤焦顆粒、完全不反應(yīng)的煤焦顆粒或 反應(yīng)過快的煤焦顆粒；反應(yīng)性極差和完全不反應(yīng)是指煤焦顆粒在氣化反應(yīng)中 的收縮率在10％以內(nèi)，反應(yīng)過快是指煤焦顆粒在氣化反應(yīng)中單位時間內(nèi)收縮 率的變化率在30％以上；
[0093]
s4：根據(jù)s3篩選后的煤焦顆粒的投影面積a，計(jì)算各煤焦顆粒在不同時刻下的碳轉(zhuǎn)化率x，碳轉(zhuǎn)化率是指三個煤焦顆粒的平均碳轉(zhuǎn)化率，800℃下煤焦顆粒反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率為0.46，850℃下煤焦顆粒反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率為0.77，900℃下煤焦顆粒反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率為0.88；根據(jù)s3篩選后的煤焦顆粒的投影面積a和周長p，作擬合直線，計(jì)算分形維數(shù)d；
[0094]
分形幾何學(xué)用分形維數(shù)的概念d來描述粒子的形狀，粒子的分形維數(shù)由面積-直徑法計(jì)算。煤焦顆粒的投影面積a和周長p在雙對數(shù)坐標(biāo)上的關(guān)系如圖4所示。圖4為本實(shí)施例中催化劑負(fù)載量為4.4wt％，在不同氣化溫度下，顆粒的分形維數(shù)的擬合直線；其中，圖4(a)為800℃下煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線，其分形維數(shù)d為0.92；圖4(b)為850℃下煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線，其分形維數(shù)d為0.95；圖4(c)為900℃下煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線，其分形維數(shù)d為0.97。
[0095]
s5：比對煤焦顆粒和待分析的氣化煤粒具有相似的物性參數(shù)和相似的反應(yīng)條件，確定氣化煤粒的分形維數(shù)，預(yù)測氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率；相似的物性參數(shù)包括：煤焦顆粒的收縮率與氣化煤粒的收縮率的差值在20％以內(nèi)，煤焦顆粒的當(dāng)量半徑與氣化煤粒的當(dāng)量半徑的差值在15％；相似的反應(yīng)條件包括：氣化反應(yīng)的溫度在750℃～950℃的范圍內(nèi)，催化劑負(fù)載量在0～10wt％的范圍內(nèi)。
[0096]
實(shí)施例3
[0097]
煤焦顆粒的催化劑負(fù)載量為2.2％，采用如實(shí)施例1的方法，計(jì)算煤焦顆粒在不同氣化溫度所對應(yīng)的分形維數(shù)和反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率。
[0098]
實(shí)施例4
[0099]
煤焦顆粒的催化劑負(fù)載量為10％，采用如實(shí)施例1的方法，計(jì)算煤焦顆粒在不同氣化溫度所對應(yīng)的分形維數(shù)和反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率。
[0100]
表4為實(shí)施例1～4煤焦顆粒在不同催化劑用量和不同反應(yīng)溫度下的分形維數(shù)。
[0101]
表4
[0102][0103][0104]
表5為實(shí)施例1～4煤焦顆粒在不同催化劑用量和不同反應(yīng)溫度下的反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率。
[0105]
表5
[0106][0107]
結(jié)合表4和表5，可以看出煤焦顆粒的分形維數(shù)與碳轉(zhuǎn)化率存在正相關(guān)性，即分形維數(shù)愈大，煤焦顆粒的碳轉(zhuǎn)化率越大。由此，可以計(jì)算煤焦顆粒的分形維數(shù)來預(yù)測煤焦顆粒的氣化反應(yīng)性。
[0108]
對比例1
[0109]
顆粒當(dāng)量半徑為90μm的煤焦顆粒的催化劑負(fù)載量為4.4wt％，氣化反應(yīng)溫度為800℃，采用如實(shí)施例1的方法，計(jì)算煤焦顆粒在氣化反應(yīng)溫度為 800℃，催化劑負(fù)載量為4.4wt％下的分形維數(shù)為0.83和反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率。圖5為本對比例的煤焦顆粒在催化劑負(fù)載量為4.4％、氣化反應(yīng)溫度為 800℃的分形維數(shù)。與實(shí)驗(yàn)中所選115μm～130μm得出的分形維數(shù)結(jié)果(0.80)相比，本對比例的分形維數(shù)偏大。
[0110]
對比例2
[0111]
顆粒當(dāng)量半徑為110～130μm的煤焦顆粒的催化劑負(fù)載量為10wt％，氣化反應(yīng)溫度為800℃，采用如實(shí)施例1的方法，但未進(jìn)行步驟s3的篩選，任意選擇三個煤焦顆粒，計(jì)算煤焦顆粒在催化劑負(fù)載量為10wt％，在氣化溫度為800℃下的分形維數(shù)，并計(jì)算三個煤焦顆粒在反應(yīng)結(jié)束后的碳轉(zhuǎn)化率分別為37％、22％和70％。
[0112]
圖6為本對比例中催化劑負(fù)載量為10wt％，在氣化溫度為800℃下，煤焦顆粒的分形維數(shù)的擬合直線。由于未經(jīng)過步驟s3的篩選，三個顆粒的收縮率相差較大的顆粒，lgp與lga的點(diǎn)比較分散，擬合效果不好。
[0113]
效果實(shí)施例1
[0114]
煤焦顆粒的碳轉(zhuǎn)化率結(jié)果具有可靠性，通過多次實(shí)驗(yàn)以及選取顆粒平均值來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以催化劑負(fù)載量為2.2％，氣化溫度為850℃為例。如表所示，兩次實(shí)驗(yàn)顆粒
的平均碳轉(zhuǎn)化率相近。表6為催化劑負(fù)載量為 2.2wt％，在氣化溫度為850℃下，不同時刻煤焦顆粒的平均碳轉(zhuǎn)化率。
[0115]
表6
[0116]
技術(shù)特征：
1.一種預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，其包括如下步驟：s1：采用可視化設(shè)備得到氣化反應(yīng)中不同時刻的煤焦顆粒的圖像；所述氣化反應(yīng)的溫度為750℃～950℃，負(fù)載于所述煤焦顆粒的催化劑的負(fù)載量為0～10wt％；所述煤焦顆粒的初始當(dāng)量半徑為100μm～150μm；s2：根據(jù)s1所述煤焦顆粒的圖像，測量不同時刻下所述煤焦顆粒的投影面積a和周長p；根據(jù)所述投影面積a，計(jì)算不同時刻下所述煤焦顆粒的收縮率b；s3：篩選所述圖像中的至少兩個所述煤焦顆粒；所述篩選的標(biāo)準(zhǔn)包括各所述煤焦顆粒在同一時刻下均具有近似的收縮率b，所述同一時刻是指從反應(yīng)開始持續(xù)至反應(yīng)結(jié)束的任意時刻；其中，所述近似的收縮率b是指收縮率不同的所述煤焦顆粒在同一時刻下的收縮率的差值在20％以內(nèi)；s4：根據(jù)s3篩選后的所述煤焦顆粒的投影面積a，計(jì)算各所述煤焦顆粒在不同時刻下的碳轉(zhuǎn)化率x，所述碳轉(zhuǎn)化率是指篩選后的各所述煤焦顆粒的平均碳轉(zhuǎn)化率；根據(jù)s3篩選后的所述煤焦顆粒的投影面積a和周長p，作擬合直線，計(jì)算分形維數(shù)d；s5：當(dāng)待分析的所述氣化煤粒具有與篩選后的所述煤焦顆粒存在相似的物性參數(shù)和相似的反應(yīng)條件時，根據(jù)篩選后的所述煤焦顆粒從反應(yīng)開始持續(xù)至反應(yīng)結(jié)束的任意時刻的碳轉(zhuǎn)化率x和分形維數(shù)d，確定所述氣化煤粒的分形維數(shù)，預(yù)測所述氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率；所述相似的物性參數(shù)包括：所述煤焦顆粒的收縮率與所述氣化煤粒的收縮率的差值在20％以內(nèi)，所述煤焦顆粒的當(dāng)量半徑與所述氣化煤粒的當(dāng)量半徑的差值在15％；所述相似的反應(yīng)條件包括：氣化反應(yīng)的溫度在750℃～950℃的范圍內(nèi)，催化劑負(fù)載量在0～10wt％的范圍內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s1中，所述可視化設(shè)備包括攝像裝置和/或顯示裝置；和/或，所述氣化反應(yīng)的溫度為800～900℃，例如800℃、850℃或900℃；和/或，所述煤焦顆粒的初始當(dāng)量半徑為115μm～130μm；和/或，所述催化劑的負(fù)載量為0wt％、2.2wt％、4.4wt％、6.6wt％或10wt％；和/或，所述催化劑為碳酸鉀；和/或，所述負(fù)載的方法為浸漬法；和/或，所述圖像的拍攝間隔時間為20～40s；和/或，所述圖像經(jīng)imagej軟件處理得到。3.如權(quán)利要求2所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s1中，所述可視化設(shè)備為高溫?zé)崤_顯微鏡；和/或，所述氣化反應(yīng)的溫度為800℃、850℃或900℃；和/或，所述浸漬法包括如下步驟：將所述煤焦顆粒加入所述催化劑的水溶液中，加熱攪拌至粘稠狀，烘干即可；其中，所述加熱的溫度較佳地為70～80℃，所述烘干的溫度較佳地為105℃；和/或，所述圖像的拍攝間隔時間為20s或30s。4.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s2中，所述收縮率b的計(jì)算公式
①
為：
其中，a0為所述煤焦顆粒的初始投影面積，a
t
為t時刻所述煤焦顆粒的投影面積。5.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s3中，所述篩選的標(biāo)準(zhǔn)還包括：a)各所述煤焦顆粒的當(dāng)量半徑的差值在15％以內(nèi)；b)各所述煤焦顆粒無分裂；c)各所述煤焦顆粒的邊界明顯。6.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s3中，所述篩選的標(biāo)準(zhǔn)還包括：去除反應(yīng)性極差的煤焦顆粒、完全不反應(yīng)的煤焦顆粒或反應(yīng)過快的煤焦顆粒；所述反應(yīng)性極差和完全不反應(yīng)是指所述煤焦顆粒在所述氣化反應(yīng)從開始至結(jié)束的收縮率在10％以內(nèi)，所述反應(yīng)過快是指所述煤焦顆粒在所述氣化反應(yīng)中單位時間內(nèi)收縮率的變化率在30％以上。7.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s3中，所述煤焦顆粒的數(shù)量為3個。8.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s4中，所述碳轉(zhuǎn)化率x的計(jì)算公式
②
為：其中，a0為所述煤焦顆粒的初始投影面積，a
t
為t時刻所述煤焦顆粒的投影面積，a
a
為反應(yīng)結(jié)束后所述煤焦顆粒的投影面積，ρ
p
為所述煤焦顆粒的密度。9.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s4中，所述分形維數(shù)d包括計(jì)算公式
③
和公式
④
為：為：其中，n為所述擬合直線的斜率，c為相似分形形狀系數(shù)；根據(jù)不同時刻下，所述煤焦顆粒的投影面積的對數(shù)和周長的對數(shù)分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)作直線擬合，得到擬合直線的斜率n和截距b；根據(jù)公式
③
，得到截距b的關(guān)系式為b＝-2lgc，從而計(jì)算所述相似分形形狀系數(shù)c；將斜率n代入公式
④
得到分形維數(shù)d。10.如權(quán)利要求1所述的預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法，其特征在于，s5中，當(dāng)所述煤焦顆粒的氣化溫度與所述氣化煤粒的氣化反應(yīng)的溫度相同，且所述煤焦顆粒的催化劑負(fù)載量與所述氣化煤粒的催化劑負(fù)載量相同時，確定所述氣化煤粒的分形維數(shù)為s4中所述分形維數(shù)d，并得到所述分形維數(shù)的碳轉(zhuǎn)化率x；或，當(dāng)所述煤焦顆粒的氣化溫度與所述氣化煤粒的氣化反應(yīng)的溫度不同時，取所述氣化煤粒的兩側(cè)氣化溫度的分形維數(shù)d，采用插值法計(jì)算得到所述氣化煤粒的分形維數(shù)，并得到所述分形維數(shù)的碳轉(zhuǎn)化率；或，當(dāng)所述煤焦顆粒的催化劑負(fù)載量與所述氣化煤粒的催化劑負(fù)載量不同時，取所述氣化煤粒的兩側(cè)催化劑負(fù)載量的分形維數(shù)d，采用插值法計(jì)算得到所述氣化煤粒的分形維數(shù)，并得到所述分形維數(shù)的碳轉(zhuǎn)化率。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種預(yù)測氣化煤粒反應(yīng)性的方法。其包括如下步驟：S1：采用可視化設(shè)備得到氣化反應(yīng)中不同時刻的煤焦顆粒的圖像；S2：計(jì)算不同時刻下煤焦顆粒的收縮率B；S3：篩選至少兩個所述煤焦顆粒；S4：計(jì)算各煤焦顆粒在不同時刻下的碳轉(zhuǎn)化率x；作擬合直線，計(jì)算分形維數(shù)D；S5：確定氣化煤粒的分形維數(shù)，預(yù)測氣化煤粒的碳轉(zhuǎn)化率。本發(fā)明利用可視化設(shè)備計(jì)算煤焦顆粒的分形維數(shù)，從而表征煤焦顆粒的氣化反應(yīng)性，對了解真實(shí)氣化反應(yīng)環(huán)境和復(fù)雜流場中煤焦顆粒的反應(yīng)特性具有重要的意義，根據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)節(jié)工況運(yùn)行條件如溫度、氧氣含量、給粉量等參數(shù)以保證氣化煤粒氣化效果，提高氣化反應(yīng)效率。率。率。
