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氧化不熔化过程是制备煤沥青基球状活性炭的关键步骤,因其耗时长、耗能大成为制约该产业工业化、规模化发展的重要因素。为了进一步发展煤沥青深加工产业并满足国内高品质活性炭需求,本文针对煤沥青球的氧化不熔化过程开展了相关研究,旨在掌握煤沥青球氧化不熔化过程特性,并对回转窑这一中试反应器的操作参数进行优化控制,为后续的产业发展提供理论和数据支持。通过热重分析研究了煤沥青球氧化不熔化的过程特性和动力学特性,同时分析了粒径范围、升温速率以及氧化温度的影响,并通过元素分析和扫描电镜掌握了煤沥青球的成分特性与表面形貌。结果表明:氧化不熔化过程可明显分为轻组分热解、初步氧化、氧化增重以及恒温氧化失重4个阶段;减小粒径、选用合适的升温速率以及尽可能的提高氧化温度更有利于氧化不熔化快速稳定地进行。建立了管式炉试验系统,研究了升温速率、堆积厚度、氧化温度及氧气浓度对氧化不熔化过程的气体析出特性和固体形貌结构特性的影响。结果表明:该过程中煤沥青球的脂肪侧链以及部分芳环上的C-H断裂,断键相互交联缩合为稳定稠环结构或吸氧形成C-O或C=O等耐热型含氧官能团,同时释放出CO2、CO、CH4以及H2O等低分子气体,并析出萘、苯并噻吩、荧蒽等高分子芳烃类物质;降低升温速率,选用适中的堆积厚度、提高氧化温度以及增大氧气浓度都会导致CO2、CO的单位生成质量增加,形成更多的稳定型含氧官能团,有助于加深氧化反应程度和改善氧化不熔化效果。基于试验结果建立了煤沥青球的氧化反应动力学模型,以回转窑为研究对象,基于双欧拉方法建立了煤沥青球氧化过程的三维流动模型并耦合传热传质及化学反应,开展了数值试验并考察空气流量和转速对回转窑内部气固流动、传热和反应特性的影响,为操作参数的优化控制提供指导。结果表明:窑内颗粒处于滚动状态,堆积区域可明显分为速度较大、反应活跃的活动层和速度较小、基本不发生混合的被动层;活动层内气固充分接触,温度与浓度变化剧烈,为氧化反应的主要区域;煤沥青球的转化率随着空气流量增加仅微弱增大,而随着转速提高发生显著上升。最后结合试验与数值模拟结果确定了空气流量为3m3/h、转速为0.035rad/s以及分温度段控制的最佳试验操作方案,并在回转窑上开展了中试试验,实现了回转窑内煤沥青球氧化不熔化处理的顺利运行,制备得到了品貌良好的煤沥青氧化球。