流化床—?dú)饬鞔柴詈戏磻?yīng)器中煤氣化過(guò)程的模擬研究

【摘要】：煤氣化技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于發(fā)電、化學(xué)品合成、燃料氣生產(chǎn)等方面。氣化爐是煤氣化技術(shù)的核心設(shè)備。目前主要有固定床、流化床和氣流床三大種類氣化爐。固定床氣化爐因操作溫度較低,粗煤氣中含有大量酚類物質(zhì)和要求原料為優(yōu)質(zhì)塊煤使其應(yīng)用受到限制；氣流床煤氣化爐為高溫、高壓、細(xì)煤粉氣化,有利于提高碳轉(zhuǎn)化率及煤氣中有效組分的比例,因此得到迅速推廣。但對(duì)于高灰、高灰熔點(diǎn)煤氣化常需要加入助熔劑以降低灰熔點(diǎn),因此商業(yè)應(yīng)用中只能使用低灰、低灰熔點(diǎn)煤,原料的就地轉(zhuǎn)化較為困難,因此成本較高；流化床氣化溫度適中(1373.15 K),干法進(jìn)料、干法排渣,煤種適應(yīng)性寬,更適合中國(guó)較多劣質(zhì)煤的氣化?；胰劬哿骰苍谔幚砀呋颐簹饣^(guò)程中由于反應(yīng)器溫度限制,飛灰中碳含量高達(dá)70%,造成了灰熔聚流化床總碳利用率不高,且總灰量較大。為解決這一問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所將氣流床反應(yīng)器耦合在流化床的一側(cè),將飛灰作為原料,利用氣流床反應(yīng)器的高溫(1473.15 K～1673.15 K)處理飛灰中殘留的大量的碳,以提高原料元素的利用效率并合理利用能量。從原理上講,流化床濃相區(qū)中半焦及產(chǎn)生的粗煤氣可以冷卻氣流床產(chǎn)生的高溫灰渣和高溫煤氣,實(shí)現(xiàn)以焦冷渣,避免了高溫帶來(lái)的灰熔融現(xiàn)象,而且可以充分利用顯熱,將煤氣和熱灰顯熱用于煤氣化反應(yīng)。但由于耦合反應(yīng)器的流體力學(xué)特性復(fù)雜,對(duì)于耦合反應(yīng)器中耦合部位的作用的細(xì)節(jié)認(rèn)識(shí)還不夠明確；目前流化床-氣流床耦合反應(yīng)器還處于初步試驗(yàn)階段,耦合反應(yīng)器內(nèi)部的物料運(yùn)動(dòng)形態(tài),流化床和氣流床之間的互相影響,爐內(nèi)溫度及物料分布情況尚不明確,這些問(wèn)題都給反應(yīng)器的工程放大及運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化帶來(lái)了很大的困難。 本文以中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所Φ300 mm耦合反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ),首先根據(jù)耦合反應(yīng)器中流體力學(xué)特征,從氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā),以物料平衡、能量平衡和化學(xué)平衡為基礎(chǔ),利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN4.0構(gòu)建耦合反應(yīng)器等效反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型；然后應(yīng)用所建立的模型討論了耦合氣流床前后反應(yīng)器中主要參數(shù)的變化情況,分別考察了耦合氣流床前后氣化爐中溫度沿軸向分布、物料停留時(shí)間、碳轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)氣組成的分布差異；緊接著分別研究了灰渣熱量傳遞對(duì)濃相區(qū)域的影響及飛灰動(dòng)力學(xué)對(duì)產(chǎn)氣組成的影響,為以焦冷渣干法排渣過(guò)程提供理論支持,對(duì)飛灰在氣化爐中的轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行了剖析；論文最后研究了飛灰對(duì)整個(gè)氣化爐系統(tǒng)性能的影響。 通過(guò)耦合反應(yīng)器等效反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立和計(jì)算分析,得到如下主要結(jié)論： 1.構(gòu)建了耦合反應(yīng)器等效反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型。模型中根據(jù)耦合反應(yīng)器中不同位置流體力學(xué)特征對(duì)氣化爐進(jìn)行了區(qū)域劃分,克服了視反應(yīng)器為一個(gè)整體進(jìn)行研究的弊端,能夠很好地反映不同時(shí)間氣化爐內(nèi)不同區(qū)域的形態(tài)。 2.耦合氣流床后氣化爐的性能發(fā)生了很大變化。氣流床出口高溫氣體進(jìn)入耦合區(qū),造成了耦合區(qū)和流化床稀相區(qū)溫度的升高,同時(shí)造成了物料停留時(shí)間的縮短；氣流床段的高溫能夠?qū)崿F(xiàn)飛灰中殘?zhí)康倪M(jìn)一步氣化,耦合后碳轉(zhuǎn)化率由單獨(dú)流化床的84.9%升高到92.2%,由此證明耦合反應(yīng)器有助于碳轉(zhuǎn)化率的提高；耦合后氣化爐出口氣體組成中CO含量升高,CO2含量降低,其它氣體無(wú)明顯變化。 3.灰渣攜帶熱量對(duì)耦合反應(yīng)器濃相區(qū)的溫度變化影響不太敏感,因此能夠?qū)崿F(xiàn)以焦冷渣的同時(shí)避免了耦合反應(yīng)器濃相區(qū)溫度超過(guò)煤灰熔點(diǎn)而結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)；氣流床段灰渣攜帶熱量對(duì)耦合反應(yīng)器濃相區(qū)碳轉(zhuǎn)化率的影響可以忽略不計(jì),與第三章得到的結(jié)論相一致；由于耦合反應(yīng)器濃相區(qū)溫度無(wú)明顯變化,因此灰渣攜帶的熱量對(duì)耦合反應(yīng)器濃相區(qū)組分影響也不明顯；氣流床出口飛灰碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到64.1%,實(shí)現(xiàn)了低反應(yīng)性飛灰的再氣化；飛灰中殘?zhí)康姆磻?yīng)速率常數(shù)沿氣流床軸向逐漸降低。 4.飛灰的加入盡管造成了耦合反應(yīng)器的氣化溫度降低、碳轉(zhuǎn)化率降低、有效產(chǎn)氣組分降低,但有效利用了灰熔聚流化床飛灰中難以氣化的殘?zhí)?使得總體碳轉(zhuǎn)化率得到提高,耦合反應(yīng)器從設(shè)計(jì)理念上是合理的。 【關(guān)鍵詞】：煤氣化 流化床-氣流床耦合反應(yīng)器 反應(yīng)器等效網(wǎng)絡(luò)模型 氣化特性
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TQ541
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 符號(hào)說(shuō)明13-15
• 第一章 緒論15-35
• 1.1 引言15
• 1.2 氣化爐模擬現(xiàn)狀15-19
• 1.2.1 氣化爐數(shù)學(xué)模型15-19
• 1.2.2 CFD在煤氣化爐模擬方面的研究19
• 1.3 新型煤氣化反應(yīng)器-耦合反應(yīng)器19-31
• 1.3.1 煤氣化技術(shù)分類19-28
• 1.3.2 我國(guó)能源結(jié)構(gòu)及煤炭利用現(xiàn)狀28-29
• 1.3.3 新型煤氣化反應(yīng)器29-30
• 1.3.4 耦合反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀30-31
• 1.5 本課題研究的背景、意義及內(nèi)容31-35
• 1.5.1 背景31-32
• 1.5.2 課題研究思路及內(nèi)容32-35
• 第二章 耦合反應(yīng)器與等效反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型的等價(jià)過(guò)程分析35-51
• 2.1 流化床-氣流床耦合反應(yīng)器氣化過(guò)程35-38
• 2.1.1 備煤36
• 2.1.2 氣化36-37
• 2.1.3 氣化爐的排渣37
• 2.1.4 粗煤氣的凈化及廢熱回收37
• 2.1.5 氣化爐停車37-38
• 2.2 CHEMKIN軟件簡(jiǎn)介38-41
• 2.2.1 CHEMKIN結(jié)構(gòu)39
• 2.2.2 相關(guān)反應(yīng)模塊介紹39-40
• 2.2.3 CHEMKIN在煤氣化及氣化爐模擬中的應(yīng)用40-41
• 2.3 耦合反應(yīng)器與等效反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型的等價(jià)過(guò)程分析41-46
• 2.3.1 耦合反應(yīng)器氣化過(guò)程基本假設(shè)41-42
• 2.3.2 耦合反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型的建立42-43
• 2.3.3 計(jì)算原理43-45
• 2.3.4 煤氣化反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)45-46
• 2.4 耦合反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算過(guò)程46-49
• 2.4.1 耦合反應(yīng)器各區(qū)域體積的確定46-47
• 2.4.2 耦合反應(yīng)器各部位溫度及熱損47-49
• 2.4.3 氣化原料特性49
• 2.4.4 運(yùn)行條件49
• 2.5 小結(jié)49-51
• 第三章 耦合反應(yīng)器中耦合區(qū)域?qū)饣癄t的影響51-59
• 3.1 氣化爐結(jié)構(gòu)尺寸及操作工況51-52
• 3.1.1 氣化爐結(jié)構(gòu)尺寸51-52
• 3.1.2 耦合反應(yīng)器操作工況及顆粒物料物性條件52
• 3.2 爐內(nèi)溫度分布的影響52-54
• 3.3 氣化爐內(nèi)物料停留時(shí)間的影響54-55
• 3.4 產(chǎn)氣組成的變化55-56
• 3.5 氣化爐中碳轉(zhuǎn)化率的影響56-57
• 3.6 小結(jié)57-59
• 第四章 灰渣熱量傳遞對(duì)濃相區(qū)域的影響及飛灰氣化動(dòng)力學(xué)對(duì)產(chǎn)氣組成的影響59-67
• 4.1 灰渣熱量傳遞對(duì)濃相區(qū)域的影響59-61
• 4.1.1 灰渣熱量傳遞對(duì)氣化爐濃相區(qū)溫度的影響59-60
• 4.1.2 灰渣熱量傳遞對(duì)氣化爐濃相區(qū)碳轉(zhuǎn)化率的影響60
• 4.1.3 灰渣熱量傳遞對(duì)氣化爐濃相區(qū)氣體組成的影響60-61
• 4.2 飛灰動(dòng)力學(xué)對(duì)產(chǎn)氣組成的影響61-66
• 4.2.1 影響飛灰殘?zhí)繗饣钚缘囊蛩胤治?/span>61-62
• 4.2.2 反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系62-63
• 4.2.3 氣化飛灰殘?zhí)糠磻?yīng)速率常數(shù)在氣流床段的變化63-64
• 4.2.4 飛灰在氣流床中的碳轉(zhuǎn)化率分析64-66
• 4.3 小結(jié)66-67
• 第五章 氣化過(guò)程中飛灰的添加對(duì)氣化爐系統(tǒng)性能的影響67-73
• 5.1 飛灰的加入對(duì)氣流床溫度分布的影響67-68
• 5.2 飛灰的加入對(duì)氣流床碳轉(zhuǎn)化率的影響68-69
• 5.3 飛灰的添加對(duì)流化床段溫度的影響69
• 5.4 飛灰加入對(duì)總體碳轉(zhuǎn)化率的影響69-70
• 5.5 飛灰添加對(duì)產(chǎn)氣組成的影響70-71
• 5.8 小結(jié)71-73
• 第六章 總結(jié)及建議73-77
• 6.1 結(jié)果與結(jié)論73-74
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)74-75
• 6.3 不足及建議75-77
• 6.3.1 目前研究工作的不足75
• 6.3.2 研究展望75-77
• 參考文獻(xiàn)77-85
• 附錄85-87
• 致謝87-89
• 作者簡(jiǎn)歷89

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