煤气化及高温显热回收设备的数值模拟及系统优化

【摘要】：我国经济的不断发展导致对煤炭、石油、天然气等一次性化石能源的消费量逐年增加，其中煤炭在我国能源结构中占比最大，而大量的煤炭直接用于燃烧排放出有害气体SO2，NOx对环境造成巨大污染，生成的CO2对温室效应的影响也日益严重。在这种大背景下，煤气化作为煤炭清洁利用的核心技术开始重新受到关注，成为IGCC电站，合成氨和甲醇等新型煤基化工的源头技术。煤气化能有效地减少SO2，NOx和PM2.5的排放量，提高煤炭的附加值，在当前煤炭价格持续低迷的形势下更加显示出良好的经济效益。但是目前煤气化技术在工业运行时并不稳定，气化炉和辐射废热锅炉故障多发，所以有必要对气化炉和辐射废热锅炉系统进行深入研究。 本文针对德士古（Texaco）气化炉，辐射废热锅炉及二者所组成的煤气化系统，采用数值模拟方法进行研究，首先分析气化炉在气化时流场、温度场及合成气的分布情况，同时着重分析比较组分输运法和（概率密度函数法）PDF法在模拟Texaco水煤浆气化时有效气分布的异同；其次研究辐射废锅炉稳态运行时温度场、流场的分布以及灰渣颗粒对辐射换热的影响，分析水封蒸发对温度场的影响；最后采用流程模拟软件Aspen Plus分析Texaco气化炉物流参数如氧煤比，水煤浆浓度对合成气的影响，计算辐射废热锅炉和对流废热锅炉在不同条件下的热负荷，优化其高压省煤器的给水量。 研究表明，Texaco气化炉在气化时内部存在射流管流和回流等三种不同的流动状态，而燃烧和气化则主要发生在射流区和回流区；采用组分输运法模拟发现气化炉稳态工作时射流区内火焰的温度高达3600K，其他区域温度保持恒定，约为1700K，出口有效气CO和H2的摩尔组分含量值为32.66%和22.65%，碳砖转化率为93.07%，冷煤气效率为75.21%，对系统研究同时表明最佳氧煤比为0.75左右，水煤浆浓度不宜过大，一般在62%左右；对辐射废热锅炉的研究结果表明其内筒中存在射流区和回流区，回流区的高度约为2.7m，外筒和膨胀层中也存在大量的回流区；灰渣与辐射废锅水冷壁之间的辐射换热量为2.43MW，占总辐射换热量的8.76%；研究水封的蒸发发现其蒸发量在600秒时为0.18kg/s，稳态时辐射废热锅炉和对流废热炉总热负荷均值为25.36MW，高压省煤器的最佳给水量为10.07kg/s。 【关键词】：气化炉 废热锅炉 煤气化 数值模拟 系统优化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK229
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 煤气化的研究11-18
• 1.2.1 气化炉的研究11-12
• 1.2.2 气流床气化炉数值模拟研究12-16
• 1.2.3 辐射废热锅炉研究16-17
• 1.2.4 气流床气化系统研究17-18
• 1.3 本文主要研究内容18-19
• 第2章 Texaco 气化模拟数学模型19-29
• 2.1 水煤浆气化物理过程19-20
• 2.2 挥发分热解析出模型20-21
• 2.2.1 双竞争模型20
• 2.2.2 单速率模型20-21
• 2.2.3 固定速率模型21
• 2.2.4 化学渗透脱挥发分模型21
• 2.3 煤气化中非均相化学反应动力学模型21-23
• 2.3.1 未反应收缩核模型22
• 2.3.2 随机孔模型22-23
• 2.3.3 混合反应模型23
• 2.4 煤气化中均相化学反应动力学模型23-24
• 2.4.1 涡耗散模型23-24
• 2.4.2 有限速率化学动力学模型24
• 2.4.3 有限速率/涡耗散模型24
• 2.5 P1 辐射模型24-25
• 2.6 湍流模型25-26
• 2.7 离散相模型26
• 2.8 Texaco 水煤浆气化数值求解方法26-28
• 2.9 小结28-29
• 第3章 Texaco 气化炉数值模拟29-43
• 3.1 Texaco 气化炉模型网格及边界条件29-34
• 3.1.1 模型建立及简化29
• 3.1.2 网格划分及无关性验证29-32
• 3.1.3 气化炉内化学反应参数32
• 3.1.4 边界条件32-34
• 3.2 数值模拟结果及讨论34-39
• 3.2.0 Texaco 气化效果分析34-35
• 3.2.1 气化炉炉内温度场分析35-36
• 3.2.2 气化炉炉内的流场与合成气组分分析36-39
• 3.3 Texaco 水煤浆气化 PDF 法模拟39-42
• 3.3.1 PDF 法模拟入口边界条件设置39-40
• 3.3.2 PDF 法模拟结果分析及比较40-42
• 3.4 组分输运法和 PDF 法模拟水煤浆气化评价42
• 3.5 小结42-43
• 第4章 辐射废热锅炉的数值模拟43-54
• 4.1 辐射废热锅炉数值模拟的数学模型43-45
• 4.1.1 连续相湍流流动模型43-44
• 4.1.2 离散相流动模型44
• 4.1.3 DO 辐射模型44-45
• 4.2 物理模型边界条件及网格划分45-47
• 4.2.1 物理模型45
• 4.2.2 边界条件45-46
• 4.2.3 网格划分及无关性检查46-47
• 4.3 辐射废热锅炉数值计算结果分析47-51
• 4.3.1 辐射废热锅炉内的换热情况和温度场分析47-48
• 4.3.2 辐射废热锅炉内的流场分析48-49
• 4.3.3 煤渣颗粒在辐射废热锅炉中换热分析49-51
• 4.4 水封对合成气组分温度及换热的影响51-53
• 4.5 小结53-54
• 第5章 Texaco 气化炉和废热锅炉系统模拟54-63
• 5.1 Aspen Plus 模拟 Texaco 水煤浆气化54-60
• 5.1.1 Aspen Plus 模拟参数设置54-55
• 5.1.2 模拟流程55-56
• 5.1.3 结果及验证56-57
• 5.1.4 参数敏感性分析57-60
• 5.2 系统模拟及显热回收60-62
• 5.2.1 辐射废热锅炉及对流废热锅炉显热回收60-61
• 5.2.2 显热回收最优用水量计算61-62
• 5.3 小结62-63
• 结论63-65
• 附录65-69
• 一、挥发分 CH_(3.602)O_(0.676)的推导及相关性质65-66
• 1、挥发分化学式的推导65-66
• 2、CH_(3.60 2)O_(0.676)标准摩尔生成焓值计算66
• 二、水煤浆颗粒在气化炉内蒸发时间论证66-69
• 参考文献69-75
• 致谢75

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