高灰熔点煤气化反应动力学研究

【摘要】：高温、加压、大规模气流床气化技术是未来洁净煤技术发展的核心，我国大量的高灰熔点煤在目前国际上采用的气流床气化工艺中存在一定的适用难题，需要迫切开发新型的分级供氧干排渣气化技术，煤焦气化反应动力学的研究可以为气化炉的开发与优化提供基础的实验数据与理论支撑。目前国内在与工业气化炉近似的高温和加压的实验工况下的煤焦气化研究相对较少，本文在高温和加压热天平上对典型高灰熔点煤进行了气化实验研究，重点考察了温度、压力、蒸汽浓度以及煤种的灰熔融特性等因素对气化反应速率的影响，以得到较为准确的气化反应动力学参数。 在常压、气化温度为1100～1400℃范围内，采用等温热重法对不同煤焦的高温CO_2、H_2O气化反应特性进行了研究，研究表明气化温度的升高促进气化反应的进行；传统的低温区表观活化能在气化过程中不变的结论不再适用，高温区活化能随气化反应进行出现先减少后增大的趋势，碳转化率为90%时的表观活化能仅为反应初期的一半；SEM电镜扫描结果也显示在低于灰锥法测定的煤焦的变形温度前，气化过程中煤焦表面发生部分熔融，阻碍了气化反应的传质过程，扩散阻力开始影响并控制气化反应；反应气氛会影响气化速率，煤焦-水蒸汽的反应活性大于CO_2的反应活性，高温下高灰熔点煤的煤焦水蒸汽与煤-CO_2的反应活性相比差异不大；为深入分析高温下扩散影响，在随机孔模型基础上用Thiele模数考虑中温时内孔扩散的影响，同时考虑高温下颗粒边界层中气膜扩散的影响，实现了从低温到高温的三个控制区的统一贯通，建立了“考虑灰孔扩散的动力-扩散模型”。与实验结果对比发现，模型具有较好的拟合性。 在气化温度为850～950℃、压力在0.1～2MPa内采用等温热重法考察了高灰熔点煤与水蒸汽的加压气化反应速率，研究结果表明加压下气化反应速率随温度升高而加快，气化温度在900℃以上时气化反应受到扩散影响；给定的系统压力下，提高蒸汽浓度有助于气化反应的进行，不同于低浓度下的水蒸汽反应速率随蒸汽浓度等比例线性增加的变化规律，蒸汽浓度从15～50%的变化范围内反应速率变化趋势较为缓慢；一定的蒸汽浓度下，系统压力的升高使得反应气体的相对浓度增大，水蒸汽与煤焦表面发生碰撞反应的几率增加而促进气化反应，同时压力升高对煤焦水蒸汽这一体积减小反应的抑制作用，二者共同作用使得系统压力变化下的反应速率没有明显的变化规律；分别考察了整个实验区间和低温区的活化能变化情况，确定加压下煤焦水蒸汽反应在900℃以下处于动力控制区，在随机孔模型的基础上定量考察压力、温度的影响得到的煤焦水蒸汽气化反应速率的表达式为 【关键词】：煤气化 高灰熔点煤 反应动力学
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ541
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 引言13-17
• 1.2 煤气化反应研究综述17-27
• 1.2.1 煤气化化学反应17-18
• 1.2.2 煤气化反应机理18-20
• 1.2.3 煤气化反应的研究方法20-22
• 1.2.4 煤气化反应的影响因素22-25
• 1.2.5 煤气化反应动力学及模型25-27
• 1.3 煤气化反应研究中存在的问题27-28
• 1.3.1 煤气化模型中存在问题27
• 1.3.2 高温气化反应的问题27-28
• 1.3.3 煤焦水蒸汽加压气化的问题28
• 1.4 课题研究背景与目的28
• 1.5 论文的主要研究内容28-30
• 1.6 本章小结30-31
• 第二章 气化实验系统与实验条件31-40
• 2.1 引言31
• 2.2 实验研究方法的确定31
• 2.3 高温热天平实验系统31-34
• 2.3.1 高温热重实验装置与实验流程31-33
• 2.3.2 煤样选取33-34
• 2.4 加压热天平实验系统34-39
• 2.4.1 加压热重实验装置与实验流程34-35
• 2.4.2 煤焦制备35-36
• 2.4.3 加压热重实验条件的确定36-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 高温煤焦气化反应动力学研究40-57
• 3.1 引言40
• 3.2 实验数据处理40-41
• 3.3 高温煤焦气化实验结果及分析41-49
• 3.3.1 气化温度对碳转化率的影响41-42
• 3.3.2 气化温度对气化反应速率的影响42-43
• 3.3.3 气化温度对表观活化能的影响43-44
• 3.3.4 气氛对气化反应特性的影响44-46
• 3.3.5 灰熔融特性对气化反应的影响46-49
• 3.4 高温煤焦气化反应动力学研究49-55
• 3.4.1 高温煤焦反应动力学模型的建立50-54
• 3.4.2 高温煤焦反应动力学模型预报54-55
• 3.5 本章小结55-57
• 第四章 煤焦-H_2O加压气化实验研究57-69
• 4.1 引言57
• 4.2 加压煤焦气化实验结果及分析57-63
• 4.2.1 气化温度对水蒸汽加压气化的影响57-59
• 4.2.2 气化压力对水蒸汽加压气化的影响59-62
• 4.2.3 煤种对水蒸汽加压气化的影响62-63
• 4.3 加压煤焦水蒸汽气化反应动力学研究63-67
• 4.3.1 压力影响的定量描述64-66
• 4.3.2 温度影响的定量描述66-67
• 4.4 本章小结67-69
• 第五章 全文总结及工作展望69-71
• 5.1 全文总结69-70
• 5.2 未来工作展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文76

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