流化床—气流床耦合反应器中煤气化过程的模拟研究

【摘要】：煤气化技术由于其经济高效、环境友好等优势,被广泛应用于发电、化学品合成、燃料气生产等方面。气化炉是煤气化技术的核心设备。目前主要有固定床、流化床和气流床三大种类气化炉。固定床气化炉因操作温度较低,粗煤气中含有大量酚类物质和要求原料为优质块煤使其应用受到限制；气流床煤气化炉为高温、高压、细煤粉气化,有利于提高碳转化率及煤气中有效组分的比例,因此得到迅速推广。但对于高灰、高灰熔点煤气化常需要加入助熔剂以降低灰熔点,因此商业应用中只能使用低灰、低灰熔点煤,原料的就地转化较为困难,因此成本较高；流化床气化温度适中(1373.15 K),干法进料、干法排渣,煤种适应性宽,更适合中国较多劣质煤的气化。灰熔聚流化床在处理高灰煤气化过程中由于反应器温度限制,飞灰中碳含量高达70%,造成了灰熔聚流化床总碳利用率不高,且总灰量较大。为解决这一问题,中国科学院山西煤炭化学研究所将气流床反应器耦合在流化床的一侧,将飞灰作为原料,利用气流床反应器的高温(1473.15 K～1673.15 K)处理飞灰中残留的大量的碳,以提高原料元素的利用效率并合理利用能量。从原理上讲,流化床浓相区中半焦及产生的粗煤气可以冷却气流床产生的高温灰渣和高温煤气,实现以焦冷渣,避免了高温带来的灰熔融现象,而且可以充分利用显热,将煤气和热灰显热用于煤气化反应。但由于耦合反应器的流体力学特性复杂,对于耦合反应器中耦合部位的作用的细节认识还不够明确；目前流化床-气流床耦合反应器还处于初步试验阶段,耦合反应器内部的物料运动形态,流化床和气流床之间的互相影响,炉内温度及物料分布情况尚不明确,这些问题都给反应器的工程放大及运行参数优化带来了很大的困难。 本文以中国科学院山西煤炭化学研究所Φ300 mm耦合反应器实验结果为基础,首先根据耦合反应器中流体力学特征,从气化反应动力学角度出发,以物料平衡、能量平衡和化学平衡为基础,利用化学动力学软件CHEMKIN4.0构建耦合反应器等效反应网络模型；然后应用所建立的模型讨论了耦合气流床前后反应器中主要参数的变化情况,分别考察了耦合气流床前后气化炉中温度沿轴向分布、物料停留时间、碳转化率及产气组成的分布差异；紧接着分别研究了灰渣热量传递对浓相区域的影响及飞灰动力学对产气组成的影响,为以焦冷渣干法排渣过程提供理论支持,对飞灰在气化炉中的转化过程进行了剖析；论文最后研究了飞灰对整个气化炉系统性能的影响。 通过耦合反应器等效反应网络模型的建立和计算分析,得到如下主要结论： 1.构建了耦合反应器等效反应网络模型。模型中根据耦合反应器中不同位置流体力学特征对气化炉进行了区域划分,克服了视反应器为一个整体进行研究的弊端,能够很好地反映不同时间气化炉内不同区域的形态。 2.耦合气流床后气化炉的性能发生了很大变化。气流床出口高温气体进入耦合区,造成了耦合区和流化床稀相区温度的升高,同时造成了物料停留时间的缩短；气流床段的高温能够实现飞灰中残炭的进一步气化,耦合后碳转化率由单独流化床的84.9%升高到92.2%,由此证明耦合反应器有助于碳转化率的提高；耦合后气化炉出口气体组成中CO含量升高,CO2含量降低,其它气体无明显变化。 3.灰渣携带热量对耦合反应器浓相区的温度变化影响不太敏感,因此能够实现以焦冷渣的同时避免了耦合反应器浓相区温度超过煤灰熔点而结渣的风险；气流床段灰渣携带热量对耦合反应器浓相区碳转化率的影响可以忽略不计,与第三章得到的结论相一致；由于耦合反应器浓相区温度无明显变化,因此灰渣携带的热量对耦合反应器浓相区组分影响也不明显；气流床出口飞灰碳转化率达到64.1%,实现了低反应性飞灰的再气化；飞灰中残炭的反应速率常数沿气流床轴向逐渐降低。 4.飞灰的加入尽管造成了耦合反应器的气化温度降低、碳转化率降低、有效产气组分降低,但有效利用了灰熔聚流化床飞灰中难以气化的残炭,使得总体碳转化率得到提高,耦合反应器从设计理念上是合理的。 【关键词】：煤气化 流化床-气流床耦合反应器 反应器等效网络模型 气化特性
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ541
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 符号说明13-15
• 第一章 绪论15-35
• 1.1 引言15
• 1.2 气化炉模拟现状15-19
• 1.2.1 气化炉数学模型15-19
• 1.2.2 CFD在煤气化炉模拟方面的研究19
• 1.3 新型煤气化反应器-耦合反应器19-31
• 1.3.1 煤气化技术分类19-28
• 1.3.2 我国能源结构及煤炭利用现状28-29
• 1.3.3 新型煤气化反应器29-30
• 1.3.4 耦合反应器的研究现状30-31
• 1.5 本课题研究的背景、意义及内容31-35
• 1.5.1 背景31-32
• 1.5.2 课题研究思路及内容32-35
• 第二章 耦合反应器与等效反应网络模型的等价过程分析35-51
• 2.1 流化床-气流床耦合反应器气化过程35-38
• 2.1.1 备煤36
• 2.1.2 气化36-37
• 2.1.3 气化炉的排渣37
• 2.1.4 粗煤气的净化及废热回收37
• 2.1.5 气化炉停车37-38
• 2.2 CHEMKIN软件简介38-41
• 2.2.1 CHEMKIN结构39
• 2.2.2 相关反应模块介绍39-40
• 2.2.3 CHEMKIN在煤气化及气化炉模拟中的应用40-41
• 2.3 耦合反应器与等效反应网络模型的等价过程分析41-46
• 2.3.1 耦合反应器气化过程基本假设41-42
• 2.3.2 耦合反应器网络模型的建立42-43
• 2.3.3 计算原理43-45
• 2.3.4 煤气化反应及动力学参数45-46
• 2.4 耦合反应器网络的计算过程46-49
• 2.4.1 耦合反应器各区域体积的确定46-47
• 2.4.2 耦合反应器各部位温度及热损47-49
• 2.4.3 气化原料特性49
• 2.4.4 运行条件49
• 2.5 小结49-51
• 第三章 耦合反应器中耦合区域对气化炉的影响51-59
• 3.1 气化炉结构尺寸及操作工况51-52
• 3.1.1 气化炉结构尺寸51-52
• 3.1.2 耦合反应器操作工况及颗粒物料物性条件52
• 3.2 炉内温度分布的影响52-54
• 3.3 气化炉内物料停留时间的影响54-55
• 3.4 产气组成的变化55-56
• 3.5 气化炉中碳转化率的影响56-57
• 3.6 小结57-59
• 第四章 灰渣热量传递对浓相区域的影响及飞灰气化动力学对产气组成的影响59-67
• 4.1 灰渣热量传递对浓相区域的影响59-61
• 4.1.1 灰渣热量传递对气化炉浓相区温度的影响59-60
• 4.1.2 灰渣热量传递对气化炉浓相区碳转化率的影响60
• 4.1.3 灰渣热量传递对气化炉浓相区气体组成的影响60-61
• 4.2 飞灰动力学对产气组成的影响61-66
• 4.2.1 影响飞灰残炭气化活性的因素分析61-62
• 4.2.2 反应速率常数与温度的关系62-63
• 4.2.3 气化飞灰残炭反应速率常数在气流床段的变化63-64
• 4.2.4 飞灰在气流床中的碳转化率分析64-66
• 4.3 小结66-67
• 第五章 气化过程中飞灰的添加对气化炉系统性能的影响67-73
• 5.1 飞灰的加入对气流床温度分布的影响67-68
• 5.2 飞灰的加入对气流床碳转化率的影响68-69
• 5.3 飞灰的添加对流化床段温度的影响69
• 5.4 飞灰加入对总体碳转化率的影响69-70
• 5.5 飞灰添加对产气组成的影响70-71
• 5.8 小结71-73
• 第六章 总结及建议73-77
• 6.1 结果与结论73-74
• 6.2 创新点74-75
• 6.3 不足及建议75-77
• 6.3.1 目前研究工作的不足75
• 6.3.2 研究展望75-77
• 参考文献77-85
• 附录85-87
• 致谢87-89
• 作者简历89

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