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等离子煤气化动力学研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 22:13:03
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等离子煤气化动力学研究【摘要】:电弧等离子体属低温等离子体中的热等离子体,这种等离子体内部的电子与重粒子温度几乎相等,均达到10~3K~10~4K,因此,不仅温度高,而且含有大量高

【摘要】: 电弧等离子体属低温等离子体中的热等离子体,这种等离子体内部的电子与重粒子温度几乎相等,均达到10~3K~10~4K,因此,不仅温度高,而且含有大量高能活性的粒子,等离子体辅助煤气化过程是一以多种自由基参与为特征的复杂反应体系。为在由清华大学、大连理工大学和我校共同研制开发的、具有中试工业规模的反应装置上研究等离子体辅助煤气化过程的特点,本文从等离子体煤气化影响因素、产物随温度和时间的变化以及不同添加物对产物分布的影响等方面进行了实验。在实验基础上对该过程进行了动力学分析。为了揭示反应器内的温度分布、煤粒的运动特点及反应过程机理和动力学特征,本文进行了计算机模拟。 本文对等离子体辅助煤气化的影响因素进行实验研究,探索出该工艺的最佳工艺参数:供粉速率为150g/min、供气量为18Nm~3/h、等离子体发生器输出功率为100kW、水蒸汽出口压力为0.3MPa。 运用经典的动力学研究方法,首先确定了该过程的基元反应,其次引入线性代数方法——求取系数矩阵的最大线性无关 太原理工大学硕士学位论文 组,用线性无关向量来表示线性相关向量,确定了基元反应中线 性独立部分,最后对线性独立部分运用稳态近似法对这一反应体 系进行了简化。在上述分析和近似基础上,推导了该过程主要产 物的速率方程式。 通过对反应器的热量计算,对反应器内难以用常规测温元件 检测的一段反应器内的温度进行了推算;应用office 2000中的 最小二乘法函数L刀,EsT(known‘y,s,knownJ,s,eonst,stats)对实 验数据进行了线性拟合,求得了主要产物总反应的速率方程和速 率常数;同时求得了主要产物的生成活化能,玩为68.42kJ/mol, CO为48.482kJ/mol,CO:为14.38kJ/m 01,和常规煤气化报道的 相关数据相比偏小,说明了等离子体的介入降低了反应活化能促 进了煤气化反应的发生。 由于等离子体煤气化反应的速率方程组是非线性的,本论文 应用吉尔算法对这一体系进行了计算机程序模拟,得到了主要产 物及其相关自由基的相对含量随时间的变化规律;并且和实验所 得结果进行了对比,发现它们能够较好的吻合。 另外,本论文经过外加CaCO3和Cao的实验考查了无机物 (矿物质)对煤气化的影响。发现在等离子体辅助煤气化工艺中 也应当是CaO起催化作用为主,CO:还原为辅。 【关键词】: 等离子体 气化 动力学 计算机模拟
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TQ541
【目录】:
  • 摘要2-4
  • ABSTRACT4-6
  • 目录6-9
  • 符号说明9-11
  • 第一章 文献综述11-26
  • 1.1 等离子体的分类11-15
  • 1.1.1 等离子体简介11-12
  • 1.1.2 等离子体的分类12-13
  • 1.1.3 等离子体的产生13-15
  • 1.2 等离子体化学反应的特点15-16
  • 1.3 常规煤气化16-18
  • 1.4 等离子体辅助煤气化18-23
  • 1.4.1 等离子煤气化研究历史与现状21-23
  • 1.4.1.1 低温热等离子体研究概况21-22
  • 1.4.1.2 低温冷等离子体研究概况22-23
  • 1.4.2 等离子煤气化反应机理和动力学研究发展概况23
  • 1.5 等离子煤气化与常规煤气化的对比23-24
  • 1.6 选题的主要研究目的24-26
  • 第二章 等离子体辅助煤气化工艺26-34
  • 2.1 实验装置26-29
  • 2.1.1 等离子体电源控制系统26-27
  • 2.1.2 等离子体发生器27
  • 2.1.3 供料系统27-29
  • 2.1.4 取样系统29
  • 2.2 检测、表征和计算方法29-33
  • 2.2.1 供粉器的计量29-30
  • 2.2.2 色谱分析系统30-31
  • 2.2.3 色谱分析计算原理31
  • 2.2.4 各物质的相对校正因子及色谱的工作条件31-32
  • 2.2.5 气化产品气中各组分的定量计算32-33
  • 2.3 实验误差及数据校准33
  • 2.4 小结33-34
  • 第三章 实验及结果34-47
  • 3.1 发生器工作电流和工作电压的关系34-35
  • 3.2 实验用煤的工业分析和元素分析35
  • 3.3 影响产品气的因素35-43
  • 3.3.1 供气量对于产物气的影响36-37
  • 3.3.2 供粉速率对产物的影响37-38
  • 3.3.3 功率对反应速率的影响38-39
  • 3.3.4 停留时间对产物的影响39-41
  • 3.3.5 水蒸气的量对产物的影响41-42
  • 3.3.6 温度的影响42-43
  • 3.4 添加物对等离子煤气化过程的影响43-46
  • 3.4.1 CaCO_3的影响44-45
  • 3.4.2 CaO的影响45-46
  • 3.5 小结46-47
  • 第四章 数值模拟47-65
  • 4.1 反应器内的热量传递47-51
  • 4.1.1 边界条件的求取48-50
  • 4.1.2 计算结果50-51
  • 4.2 颗粒在管道内的运动速度51-53
  • 4.2.1 颗粒的分类51
  • 4.2.2 实验过程中颗粒在管道中的运动速率51-53
  • 4.3 输送管道空气流速的计算53-54
  • 4.4 动力学模型的数学基础54-57
  • 4.4.1 刚性微分方程55-56
  • 4.4.1.1 刚性方程的定义55-56
  • 4.4.1.2 刚性方程的判定方法56
  • 4.4.2 吉尔算法56-57
  • 4.5 程序及结构模块57-62
  • 4.5.1 形参说明58-59
  • 4.5.1.1 程序中的形参58
  • 4.5.1.2 包含的子程序58-59
  • 4.5.2 输入与输出59-61
  • 4.5.3 流程图61-62
  • 4.6 计算模拟结果62-64
  • 4.6.1 自由基随时间的变化62-63
  • 4.6.2 主要产物的浓度随时间的变化63-64
  • 4.7 本章小结64-65
  • 第五章 等离子体辅助煤气化的动力学分析65-87
  • 5.1 化学反应动力学基本原理65-67
  • 5.2 化学反应动力学基本近似法67-72
  • 5.2.1 稳态法分析68-69
  • 5.2.2 松弛法分析69-72
  • 5.3 化学反应动力学的线性代数分析72-75
  • 5.3.1 化学计量矩阵72-73
  • 5.3.2 化学平衡体系中的化学计量矩阵73-74
  • 5.3.3 化学计量矩阵在煤气化动力学中的应用74-75
  • 5.4 高温煤气化基元反应75-77
  • 5.5 基本动力学方程的建立77-78
  • 5.5.1 基元反应的速率方程77
  • 5.5.2 主要产物的生成速率方程77-78
  • 5.6 实验结果78-84
  • 5.6.1 各个反应组分在反应器中的相互关系79-80
  • 5.6.2 速率方程的确定80-82
  • 5.6.3 反应活化能的确定82-84
  • 5.7 实验动力学数据与模拟结果比较84-86
  • 5.8 本章小结86-87
  • 第六章 结论与建议87-92
  • 6.1 主要结论87-88
  • 6.2 建议88-92
  • 致谢92-93
  • 论文发表情况93


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