射流床煤气化反应网络模型的构建与应用

【摘要】： 煤气化是最有潜力的煤炭洁净高效转化技术,是煤基多联产系统的关键技术和重要环节。射流床煤气化作为煤气化技术的重要组成部分,具有广阔应用前景,目前该项工艺正面临着工业放大及长期稳定运行等问题的考验。完善考虑传质及反应器尺寸等影响因素的射流床煤气化反应理论,得到炉内有效气体组成随反应条件及由于反应器尺寸放大造成的变化规律,对于射流床煤气化炉的操作条件优化、产品气的调控及工业放大设计具有重要理论价值。前期大量试验研究工作表明,沿用传统实验手段开展煤气化理论研究工作已经表现出明显的缺陷。相比于通过实验手段摸索,构建煤气化反应器数学模型可以更方便快捷的获得射流流化床煤气化反应理论。 本文研究内容从实验数据出发,首先根据射流流化床内流体力学特性,通过对反应器内各区域反应过程的认识和区域的划分,采用化工动力学软件CHEMKIN构建了射流床煤气化炉的等效反应器网络模型;然后应用模型深入解析不同操作条件下射流床煤气化炉内各区域温度、范围的变化情况,探讨炉内各区域温度、范围变化对产气组成的影响规律,揭示射流床煤气化炉内的气化反应过程;论文最后对射流床尺寸效应影响煤气组成的原因进行初步讨论,为实现射流床煤气化技术特别是灰熔聚粉煤流化床气化工艺的设计、操作参数优化及进一步放大提供理论指导。 通过射流床煤气化反应器等效模型的建立和计算分析,本文得到主要结果和结论如下: 1.构建了射流床煤气化炉的等效反应器网络模型,引入射流直径和射流深度作为划分气化炉内反应区域的依据,获得了较为准确的区域范围。将反应器进行分区计算,克服了将煤气化反应器视为一个整体,在“黑箱”状态进行气化过程研究的弊端,可体现煤气化在炉内各区域的反应过程。 2.计算过程考虑炉壁散热损失和灰渣带出热损,输入参数中包括煤粒性质、不同部位不同气化剂进料量以及气化炉结构和尺寸效应,考虑影响因素更全面,使所建模型与实际射流床气化炉等效性更好。模型计算数据与实验值对比,证明模型准确可靠。 3.射流床煤气化炉内高温射流区对煤气组成和气化炉的稳定运行至关重要。中心管进氧量增加,射流区体积由708 cm3增大到1999 cm3,炉内燃烧反应加剧,温度由1453K上升到1759K,已超出晋城无烟煤灰熔点,炉内物料易结渣,不利于气化炉的稳定运行;物料碳转化率由初始的68.16%上升到97.38%;同时炉内浓相区出口组成中CO和H2O含量发生明显变化:CO含量随之升高,摩尔分数分别为9.34%、17.62%、20.64%;H2O含量随之降低,摩尔分数分别为50.40%、40.70%、38.49%,是出口煤气组成变化的主要原因。处理煤量增加,射流高温区温度由1718K降低到1566K;物料碳转化率由98.0%降低为74.4%,碳转化率急剧降低,不利于炉内物料的转化;射流区温度降低,造成浓相区出口组成中H2、H2O含量变化明显:H2含量随之升高,摩尔分数分别为16.72%、19.18%。20.88%;H2O含量降低,摩尔分数分别为44.11%、40.70%、39.07%,是出口煤气组成变化的主要原因。 4.射流床在流体力学相似性无因次数组基础上进行放大时,不同高径比放大对出口煤气组成影响不同。在物料传质方面,反应器放大后,单位体积传质面积都变小,炉内物料传递能力变差;在停留时间方面,由于床高的增加和反应器内传质速率的降低,物料停留时间都变长;在对产气组成的影响方面,保持基本的几何相似原则对维持气化炉产气组成恒定相当重要,而变高径比放大的反应器流体力学相似性变化对出口产气组成影响显著。 【关键词】：煤气化 射流床 反应器网络模型 操作条件 体积效应
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ546
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 符号说明13-15
• 第一章 绪论15-37
• 1.1 我国能源和环境现状15-16
• 1.2 煤气化是洁净煤技术的重要方向16-24
• 1.2.1 煤气化是煤基联产系统的基础16-18
• 1.2.2 煤气化工艺发展及分类18-20
• 1.2.3 几种典型的流化床煤气化炉20-24
• 1.3 射流床煤气化炉的发展及研究现状24-29
• 1.3.1 射流流化床技术的发展24-26
• 1.3.2 射流床射流区特性的研究现状26-29
• 1.4 射流床煤气化炉模型现状29-34
• 1.4.1 气化炉数学模型类型29-32
• 1.4.2 射流床煤气化炉模型研究现状32-34
• 1.4.3 射流床煤气化技术研究中存在的问题34
• 1.5 选题背景、意义及研究内容34-37
• 1.5.1 本课题的研究背景及意义34-35
• 1.5.2 课题研究思路及内容35-37
• 第二章 射流床煤气化反应体系化学反应网络的建立及验证37-57
• 2.1 射流床煤气化炉实验研究37-41
• 2.2 射流床煤气化特性影响因素分析41-42
• 2.3 射流流化床网络模型建立42-48
• 2.3.1 射流床煤气化过程条件简化42-43
• 2.3.2 射流床内流体力学特性假设43
• 2.3.3 射流床煤气化炉网络模型的建立43-44
• 2.3.4 射流床网络模型计算原理44-47
• 2.3.5 模型中考虑的气化反应及其速率47-48
• 2.4 射流床反应网络模型计算过程48-55
• 2.4.1 模型输入参数的确定48-51
• 2.4.2 计算工部及网络模型的验证51-55
• 2.5 本章小结55-57
• 第三章 操作条件对射流床气化特性影响分析57-69
• 3.1 操作参数的确定57-58
• 3.2 中心管进氧量对射流床气化特性的影响分析58-63
• 3.2.1 中心管进氧量对射流区的影响58-59
• 3.2.2 中心管进氧量对炉内温度分布的影响59-60
• 3.2.3 中心管进氧量对物料碳转化率的影响60
• 3.2.4 中心管进氧量对炉内气体组成的影响60-63
• 3.3 处理煤量对射流床气化特性的影响分析63-68
• 3.3.1 处理煤量对射流区及炉内整体温度的影响63-65
• 3.3.2 处理煤量对物料碳转化率的影响65
• 3.3.3 处理煤量对炉内气体组成的影响65-68
• 3.4 本章小结68-69
• 第四章 射流床体积效应对煤气化特性的影响分析69-81
• 4.1 射流床放大模型的建立70
• 4.1.1 射流床放大条件简化70
• 4.1.2 射流床气化模型选择70
• 4.2 射流床放大模拟内容70-73
• 4.2.1 射流床流体力学相似性放大准则分析70-71
• 4.2.2 射流床模拟放大方案的确定71-73
• 4.2.3 射流床放大模型输入参数的确定73
• 4.3 结果与讨论73-78
• 4.3.1 不同放大方案对物料传质的影响74-75
• 4.3.2 不同放大方案对物料停留时间的影响75-76
• 4.3.3 不同放大方案对产气组成的影响76-78
• 4.4 本章小结78-81
• 第五章 全文总结与建议81-86
• 5.1 论文工作总结81-84
• 5.1.1 煤气化反应网络模型的建立与验证81-82
• 5.1.2 射流床内煤气化过程研究82-83
• 5.1.3 体积效应对煤气化过程的影响分析83-84
• 5.2 论文创新点84
• 5.3 今后工作的建议84-86
• 5.3.1 目前研究工作的不足84-85
• 5.3.2 进一步研究工作展望85-86
• 参考文献86-97
• 附录97-99
• 致谢99-101
• 硕士研究生期间论文发表情况101

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