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烟煤和石油焦为原料的气流床气化及间歇排渣系统的数值模拟

作　者: 孙钟华
导　师: 于广锁
学　校: 华东理工大学
专　业: 化学工艺
关键词: 气流床气化多喷嘴对置式气化炉烟煤石油焦间歇排渣系统数值模拟
分类号: TQ546
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

为了研究气流床气化的含碳固体原料适应性,以及为气化装置的优化设计和稳定运行提供指导,本文以工业多喷嘴对置式水煤浆气化炉为研究对象,基于数值模拟的方法,考察了烟煤、石油焦等含碳固体原料的气流床气化性能及影响因素。此外研究了间歇排渣系统内部渣水两相流动和传热行为。主要结论如下：1.建立了气流床气化的三维数值模型,采用内扩散效率因子方法将运行煤种的焦炭气化本征反应动力学数据外延到高温高压的工业气化炉工况,模拟结果与工业测量数据吻合良好。考察了炉内SH数和Nu数的分布状况,结果表明高温撞击区气固滑移速度高,强化了相间的传热与传质；撞击区内气速降低,颗粒停留时间增加,有利于提高碳转化率。氧煤比每升高0.01 Nm3/kg(干煤),气化温度约升高25-30℃,碳转化率略微升高,氧耗和煤耗增加。煤浆浓度从59wt%增加至62wt%,气化炉出口温度和碳转化率略微降低,氧耗、煤耗降低。比较了不同炉型结构对气化性能的影响,结果表明：多喷嘴对置式气化炉内颗粒平均停留时间约为4-5s,高于单喷嘴顶置气化炉；且后者大颗粒存在短路现象,降低了气化性能。2.对于神府煤,随着粒径的增加,煤焦气化反应的Thiele模数增加,内扩散效率因子降低。在高温射流区和撞击区,对于煤焦-水蒸气气化反应,粒径大于200μm时Thiele模数大于6.9,内扩散影响显著。对于煤焦-CO2气化反应,50-500μm煤焦颗粒的Thiele模数均小于5,表观气化反应为本征反应与扩散共同影响。考察了气化反应动力学参数对气化性能的影响,结果表明：(1)活化能、煤焦初始比表面积等参数影响较大；煤焦颗粒破碎提高了烟煤的气化性能。(2)对于不同烟煤,数值模拟结果推荐煤焦-CO2/水蒸气气化反应本征动力学参数应用到气流床气化工况,其一活化能至少要高于200kJ/mol。(3)考察了五种烟煤的多喷嘴对置式气化炉性能,碳转化率在98.1%-99.9%之间。3.考察了多喷嘴对置式气化炉石油焦的气化性能。在氧碳比0.921,石油焦浆浓度62%的操作条件下,预测气化炉出口温度为1324℃,碳转化率为96.7%,低于烟煤的气化性能。增加氧碳比以提高石油焦气化的碳转化率,但比氧耗和拱顶气化温度显著增加。运用催化效应提高本征气化反应速率5倍,碳转化率可达到99.2%,显著地降低了原料消耗,拱顶气相温度降低至1345℃,有利于气化炉的长周期稳定运行。4.建立了气流床粉煤气化炉的平衡模型,在验证模型准确性的基础上,比较了典型煤种的气流床粉煤气化工艺指标,考察了灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化性能的影响。结果表明：(1)对于神府煤和北宿煤,热值高、灰分和灰熔点低,可适当提高蒸汽煤比增加有效气产率；对于张集煤和开阳煤,灰分和灰熔点高,比煤耗和比氧耗较高,可添加适量助熔剂降低气化操作温度以降低煤耗和氧耗；(2)入炉氧煤比和蒸汽煤比一定时,煤中的灰含量波动±1%,气化温度将产生约±15℃的波动。5.以两种型式的工业间歇排渣系统为对象,建立了三维非稳态数值模型,研究了排渣系统中渣水两相的流动与传热行为,模拟结果与工业运行参数吻合较好。对于单锁斗系统,入口渣量增加lt/h,锁斗温度升高1.4℃；循环水量增加4m3/h,锁斗温度升高2.5-3℃波动。对于某引进气化技术的排渣系统,入口冷却水量低于30 t/h的工况下,集渣周期结束时二号锁斗水温高于100℃,不利于排渣的安全运行；入口冷却水量为46t/h的工况下,集渣周期结束时出二号锁斗循环水的温度为74℃,底部冷却水对沉积渣层有冲击作用,使黑水出口渣量增加(占渣总量31.8%),增加了后续渣水处理系统负担。因此该引进气化技术的排渣系统设计上存在一定的局限性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-17
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 研究内容  15-16
  1.3 创新点  16-17
第2章文献综述  17-34
  2.1 典型的气流床煤气化技术  17-18
  2.2 多喷嘴对置式水煤浆气化工艺  18
  2.3 高温高压下煤气化反应动力学  18-30
    2.3.1 煤热解  18-22
    2.3.2 煤焦燃烧与气化  22-28
    2.3.3 均相反应与湍流混合  28-30
  2.4 气流床气化炉的模拟研究进展  30-33
    2.4.1 平衡模型  30
    2.4.2 一维模型  30
    2.4.3 数值模型  30-32
    2.4.4 反应器网络模型  32-33
  2.5 小结  33-34
第3章工业多喷嘴对置式水煤浆气化炉数值模拟研究  34-65
  3.1 引言  34
  3.2 煤气化过程子模型  34-45
    3.2.1 煤浆雾化  35-38
    3.2.2 水分蒸发  38
    3.2.3 煤粉热解  38-39
    3.2.4 均相化学反应  39-40
    3.2.5 非均相化学反应  40-45
  3.3 控制方程及计算方法  45-51
    3.3.1 气相控制方程  45-47
    3.3.2 颗粒相控制方程  47
    3.3.3 热量传递模型  47-48
    3.3.4 熔渣壁面沉积子模型  48-50
    3.3.5 数值计算方法  50-51
  3.4 工业多喷嘴对置式水煤浆气化炉的模拟研究  51-56
    3.4.1 模型验证  52-53
    3.4.2 炉内流动与反应特征  53-55
    3.4.3 多喷嘴对置式水煤浆气化炉的性能  55-56
  3.5 氧煤比、煤浆浓度对气化性能的影响  56-59
  3.6 炉型结构对气化性能的影响  59-63
  3.7 本章小结  63-65
第4章气化反应动力学对烟煤气流床气化性能的影响  65-85
  4.1 引言  65
  4.2 气流床气化炉内煤焦气化反应特性  65-68
  4.3 本征反应动力学对气化性能的影响  68-79
    4.3.1 活化能对气化性能的影响  69-72
    4.3.2 初始煤焦比表面积对气化性能的影响  72-73
    4.3.3 随机孔模型与未反应缩芯模型  73-75
    4.3.4 L-H模型对气化性能的影响  75-79
  4.4 扩散对气化性能的影响  79-82
    4.4.1 内扩散效率因子对气化性能的影响  79-80
    4.4.2 原煤粒径分布对气化性能的影响  80-82
  4.5 不同烟煤的气化性能  82-84
  4.6 本章小结  84-85
第5章多喷嘴对置式气化炉石油焦气化性能研究  85-99
  5.1 引言  85
  5.2 模拟工况  85-86
  5.3 石油焦气化  86-88
    5.3.1 石油焦快速热解  86-87
    5.3.2 非均相反应动力学  87-88
  5.4 控制方程与计算方法  88-89
  5.5 结果验证与分析  89-92
  5.6 石油焦的焦炭气化反应特性  92-93
  5.7 氧碳比对石油焦气化性能的影响  93-95
  5.8 催化效应对石油焦气化性能的影响  95-97
  5.9 本章小结  97-99
第6章灰含量及助熔剂对气流床粉煤气化炉性能的影响  99-107
  6.1 平衡模型  99
  6.2 模型参数  99-100
  6.3 模拟结果验证  100-101
  6.4 典型煤种的气化工艺指标  101-103
  6.5 煤中灰含量及助熔剂对粉煤气化性能的影响  103-105
  6.6 本章小结  105-107
第7章工业间歇排渣系统的数值模拟研究  107-124
  7.1 研究对象及模型简化  107-108
  7.2 数学模型及求解算法  108-110
    7.2.1 Mixture两相流模型  108-109
    7.2.2 颗粒的离散相模型  109-110
    7.2.3 求解算法  110
  7.3 工业间歇排渣系统的数值模拟  110-123
    7.3.1 单锁斗系统  110-115
    7.3.2 某引进气化技术的排渣系统  115-123
  7.4 本章小结  123-124
第8章全文总结与展望  124-127
  8.1 结论  124-126
  8.2 展望  126-127
参考文献  127-141
致谢  141-142
博士在读期间发表论文  142

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