加压流化床煤气化数学模型建立及计算方法的研究

【摘要】：煤炭是我国的主要能源资源,其能源利用效率低、环境污染严重,尤其是二氧化碳等温室气体的减排已成为亟待解决的问题。大规模煤气化技术成为煤炭高效洁净利用的有效途径之一。由于我国50%以上的煤种具有灰熔点高、灰分高的特点,在气流床气化炉应用中受到限制,而流化床能够有效解决高灰熔点煤气化的问题,本文提出适用于高灰熔点煤的高温型加压流化床煤气化联合循环发电系统和二氧化碳回收型加压流化床气化应用系统,对作为关键技术的加压流化床气化炉进行数值模拟研究,探索大型加压流化床煤气化的最佳操作条件和设计参数,为大容量气化炉放大尺寸提供有效数据和设计依据；并且进行高灰熔点煤焦气化反应特性的实验研究,为高灰熔点煤气化数学模型提供必要的动力学数据。 针对加压流化床煤气化系统,建立与实际流化床气化运行贴近的数学模型,包括颗粒混合模型、气相混合模型、气泡模型和焓平衡模型。分析了给煤速率、氧量和水蒸气等操作参数对碳转化率、产气量和冷煤气效率等的影响,并确定了给煤速率的最佳操作范围。 在空气气氛下对数学模型求解,结果表明：初期碳转化率均保持在99%以上,对于相同床面积的气化炉,可通过提高反应压力来提高气化炉处理量;反应压力提高40%,单位煤产气量可增加34%以上：高给煤速率和高反应压力有利于可燃气体(CO+H2+CH4)的生成；当反应压力为1.5MPa时,给煤速率的最佳操作范围为1.0～1.5kg/(m2·s),当反应压力为2.1MPa时,给煤速率的最佳操作范围为2.0～2.5kg/(m2·s);氧碳比为0.45～0.55时,冷煤气效率可达77%；生成气体热值与水蒸气比成正比。 在CO2气氛下对数学模型求解,结果表明：在采用CO2回收循环系统下可获得70%以上的(CO+H2)合成气；CO2气氛下的气化能力比在空气气氛下减少了约2%；反应压力为1.5MPa时,给煤速率的最佳操作范围为1.3～1.8kg/(m2·s);氧碳比为0.5时冷煤气效率可达76%；气化温度与氧碳比成正比,通过对氧碳比的控制可有效地调节气化温度；随着水蒸气比的增加,冷煤气效率会出现最大值,气体热值会逐渐增大；在气化温度为1073～1273K时,CO2气氛下反应的操作范围比空气气氛下的范围大。 在气化温度为1073-1273K范围内,采用等温热重法进行煤焦-CO2/H2O气化反应动力学特性的研究。研究结果表明：高灰熔点煤的气化反应速率低于低灰熔点煤,反应活性较低,要达到高反应活性,气化温度需高于1273K；气化温度越高,气化反应速率越高；煤焦-CO2/H2O气化反应速率随反应时间的延长呈现山峰状的变化,低灰熔点煤气化反应速率达到峰值后下降的速度比高灰熔点煤快;煤焦-H2O气化反应活性高于煤焦-CO2的反应活性。 【关键词】：煤气化 加压流化床 数学模型 灰熔点 反应动力学
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ546
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 主要符号说明7-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景及意义12-14
• 1.2 流化床煤气化技术研究现状14-19
• 1.2.1 流化床气化简述14
• 1.2.2 国内外研究现状14-19
• 1.3 流化床气化数学模型研究现状19-21
• 1.3.1 平衡模型19-20
• 1.3.2 神经网络模型20
• 1.3.3 动力学模型20-21
• 1.3.4 气化反应速度研究21
• 1.4 本课题主要研究目的及内容21-24
• 第2章 加压流化床煤气化模型的建立及计算方法24-37
• 2.1 引言24
• 2.2 煤气化反应及气化反应速度式24-25
• 2.3 模型的建立25-35
• 2.3.1 模型的假定25-26
• 2.3.2 颗粒混合模型26-27
• 2.3.3 气相混合模型27-30
• 2.3.4 气泡模型30-32
• 2.3.5 焓平衡模型32-35
• 2.4 模型的求解35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 加压流化床煤气化模型计算结果与分析37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 操作变量和操作条件37-38
• 3.3 空气气氛下煤气化数值模拟38-42
• 3.3.1 给煤速率的影响38-41
• 3.3.2 氧碳比和水蒸气比的影响41-42
• 3.4 CO_2气氛下煤气化数值模拟42-47
• 3.4.1 给煤速率的影响42-44
• 3.4.2 氧碳比和水蒸气比的影响44-47
• 3.5 本章小结47-49
• 第4章 煤焦气化反应动力学实验研究49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 实验条件及方法49-51
• 4.2.1 实验原料49-50
• 4.2.2 实验方法50-51
• 4.3 实验结果与分析51-57
• 4.3.1 煤焦气化碳转化率的计算51-52
• 4.3.2 动力学参数的计算52-54
• 4.3.3 气化温度的影响54-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第5章 全文总结与展望59-61
• 5.1 全文总结59-60
• 5.2 工作展望60-61
• 参考文献61-67
• 在读期间发表的学术论文及研究成果67-68
• 致谢68

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