一步法煤制天然气的实验研究与数值模拟

【摘要】：一步法煤制天然气技术是将煤气化和催化甲烷化合并为一个单元而实现了直接由煤生产富甲烷气体的技术,能够实现对煤炭的清洁利用,受到越来越多的关注。首先采用HSC化学热力学计算软件,分别对小型煤制甲烷系统的煤气化单元和甲烷化单元进行了数值模拟。改变气化器中温度、压力、灰分有无、水蒸汽供入量等参数,以生成物中最利于甲烷化的组分配比为目标,通过对比性分析,确定了煤气化单元的运行压力为1.5MPa,温度为900℃,水煤摩尔比为2:1;而甲烷化单元的条件宜控制为700℃、1.7~2.0MPa;供入组分比值n(H2):n(CO)为1.8时最有利甲烷产率的高比值。加入催化剂的一步法煤制天然气装置中须综合上述煤气化和甲烷化单段装置中的运行参数,因此,本文利用高压热天平对神木烟煤进行的催化气化试验中,运行参数采用的温度和压力条件为2MPa、900℃,以水蒸气为气化剂,研究了不同催化剂条件下的煤热解及气体合成反应特性。分析得到了三种钾基催化剂K15/Fe10、K15/Fe10/Ca5和K15/Fe10/Mn5对应的反应活化能分别是36.58、39.06和52.87kJ/mol,三种催化剂在高压条件下具有不同的煤气化反应动力学参数,催化剂的选择和性能研究对一步法煤制天然气过程具有非常重要的意义。然后,在控制反应区温度和压力恒定的管式炉中,研究了三氧化二铝为载体的不同金属催化剂的催化性能。4K1Ni催化的煤制气热效率高,其次是Fe15和K15Fe5Mo5,而综合热效应方面,Fe15和K15Fe5Mo5的热效应最高,其次是钾镍催化剂,表明铁催化剂的热经济性较优,复合催化性能优越。而钾元素与钼元素的添加能使复合铁催化剂的催化作用提高;且铁组分含量的升高,更有利于气化反应的发生。但原料煤粉中秸秆的加入却对气化和甲烷化反应有不利影响。利用得到的催化剂作用下高压煤气化的反应动力学参数,以及各种催化剂的催化性能参数,本文利用Fluent软件对一步法煤制天然气整个过程进行了数值模拟,结果显示,反应炉内速度场和温度场比较均匀,为强化换热降低炉内温度水平,区域加装内构件或折流板则形成反应炉内壁面附近的扰动,从而削薄边界层,强化了换热。提高工作温度有利于催化剂性能的发挥,从而提高反应速率,提高甲烷产量。本文进行的煤催化制天然气的实验和数值研究,对煤的清洁利用及催化反应的模拟具有指导作用,对煤制气技术的应用具有推动作用。 【关键词】：气化 甲烷化 动力学 热分析 数值模拟
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE665.3
【目录】：

• 摘要2-3
• abstract3-7
• 引言7-17
• 0.1 研究背景及意义7-8
• 0.2 煤气化工艺的国内外发展现状8-15
• 0.2.1 气化技术现状8-11
• 0.2.2 “一步法”甲烷化技术现状11-12
• 0.2.3 其他直接合成天然气技术12-14
• 0.2.4 其他工艺与技术14-15
• 0.3 催化剂的国内外研究现状15-17
• 第1章 煤催化制天然气工况的数值分析17-27
• 1.1 气化单元的数值计算17-22
• 1.1.1 计算方法及条件18-19
• 1.1.2 计算结果与分析19-22
• 1.1.2.1 压力对气化产物的影响规律19-20
• 1.1.2.2 温度对气化产物的影响规律20-21
• 1.1.2.3 水蒸汽供入量对气化气组分的影响21-22
• 1.2 甲烷化单元的数值模拟22-25
• 1.2.1 温度和压力对甲烷化产物的影响规律23-24
• 1.2.2 n(H_2)：n(CO)摩尔比对甲烷化产物的影响规律24-25
• 1.3 小结25-27
• 第2章 高压热天平内煤催化气化动力学研究27-35
• 2.1 实验准备28-29
• 2.2 实验结果及分析29-33
• 2.2.1 气化特性分析29-31
• 2.2.2 催化气化反应的动力学研究31-33
• 2.3 小结33-35
• 第3章 煤催化制天然气实验及其热分析35-43
• 3.1 燃料和催化剂36
• 3.2 实验过程36-37
• 3.3 结果与讨论37-42
• 3.3.1 煤催化制天然气的反应组成分析37-38
• 3.3.2 煤制气热效率和热效应分析38-39
• 3.3.3 不同催化剂对煤气化和甲烷化反应过程的影响39-42
• 3.3.4 掺混秸秆对气化和甲烷化的影响42
• 3.4 结论42-43
• 第4章 一步法煤制天然气反应器内的数值模拟43-51
• 4.1 模型建立43-46
• 4.1.1 几何模型43-44
• 4.1.2 数学模型44-45
• 4.1.3 物理模型及边界条件设置45-46
• 4.2 模拟结果与讨论46-49
• 4.3 结论49-51
• 第5章 结论与展望51-53
• 5.1 主要结论51-52
• 5.2 展望52-53
• 参考文献53-60
• 攻读学位期间的研究成果60-61
• 致谢61-62

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