【摘要】：氣化技術(shù)是含碳燃料清潔高效利用的主要途徑,是制備工業(yè)燃?xì)獾年P(guān)鍵技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)煤制工業(yè)燃?xì)庥脷饣夹g(shù)仍以固定床氣化裝置為主,尤其是單段式和兩段式煤氣發(fā)生爐。其局限性在于生產(chǎn)規(guī)模小,放大困難;使用優(yōu)質(zhì)塊煤,對(duì)碎煤適用性差;灰分中碳含量高,整體碳轉(zhuǎn)化率提高困難;生成氣體中焦油含量高,凈化處理過(guò)程中容易帶來(lái)酚水等二次污染問(wèn)題。近年來(lái),國(guó)內(nèi)也成功開發(fā)了煤制工業(yè)燃?xì)庥昧骰矚饣夹g(shù),生產(chǎn)規(guī)模較大,然而還存在著氣體熱值提高困難和焦油含量高等問(wèn)題。此外,在煤炭開采過(guò)程中生成的大量碎煤資源長(zhǎng)期得不到合理利用,既浪費(fèi)了資源,也容易帶來(lái)粉塵污染。因此,開發(fā)適合處理碎煤的煤制工業(yè)燃?xì)庥脷饣夹g(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。基于此,本課題提出了低階碎煤制清潔工業(yè)燃?xì)庥昧骰矁啥螝饣夹g(shù),由流化床預(yù)氧化反應(yīng)器和輸送床氣化爐組成。原料在上游的流化床預(yù)氧化反應(yīng)器中熱解和部分氣化,生成的全部產(chǎn)物進(jìn)入到下游的輸送床氣化爐中進(jìn)行半焦氣化,同時(shí)利用高溫氣化爐內(nèi)半焦顆粒對(duì)焦油的催化重整作用來(lái)脫除焦油,生成潔凈工業(yè)燃?xì)�。由于充分整合了流化床和輸送床反�?yīng)器各自的優(yōu)勢(shì),并利用半焦對(duì)焦油的催化重整作用,因此相對(duì)于現(xiàn)有的煤制工業(yè)燃?xì)庥脷饣夹g(shù),該氣化技術(shù)具有生產(chǎn)規(guī)模大、原料適用性廣、生成氣體中焦油含量低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本論文針對(duì)提出的流化床兩段氣化技術(shù)首次系統(tǒng)地開展基礎(chǔ)研究和中試驗(yàn)證,首先在實(shí)驗(yàn)室射流預(yù)氧化流化床反應(yīng)器上研究了內(nèi)蒙褐煤流化床熱解/預(yù)氧化反應(yīng)特性和半焦氣化反應(yīng)特性等,在高溫管式爐中研究了溫度和氣氛對(duì)煤灰燒結(jié)特性研究,確定了適合流化床兩段氣化工藝的上下兩段反應(yīng)器各自合適的操作條件;在微型流化床反應(yīng)器上開展了原位半焦氣化行為測(cè)試和氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)推導(dǎo),并與文獻(xiàn)中常見的兩種非原位半焦氣化方法進(jìn)行比較,揭示原位半焦和非原位半焦理化性質(zhì)差異;在小型流化床兩段反應(yīng)器上考察了半焦對(duì)焦油的催化脫除性能,探索半焦對(duì)焦油的催化重整機(jī)理,并結(jié)合兩段氣化工藝提出合理的操作方法;在上述基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了煤處理量為100 kg/h流化床兩段氣化中試平臺(tái),并進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行,驗(yàn)證了流化床兩段氣化技術(shù)的可行性和可靠性,為工藝進(jìn)一步放大提供技術(shù)支撐。本論文各部分的研究?jī)?nèi)容及相關(guān)結(jié)果如下所示:(1)流化床中煤熱解和部分氣化特性研究重點(diǎn)考察反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、反應(yīng)氣氛等對(duì)內(nèi)蒙勝利褐煤在流化床反應(yīng)器內(nèi)熱解和部分氣化過(guò)程中產(chǎn)物分布規(guī)律、半焦理化性質(zhì)和焦油品質(zhì)等方面的影響。隨反應(yīng)溫度和煤顆粒在反應(yīng)器中停留時(shí)間的延長(zhǎng),煤中的揮發(fā)分被快速釋放,氣體產(chǎn)率急劇增加,半焦比表面積不斷增大,氣化活性逐步提高。然而,在過(guò)高的反應(yīng)溫度(900oc)和顆粒停留時(shí)間(7min)條件下,半焦的孔結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)分布和碳微晶結(jié)構(gòu)都將發(fā)生變化,進(jìn)而影響其氣化反應(yīng)活性。氧氣和水蒸氣的加入有利于半焦中殘余揮發(fā)分的析出、揮發(fā)分的二次反應(yīng)、半焦孔結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改善、半焦氣化活性的提高及促使生成輕質(zhì)化的焦油。綜合考慮基礎(chǔ)研究和整體工藝要求,適合流化床兩段氣化工藝的上段流化床操作條件為:操作溫度800oc、停留時(shí)間3min、當(dāng)量空氣系數(shù)0.14、水蒸氣和煤質(zhì)量比0.12。(2)半焦流化床氣化和灰渣燒結(jié)行為研究在流化床反應(yīng)裝置中考察內(nèi)容(1)確定的操作條件下生成半焦的氣化行為,研究氣化溫度、停留時(shí)間、當(dāng)量空氣系數(shù)、水蒸氣和半焦質(zhì)量比對(duì)半焦氣化行為和碳轉(zhuǎn)化率的影響。隨著半焦氣化反應(yīng)溫度的提升、當(dāng)量空氣系數(shù)的增加、半焦在流化床反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的延長(zhǎng)和水蒸氣的通入,半焦氣化反應(yīng)被促進(jìn),生成更多的有效氣體組分。然而,在高溫(1050oc)和過(guò)量氧氣(er=0.31)供應(yīng)下,半焦氣化過(guò)程中發(fā)生灰分燒結(jié)現(xiàn)象,影響氣化反應(yīng)的進(jìn)行。合適的氣化爐操作條件為:氣化溫度1000oc、停留時(shí)間2min、當(dāng)量空氣系數(shù)0.27、水蒸氣和半焦質(zhì)量比0.10。針對(duì)氣化過(guò)程中灰分的燒結(jié)行為,在高溫管式爐中考察了煤灰燒結(jié)行為。研究發(fā)現(xiàn),溫度和氣氛對(duì)煤灰燒結(jié)行為影響很大,各氣氛下煤灰燒結(jié)溫度從小到大依次為:還原性氣氛、水蒸氣氣氛、惰性氣氛和氧化性氣氛。(3)半焦原位氣化分析方法及氣化動(dòng)力學(xué)研究利用新型的微型流化床反應(yīng)分析儀研究了原位半焦的氣化特性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué),并和兩種非原位半焦的反應(yīng)特性進(jìn)行比較。研究表明,相對(duì)于兩種非原位半焦,在活性氣氛下生成的原位半焦具有比表面積大、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、石墨化程度低、對(duì)co2化學(xué)吸附能力強(qiáng)等物化特性。在克服外擴(kuò)散影響的條件下,原位半焦的氣化反應(yīng)速率快,求取的反應(yīng)活化能小。測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析揭示了原位半焦和非原位半焦氣化行為的差異,也驗(yàn)證了構(gòu)建的原位半焦氣化分析方法的合理性。(4)流化床半焦脫除焦油特性和機(jī)理研究利用兩段流化床反應(yīng)器研究高溫條件下半焦對(duì)焦油的催化重整作用。相對(duì)于熱裂解,半焦催化重整不僅能有效地脫除焦油,提高有效氣體組分的含量,且能明顯抑制焦油脫除過(guò)程中的積碳生成。半焦自身的特性,如孔結(jié)構(gòu)和金屬氧化物的種類及含量,均影響半焦對(duì)焦油的脫除性能。使用半焦的孔結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá),微孔和介孔比表面積越大,對(duì)煤焦油的催化脫除效果越理想。通過(guò)對(duì)負(fù)載金屬氧化物脫灰半焦性能測(cè)試發(fā)現(xiàn),負(fù)載na2o和fe2o3的半焦催化性能較好,而負(fù)載cao和mgo的半焦性能一般。通過(guò)對(duì)使用過(guò)的半焦進(jìn)行活化再使用測(cè)試發(fā)現(xiàn),通入少量水蒸氣不僅能提高氣化性能,且有助于半焦對(duì)焦油的催化重整。適合流化床兩段氣化工藝的焦油脫除條件為:溫度1000°C、氣體在半焦床層中的停留時(shí)間大于0.9 s,氣化過(guò)程適當(dāng)?shù)赝ㄈ胍欢康乃魵飧佑欣诮褂偷拇呋摮?5)流化床兩段氣化中試驗(yàn)證在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)、建成了流化床兩段氣化中試試驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試工作,其碎煤處理量為100kg/h。中試運(yùn)行結(jié)果顯示,輸送床氣化爐內(nèi)的半焦能有效脫除焦油,并將其轉(zhuǎn)化為有效氣體組分,提高氣化生成氣熱值。典型運(yùn)行條件對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨著預(yù)氧化反應(yīng)器和輸送床氣化爐溫度的提高,碳轉(zhuǎn)化率提高,氣體中的有效氣體組分增加。當(dāng)上段預(yù)氧化反應(yīng)器和下段氣化爐的操作溫度分別為840oC和1000oC左右時(shí),氣化爐出口處氣體的熱值達(dá)到1050 kcal/Nm3,氣化爐出口處生成氣體的焦油含量為365 mg/Nm3,充分說(shuō)明了流化床兩段氣化工藝生產(chǎn)煤制工業(yè)燃?xì)饧夹g(shù)的合理性和可行性,也驗(yàn)證了流化床兩段氣化技術(shù)在脫除焦油方面的優(yōu)勢(shì),為工藝的進(jìn)一步放大提供技術(shù)支撐。
【圖文】：

見的固定床氣化爐有 UGI 氣化爐、魯奇氣化爐(Lurgi)、魯奇液態(tài)排渣氣化爐ritish Gas-Lurgi, BGL)等。根據(jù)煤/焦顆粒流動(dòng)方向和生成氣體流動(dòng)方向一致性，，以將固定床氣化爐分為上吸式、下吸式和橫吸式等三類。其典型結(jié)構(gòu)見圖 1.3 所，各自的技術(shù)特點(diǎn)分析見表 1.2[26-28]。

化爐和雙流化床氣化爐，其反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖 1.4。目括：溫克勒氣化爐、高溫溫克勒氣化爐、U-Gas 氣化聚氣化爐、恩德氣化爐、魯奇循環(huán)流化床氣化爐等[2((a) (b)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ546

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本文編號(hào)：2708884