大型氣流床氣化技術(shù)是當(dāng)今煤氣化技術(shù)的發(fā)展方向,是目前可預(yù)見范圍內(nèi)最有前途的煤轉(zhuǎn)化技術(shù),其高效、清潔及高兼容性受到電站電廠及煤化工行業(yè)的廣泛關(guān)注。我國動力用煤具有高灰分、高灰熔點的“雙高”特點,目前均采用添加助熔劑或提高氣化溫度的方式來滿足Texaco等國外大型加壓氣流床煤氣化技術(shù)液態(tài)排渣工藝需要,給企業(yè)帶來極大的能源浪費,嚴重限制了該技術(shù)在國內(nèi)的大規(guī)模推廣及運用。開發(fā)出適合我國高灰熔點煤種的干排渣氣流床氣化技術(shù),對實現(xiàn)大規(guī)模高效清潔氣化的推廣普及具有十分重要的意義。本文采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對高灰熔點煤焦加壓條件動力學(xué)參數(shù)、水煤漿/干煤粉兩段供氧氣流床氣化氣化特性實驗、數(shù)值模擬以及工業(yè)化兩段供氧干排渣加壓氣流床氣化技術(shù)工藝進行了系統(tǒng)深入地研究。首先,采用改造后的Thermax 500加壓熱重分析儀,以H_2O/CO_2為氣化劑,對典型的高灰熔點煤焦——老礦精煤煤焦氣化反應(yīng)動力學(xué)進行研究,考察氣化溫度、氣化壓力、反應(yīng)氣濃度對煤焦氣化反應(yīng)動力學(xué)的影響,并結(jié)合阿累尼烏斯方程、n級方程和未反應(yīng)縮核模型,提出高灰熔點煤焦-H_2O/CO_2氣化反應(yīng)動力學(xué)模型,結(jié)合外擴散的影響因素,建立適用于廣泛溫度的煤焦氣化反應(yīng)動力學(xué)模型。研究結(jié)果表明,溫度是影響氣化反應(yīng)速率最主要的原因,分壓對氣化反應(yīng)速率的增益效果隨著分壓的提高而不斷減弱,老礦精煤煤焦-H_2O的氣化反應(yīng)速率約是老礦精煤煤焦-CO_2的5倍左右。采用帶有分壓項的未反應(yīng)縮核模型對實驗結(jié)果進行分析,得到的平均本征活化能和平均n級系數(shù)分別為,226.23 kJ/mol和0.44(煤焦-CO_2氣化反應(yīng)),172.24 kJ/mol和0.54(煤焦-H_2O氣化反應(yīng))。其次,建立了20kg/h水煤漿兩段供氧干排渣氣流床氣化實驗臺以及相應(yīng)的一維動力學(xué)模型。實際考察了O/C摩爾比、有無二段供氧等對高灰熔點煤氣流床氣化結(jié)果的影響;一維動力學(xué)模型采用了高灰熔點煤動力學(xué)參數(shù),考慮了能量守恒方程、化學(xué)反應(yīng)平衡、元素守恒、物質(zhì)守恒等基本要素;并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比、研究和分析。研究結(jié)果表明,隨著O/C摩爾比的升高,無二段供氧和兩段供氧氣流床氣化實驗的氣化溫度、碳轉(zhuǎn)化率、有效合成氣成分均會有所提升;當(dāng)O/C摩爾比大于0.95之后,兩段供氧實驗的氣化效果開始優(yōu)于無二段供氧的氣化結(jié)果,具體包含合成氣中的有效氣體成分和碳轉(zhuǎn)化率,同時,高出的值逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)O/C摩爾比為1.1時,二段供氧比例為10%,取得有效合成氣(CO+H_2)摩爾分數(shù)為80.17%,碳轉(zhuǎn)化率為93.24%,且二段供氧時的H_2的含量高于無二段供氧實驗組取得實驗值。一維動力學(xué)模型能夠較好的模擬水煤漿兩段供氧干排渣氣流床氣化實驗結(jié)果,各項參數(shù)的平均誤差不超過1.6%,且利用該模型模擬最佳反應(yīng)工況,可以獲得氣流床氣化中的一些重要參數(shù),如冷煤氣效率為69.56%,比煤耗為594.82 kg/kNm~3,顆粒平均停留時間1.85s等。而后,改造并建立了~15kg/h干煤粉兩段供氧干排渣氣流床氣化實驗臺以及相應(yīng)的二維數(shù)學(xué)模型。實際考察了O/C摩爾比、二段供氧(H_2O)比例和煤種等對氣化效果的影響,并采用模擬軟件對幾組實驗工況進行數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明,隨著O/C摩爾比的升高,無二段供氧和兩段供氧干煤粉氣流床氣化技術(shù)的氣化溫度、碳轉(zhuǎn)化率、有效合成氣成分均會有所提升;相同O/C摩爾比時,隨著二段供氧比例的提升,H_2的摩爾分數(shù)增加,CO的摩爾分數(shù)先增加后減小,CO_2的摩爾分數(shù)先減小后增加,氣化反應(yīng)溫度下降。綜合考慮干排渣和氣化結(jié)果的影響,最佳反應(yīng)工況為O/C摩爾比為0.82,二段供氧比例為10%,此時獲得的有效合成氣組分為79.20%,碳轉(zhuǎn)化率為92.04%。采用的二維模型能夠有效的模擬出氣化爐內(nèi)的溫度、壓力、速度、湍流強度和各氣體成分等的分布云圖,能夠有效說明二段供氧的作用,模擬的結(jié)果顯示各合成氣成分含量與實驗值的絕對誤差不超過±1.65%,但反應(yīng)溫度的模擬與實驗值相差較大。此外,本文研究認為,對于高灰熔點煤兩段供氧干排渣氣流床氣化過程,干煤粉供料方式適合于低供氧量、高CO含量的氣化要求,水煤漿供料方式適合于高供氧量、高H_2含量的氣化要求。最后,計算了燃用高灰熔點煤的840t/d水煤漿兩段供氧干排渣加壓氣流床氣化技術(shù)效果,模擬了不同一段/二段氧氣比例、二段供氧中不同水蒸氣/氧氣(氧原子摩爾)比例對氣化效果的影響。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了兩段供氧干排渣加壓氣流床氣化工藝。研究結(jié)果表明,針對高灰熔點煤老礦精煤,使用兩段供氧干排渣加壓氣流床氣化技術(shù),最佳的O/C摩爾比為1.13,一段/二段供氧比例(氧原子摩爾比)為80:20,最優(yōu)的二段供氧中O_2/水蒸氣比例(氧原子摩爾比)為50:50,預(yù)計此時的氣化反應(yīng)溫度在1331~1450℃之間,CO+H_2的有效合成氣成分(干氣)為80.33%,氣量為60666.94Nm~3/h,碳轉(zhuǎn)化率達到94.96%,煤顆粒平均停留時間6.37s,比煤耗576.92 kg/kNm~3,比氧耗386.08 Nm~3/kNm~3。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TQ546
【部分圖文】：

圖 1-2 中國煤炭儲量分布圖Fig.1-2 Distribution of coal reserves in China中國是世界上最大的發(fā)展中國家，也是第二大能源生產(chǎn)國和消國能源儲藏結(jié)構(gòu)不均，對外依存度很大，隨著我國中長期社會發(fā)步加快，未來將面臨嚴重的資源供應(yīng)瓶頸和環(huán)境約束。截止至 2化率將達到 75%，即將有 5 億人口從農(nóng)村轉(zhuǎn)移到城市。按目前能源消費是農(nóng)村居民的 3 倍計算，這將導(dǎo)致我國一次能源消費炭資源是我國的主導(dǎo)性能源，但是也是一種污染性極大的資源學(xué)利用，將嚴重污染環(huán)境，威脅人們身體健康。據(jù)統(tǒng)計，大氣中%的 NOx 以及 60%的粉塵來自化石燃料-煤炭的直接燃燒。我國顯示，全國酸雨及污染程度逐年加劇[5]。近年來，隨著國家政大眾逐漸認識到環(huán)境惡化所帶來的嚴重損失，國家對污染排放格，開發(fā)清潔、高效及低污染能源利用技術(shù)迫在眉睫。從近年來勢分析，能源與環(huán)境已經(jīng)成為世界關(guān)注的焦點問題，加強能源領(lǐng)

原料煤、水及添加劑等按一定比例磨制成混合，一起噴入氣化爐，在高溫高壓下進行氣化溫度 1350℃~1400℃，有效合成氣成化率約 96%~99%。Texaco 氣流床氣化工煤種適應(yīng)范圍較寬等優(yōu)點[20-23]。但是，因問題，使得噴嘴運行周期大約在 2 個月左續(xù)運行的關(guān)鍵因素之一。（2）Shell 氣化技術(shù)殼牌公司開發(fā)的 Shell 氣流床氣化爐進料，上端為燃燒-氣化室，下端為激冷布置 4~8 個干煤粉燒嘴料，使氣化爐的力。耐火襯里采用水冷壁結(jié)構(gòu)，合成氣采渣。該氣化爐配備飛灰循環(huán)系統(tǒng)，提高了有效合成氣成分 CO+H2約占干煤氣的 8工藝氣化爐前期投資較大，且排渣口容易

第一章 緒論。（5）GSP 氣化技術(shù)GSP 粉煤氣化采用氣化爐頂部干粉進料，耐火襯里同樣采用盤管式水冷壁結(jié)氣化過程中，水冷壁上形成固態(tài)熔渣層，固態(tài)熔渣層的增厚和減薄能夠自動調(diào)化過程的穩(wěn)定。值得注意的是，GSP 工藝采用內(nèi)冷式 6 通道燒嘴，進料氣體料物料分內(nèi)中外三層，冷卻水也有三層，這種燒嘴的壽命較長[29]。GSP 氣化氣化對燃料的適應(yīng)性好，氣化效率高，可達 99.6%，投資及運行成本較低，兼exaco 和 Shell 氣化爐的優(yōu)點，是一種有廣闊發(fā)展前景的氣化技術(shù)[30,31]。
【參考文獻】

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1 王云飛;李陽;宋銀敏;智科端;何潤霞;滕英躍;劉全生;;神華上灣煤慢速和快速熱解焦燃燒性能及其反應(yīng)動力學(xué)[J];煤炭學(xué)報;2015年12期

2 董倩;張海霞;朱治平;;3種煤焦的CO_2氣化反應(yīng)特性及動力學(xué)模型[J];煤炭學(xué)報;2015年09期

3 婁彤;張忠孝;周志豪;;氣流床氣化爐高熔點煤氣化反應(yīng)模擬[J];熱能動力工程;2015年03期

4 段清兵;張勝局;何國鋒;劉燁煒;孫海勇;;褐煤制氣化水煤漿實驗研究[J];潔凈煤技術(shù);2014年06期

5 劉臻;盧洪;;氣流床氣化爐工程化數(shù)學(xué)模型的開發(fā)與應(yīng)用[J];中國煤炭;2014年S1期

6 陸海峰;郭曉鐳;陶順龍;龔欣;魯軍;;不同載氣供料對煤粉料倉下料的影響[J];化工學(xué)報;2014年09期

7 李偉偉;李克忠;康守國;鄭巖;張榮;畢繼誠;;煤催化氣化中非均相反應(yīng)動力學(xué)的研究[J];燃料化學(xué)學(xué)報;2014年03期

8 孔祥東;陶莉莉;鐘偉民;程輝;錢鋒;;煤質(zhì)組成對水煤漿氣流床氣化爐性能的影響[J];浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2013年09期

9 楊志偉;王哲;李政;倪維斗;;水煤漿水冷壁氣化爐的反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型[J];清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2013年04期

10 吳磊;周志杰;王興軍;于廣鎖;王輔臣;;神府煙煤水煤漿快速熱解焦結(jié)構(gòu)演化及其反應(yīng)性的研究[J];燃料化學(xué)學(xué)報;2013年04期

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1 宋志春;兗州煤氣化過程的數(shù)值模擬[D];太原理工大學(xué);2010年

本文編號：2864040