【摘要】：我國(guó)的一次能源在目前以及未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間里主要以煤炭為主,面對(duì)持續(xù)增長(zhǎng)的能源需求以及日益嚴(yán)峻的大氣污染形勢(shì),如何實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用已經(jīng)成為一個(gè)亟需解決的課題。煤炭分級(jí)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)作為一種高效的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注,根據(jù)煤中不同組分的不同性質(zhì)將熱解、氣化與燃燒有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)煤炭資源的梯級(jí)利用,提高了煤炭的利用效率,是解決我國(guó)如何實(shí)現(xiàn)清潔高效的利用化石燃料問(wèn)題的技術(shù)之一。浙江大學(xué)針對(duì)目前煤炭資源利用方式單一、利用效率低下等問(wèn)題提出了雙流化床煤炭部分氣化分級(jí)轉(zhuǎn)化技術(shù),將循環(huán)流化床煤炭部分氣化技術(shù)和循環(huán)流化床半焦燃燒技術(shù)有機(jī)結(jié)合,將煤炭中易于轉(zhuǎn)化的部分轉(zhuǎn)化為煤氣,煤氣可用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電或者化工原料,半焦經(jīng)燃燒后用于發(fā)電。通過(guò)對(duì)煤炭的分級(jí)轉(zhuǎn)化利用,可實(shí)現(xiàn)煤炭高效清潔的利用。本文在煤顆粒在不同氣氛中的反應(yīng)機(jī)理以及在循環(huán)流化床反應(yīng)器中的氣化特性研究基礎(chǔ)上,在lMWt雙流化床中試試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)研究,并模擬了煤炭部分氣化能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng),對(duì)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。首先,在改造后的熱天平試驗(yàn)裝置上開(kāi)展了煤炭半焦的部分氣化特性的實(shí)驗(yàn)研究,獲得了半焦在H20,CO2以及H20和CO2混合氣氛下的氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用均相反應(yīng)模型和Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型聯(lián)立預(yù)測(cè)了半焦氣化的反應(yīng)速率,分析了溫度和反應(yīng)氣氛對(duì)氣化速率的影響,驗(yàn)證了不共用活性位和共用活性位反應(yīng)機(jī)理的正確性。結(jié)果表明,在H2O和C02的混合氣氛下,當(dāng)溫度不高于900℃時(shí),不共用活性位假說(shuō)更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果;當(dāng)溫度高于9000℃共用活性位假說(shuō)更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合對(duì)不同碳轉(zhuǎn)化率下半焦比表面積的測(cè)試得出,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,氣化反應(yīng)速率先增加后減少,在反應(yīng)過(guò)程中存在一個(gè)最大反應(yīng)速率,半焦比表面積對(duì)氣化速率有重要影響。然后,在自行搭建的小型循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展了典型煤種的部分氣化實(shí)驗(yàn),分別采用水蒸氣-氧氣和二氧化碳-氧氣兩種氣氛,獲得了氣化溫度、氧煤比和蒸汽煤比等運(yùn)行參數(shù)對(duì)于部分氣化特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著氣化溫度或者氧煤比的提高,有效氣體成分、合成氣低位熱值、半焦產(chǎn)量、焦油含量均下降,而碳轉(zhuǎn)化率上升;隨著蒸汽煤比的增加,有效氣體成分、合成氣低位熱值、半焦產(chǎn)量、焦油含量以及碳轉(zhuǎn)化率均增大。在水蒸氣-氧氣的實(shí)驗(yàn)工況下,氣化氣有效成分最高含量可達(dá)70%,此時(shí)氧煤比為0.46,蒸汽煤比為0.31,氣化溫度為900℃,碳轉(zhuǎn)化率為84.23%,采用激光拉曼光譜儀和傅里葉紅外分析儀對(duì)不同條件下的半焦進(jìn)行測(cè)試,拉曼光譜的結(jié)果表明,隨著反應(yīng)溫度的增加,半焦中無(wú)序碳結(jié)構(gòu)顯著減少,石墨化程度總體上提高;而在二氧化碳-氧氣氣氛中,有效氣體成分隨著氧煤比的增加先增加后減小,當(dāng)氧煤比為0.57時(shí)達(dá)到最大,約為40%,合成氣低位熱值為5.58 MJ/Nm3。通過(guò)掃描電鏡和拉曼光譜的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著反應(yīng)氣體進(jìn)入煤顆粒內(nèi)部,顆粒表面的孔隙逐漸打開(kāi),CO2進(jìn)入半焦內(nèi)部并與半焦發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生更多的含氧官能團(tuán)和芳香族化合物,含氧官能團(tuán)及芳香族化合物的產(chǎn)生使得半焦無(wú)序性增加。在lMWt雙流化床氣化燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展煤炭空氣部分氣化實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)主要分為三個(gè)工況,氣化溫度分別為790℃、850℃和920℃,每個(gè)工況持續(xù)3個(gè)小時(shí)左右。試驗(yàn)期間,各工況下系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,調(diào)節(jié)方便,燃燒爐和氣化爐能夠正常協(xié)調(diào)運(yùn)行。氣化爐以空氣作為氣化介質(zhì)進(jìn)行部分氣化,產(chǎn)生煤氣和焦油,并將半焦送到燃燒爐中穩(wěn)定燃燒,燃燒爐在燃用全部半焦的條件下可以穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明,以空氣作為氣化介質(zhì)時(shí)可以獲得較高的煤氣產(chǎn)量,隨著工況溫度的提高,依據(jù)煤氣放散流量計(jì)算的每千克煤氣產(chǎn)量也相應(yīng)的提高,920℃工況下的煤氣產(chǎn)量最高;在三個(gè)運(yùn)行工況下,獲得的焦油產(chǎn)量都很低,尤其是在920℃下,基本不產(chǎn)生焦油;燃燒爐燃用來(lái)自氣化爐氣化所剩半焦時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,從密相區(qū)至爐膛出口沿爐高方向溫度分布均勻,并獲得較好的燃燒效率。在Aspen Plus軟件平臺(tái)上開(kāi)展了煤炭部分氣化分級(jí)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的流程模擬,構(gòu)建了給煤量為4320t/h的常壓部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、加壓部分氣化發(fā)電系統(tǒng)以及煤炭部分氣化甲醇電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),其技術(shù)路線為:煤炭首先在循環(huán)流化床氣化爐中與O2/H2O發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生煤氣;煤氣經(jīng)過(guò)凈化處理后送至燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電或者用于甲醇合成;剩余的半焦用于燃燒發(fā)電,蒸汽參數(shù)為超臨界參數(shù)。通過(guò)系統(tǒng)模擬,獲得了氣化壓力、碳轉(zhuǎn)化率、蒸汽煤比、氧煤比、甲醇合成溫度等對(duì)系統(tǒng)效率的影響及設(shè)備投資性能等參數(shù),并與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,隨著碳轉(zhuǎn)化率的增加,系統(tǒng)效率先增加后減少,在碳轉(zhuǎn)化率為80%左右時(shí),系統(tǒng)效率達(dá)到最高,此時(shí)加壓部分氣化發(fā)電系統(tǒng)的效率達(dá)到了 55.96%,常壓部分氣化系統(tǒng)的發(fā)電效率為54.43%,均高于IGCC的系統(tǒng)效率(53.11%);隨著甲醇合成溫度提高,甲醇產(chǎn)量和系統(tǒng)效率均下降,隨著循環(huán)尾氣比例的提高,甲醇產(chǎn)量隨之提高,系統(tǒng)效率隨之下降,當(dāng)甲醇合成溫度為220℃,循環(huán)尾氣比例為0.5時(shí),此時(shí)的甲醇產(chǎn)量為76220kg/h,系統(tǒng)效率為56.8%。在經(jīng)濟(jì)性方面,常壓部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的投資回報(bào)率為15.2%,遠(yuǎn)高于IGCC的3.4%;投資回報(bào)期為7.21年,遠(yuǎn)短于IGCC的18.06年,而煤炭部分氣化甲醇電力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的內(nèi)部收益率為24.1%,投資回報(bào)期僅為4.14年。由于在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析的過(guò)程中,未將公司分工、員工福利等因素考慮在內(nèi),因此煤炭部分氣化能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的內(nèi)部收益率和投資回報(bào)期都好處于較高水平。結(jié)果表明,基于煤炭部分氣化技術(shù)的三類系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)效率,在經(jīng)濟(jì)性方面具有較大優(yōu)勢(shì),是一項(xiàng)值得推廣利用的煤炭利用技術(shù)。最后,利用Aspen Plus軟件構(gòu)建了煤炭處理量為4320t/h煤炭空氣部分氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和煤炭空氣部分氣化熱電燃?xì)饴?lián)產(chǎn)系統(tǒng),其中聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)方案為:煤炭在循環(huán)流化床氣化爐中與空氣發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生煤氣;煤氣經(jīng)過(guò)凈化后送入低熱值燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電;剩余半焦送入循環(huán)流化床燃燒爐中燃燒,產(chǎn)生的熱量用于生產(chǎn)高參數(shù)蒸汽,進(jìn)而用于發(fā)電。熱電燃?xì)饴?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)方案為:煤炭在循環(huán)流化床氣化爐中與空氣反應(yīng)產(chǎn)生煤氣;煤氣經(jīng)過(guò)凈化后直接供應(yīng)給工業(yè)用戶;剩余的半焦用于燃燒發(fā)電。通過(guò)模擬計(jì)算,獲得了空氣煤比、碳轉(zhuǎn)化率等對(duì)于氣化溫度、燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂导跋到y(tǒng)效率等參數(shù)的影響,并獲得最佳運(yùn)行參數(shù),并對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)學(xué)性能進(jìn)行分析,獲得其設(shè)備投資、內(nèi)部收益率及投資回報(bào)年限等參數(shù)。通過(guò)熱力學(xué)分析可得,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率達(dá)到了 53.56%,熱電燃?xì)饴?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)效率為69.19%,兩個(gè)系統(tǒng)的效率遠(yuǎn)高于IGCC系統(tǒng)效率及現(xiàn)有的常規(guī)煤粉電廠效率。通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析可得,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部收益率為17.1%,投資回報(bào)年限為5.79年,熱電燃?xì)饴?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的內(nèi)部收益率為30.2%,投資回報(bào)年限為3.29年。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知兩個(gè)系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng),具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
【圖文】：

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文邐＾逡逑的大力發(fā)展，煤炭消費(fèi)比重也有所下降，但是仍然達(dá)到６０％以上，因此在未來(lái)相逡逑當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，煤炭資源仍然是我國(guó)最主要的能源資源。近幾十年來(lái)，我國(guó)逡逑的煤炭利用方式主要以直接燃燒為主，雖然簡(jiǎn)單易行，但是利用效率不高且易造逡逑成嚴(yán)重的環(huán)境污染，尤其是工業(yè)窯爐，配置分散，無(wú)法進(jìn)行排氣的集中凈化，ＰＭ２．５、逡逑ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｃ０２等污染物的排放嚴(yán)重。綜上所述，我國(guó)的能源現(xiàn)狀決定了我國(guó)逡逑在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔高效利用。逡逑單位：億噸逡逑

我國(guó)煤炭資源豐富，根據(jù)ＢＰ能源統(tǒng)計(jì)，截止到２０１６年底，我國(guó)已探明的逡逑煤炭資源儲(chǔ)量達(dá)到２４４０億噸，占世界總量的２１．４％。我國(guó)煤炭資源部分極不均逡逑勻，如圖１－４所示，煤炭資源主要分布于華北和西北地區(qū)，占比約８０％，，在華北逡逑地區(qū)，煤炭資源主要分布于山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)，在西北地區(qū)，煤炭資源主要逡逑分布于陜西省和新疆維吾爾族自治區(qū)３。逡逑按照煤化程度高低劃分，我國(guó)的煤炭主要分為褐煤、煙煤和無(wú)煙煤，如圖１－逡逑５所示。褐煤（ＨＭ）主要有１號(hào)褐煤和２號(hào)褐煤兩類，煙煤（ＹＭ）種類較多，逡逑主要有長(zhǎng)焰煤、不粘煤、弱粘煤、中粘煤等，無(wú)煙煤（ＷＹ）主要分為１號(hào)、２號(hào)、逡逑３號(hào)無(wú)煙煤。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ546

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2667562