本文關(guān)鍵詞：基于三區(qū)分布的煤炭地下氣化物料與能量平衡模型的構(gòu)建　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：將煤炭地下氣化過程氧化區(qū)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū)(三區(qū))的分布特征與地面煤氣化系統(tǒng)平衡模型相結(jié)合,建立了煤炭地下氣化物料與能量平衡模型。通過不同煤種和不同溫度下的熱解實(shí)驗(yàn),獲得了熱解過程各元素的遷移方程;通過不同氣化通道、注氣方式、涌水量和氣化劑組成下的地下氣化模型試驗(yàn),研究了“三區(qū)”比例對(duì)出口煤氣組分的影響規(guī)律,驗(yàn)證了“三區(qū)”溫度范圍的合理性,從而獲得了以“三區(qū)”比例來表征的氣化反應(yīng)碳轉(zhuǎn)化控制方程和水煤氣變換反應(yīng)的控制方程及其控制常數(shù);開發(fā)了煤炭地下氣化過程物料及能量平衡計(jì)算軟件,對(duì)煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際計(jì)算表明,該模型在預(yù)測(cè)出口煤氣組分和熱效率方面,具有較高的計(jì)算精度和實(shí)用價(jià)值。主要的研究內(nèi)容、方法和結(jié)果如下:1、在N2氣氛下大雁褐煤、協(xié)莊煙煤、昔陽無煙煤進(jìn)行了的低溫慢速熱解實(shí)驗(yàn)。熱解實(shí)驗(yàn)在常壓條件下進(jìn)行,升溫速率為10℃/min,熱解終溫為500℃、600℃、700℃、800℃、900℃,對(duì)熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率及組成進(jìn)行了檢測(cè),以元素守恒定律為準(zhǔn),計(jì)算褐煤、煙煤和無煙煤中的C、H、O、N、S在不同熱解終溫下從原煤遷移到一系列熱解產(chǎn)物中的比例。研究結(jié)果表明:(1)在各熱解終溫時(shí),褐煤和煙煤中C元素主要遷移到氣化純碳和焦油中,煙煤的a(C,氣化純碳)和a(C,焦油)較大,分別遵守的遷移方程為:y=1E-05x2-0.0371x+93.908,y=2E-07x3-0.0005x2+0.3624x-68.835,(y-遷移比例,x-熱解終溫);無煙煤中C元素主要遷移到氣化純碳和CH4中,分別遵守的遷移方程為:y=2E-07x3-0.0004x2+0.2528x+47.888,y=-3E-05x2+0.0496x-17.089;a(C,氣化純碳)隨著溫度的升高而減小,各煤種的a(C,焦油)均在600℃左右時(shí)達(dá)到最大;(2)H元素主要遷移到殘?jiān)�、焦油、化合水、CH4、H2中,其中無煙煤中a(H,殘?jiān)?和a(H,H2)最大,其遷移方程分別為:y=-0.1725x+179.09,y=0.1237x-63.067;煙煤中a(H,焦油)最大,遷移方程為:y=-4E-09x4+1E-05x3-0.0126x2+5.9058x-999.05;褐煤中a(H,化合水)和a(H,CH4)最大,其遷移方程分別為:y=6E-08x3-0.0004x2+0.4065x-101.71,y=0.0528x-17.602;對(duì)于a((H,烴類氣體)來說,煤階越高,側(cè)鏈、橋鍵和低分子化合物等基團(tuán)減少,導(dǎo)致煙煤中a((H,烴類氣體)較小;對(duì)于a((H,含S/N氣體)來說,熱解溫度越高,煙煤中膠粘體的透氣性越差,氣體擴(kuò)散阻力越大,氣體將發(fā)生二次熱解反應(yīng)而使煙煤中a((H,含S/N氣體)減小。(3)O元素主要遷移到殘?jiān)突纤?煙煤的a(O,化合水)最大,遷移方程為:y=0.0338x+35.221;而褐煤的a(O,殘?jiān)?最大,遷移方程為:y=0.0003x2-0.544x+217.22;而N和S元素主要遷移到殘?jiān)?褐煤的a(N,殘?jiān)?最大,無煙煤的a(s,殘?jiān)?最大,遷移方程分別為:y=5e-05x2-0.0924x+128.57,y=0.0004x+98.95。2、在煤炭地下氣化模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以烏蒙褐煤、新疆長焰煤和鄂莊煙煤為研究對(duì)象,研究了空氣、富氧-co2、富氧-水和富氧連續(xù)氣化工藝中的“三區(qū)”擴(kuò)展過程,同時(shí)分別比較了氣化通道結(jié)構(gòu)、注氣方式和氣化劑組成對(duì)“三區(qū)”比例的影響,結(jié)合“三區(qū)”比例對(duì)出口煤氣組分的影響規(guī)律,建立了以“三區(qū)”比例來表征的碳轉(zhuǎn)化控制方程,并計(jì)算控制常數(shù)η。研究結(jié)果表明:(1)通過驗(yàn)證“三區(qū)”比例的變化與出口煤氣組分的變化之間的關(guān)聯(lián)性,不同煤種氣化過程中合理的“三區(qū)”溫度范圍為,對(duì)于烏蒙褐煤和新疆長焰煤:氧化區(qū)(900℃)、還原區(qū)(600-900℃)和干餾干燥區(qū)(300-600℃),對(duì)于鄂莊煙煤:氧化區(qū)(1200℃)、還原區(qū)(600-1200℃)和干餾干燥區(qū)(200-600℃);(2)空氣、富氧-co2、富氧-水和富氧連續(xù)氣化工藝中碳轉(zhuǎn)化控制常數(shù)η與氧化區(qū)比例(x)之間的關(guān)聯(lián)式分別為:η=5.2358x2-32.528x+60.551、η=0.2983x-5.9551(自由通道)和η=-0.0914x+4.6132(滲流通道)、η=-0.1084x+5.932(后退式)、η=0.0005x2-0.0761x+4.8828,相應(yīng)地,η的變化范圍分別為9.99~38.87、1.95~2.32(自由通道)和2.51~3.02(滲流通道)、2.06~4.21(后退式)、2.7~3.06;(3)與自由通道的壁面氣化過程相比,滲流通道的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)增大了氣化劑與煤層的對(duì)流傳質(zhì)速率,與滲透式氣化過程相比,富氧-水(dcra)氣化工藝采用后退注氣點(diǎn)的方法,增大了火焰工作面的氧氣濃度,提高了反應(yīng)區(qū)溫度,使“三區(qū)”比例更合理,因此后退式氣化工藝的氣化效果最好,滲流通道次之,自由通道最差。當(dāng)氣化劑的氧氣濃度為65%時(shí),各氣化工藝的氧化區(qū)比例和η均在相近的變化范圍內(nèi),氣化過程可以穩(wěn)定地輸出中高熱值煤氣。3、煤炭地下氣化過程具有“長通道”的特點(diǎn),有利于進(jìn)行放熱反應(yīng),同時(shí)頂板涌水使氣化通道中水蒸氣濃度高,而且灰渣中堿金屬及其氧化物對(duì)水煤氣變換反應(yīng)具有催化性能,使氣化通道中存在水煤氣變換過程。在煤炭地下氣化模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,主要討論了富氧-co2(滲流通道)和富氧-水氣化工藝中產(chǎn)生的灰渣對(duì)變換反應(yīng)的催化性能,并通過出口煤氣組分求解kp,然后以氣化通道末端溫度tp為中間變量,將“三區(qū)”比例與kp進(jìn)行關(guān)聯(lián),獲得kp與氧化區(qū)比例和還原區(qū)比例之間的關(guān)聯(lián)式。研究結(jié)果表明:(1)受氣化劑組成的影響,富氧-co2氣化后的煤灰催化效果明顯優(yōu)于富氧-水氣化后的煤灰,氣化過程中,氣化劑組成改變了灰渣的表面的孔隙結(jié)構(gòu),導(dǎo)致在固定床催化反應(yīng)器中,富氧-co2氣化后的煤灰(2#)所產(chǎn)生的co和h2可以同步脫附,而富氧-水氣化后的煤灰(1#)所產(chǎn)生的h2滯后于co;同時(shí)2#煤灰催化效果明顯優(yōu)于1#煤灰,co的轉(zhuǎn)化率分別為72.46%和30%;(2)在富氧-co2氣化和富氧-水氣化工藝中,kp的平均值分別為3.3和1.5,而富氧-水氣化工藝采用后退注氣點(diǎn)的方式供風(fēng),富氧-水氣化過程中氣化通道溫度偏高,導(dǎo)致kp較小;水煤氣變換反應(yīng)的起始溫度大于400℃;在富氧-co2和富氧-水氣化工藝中,kp與氧化區(qū)、還原區(qū)之間關(guān)聯(lián)式分別為:4、當(dāng)?shù)叵職饣^程中存在頂板涌水時(shí),涌水吸收熱量后導(dǎo)致氣化反應(yīng)區(qū)溫度場(chǎng)重新分布,使“三區(qū)”比例發(fā)生變,其中αox決定了氣化工作面的熱量輸出狀態(tài),αox/αred反映了氣化工作面的能量需求和供應(yīng)狀態(tài),在一定涌水量下必須使αox和αox/αred在合理范圍內(nèi),才能保證氣化過程穩(wěn)定進(jìn)行。在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上,討論了富氧-co2和富氧-水氣化過程中,當(dāng)氣化過程穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),涌水量對(duì)“三區(qū)”擴(kuò)展過程的影響,獲得涌水量與“三區(qū)”比例的關(guān)聯(lián)式,進(jìn)而計(jì)算相應(yīng)的η和kp。研究結(jié)果表明:(1)隨著涌水量的增大,當(dāng)氣化過程穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),在富氧-co2氣化工藝中,氧化區(qū)比例保持在10.79%~18.96%之間,相應(yīng)地,還原區(qū)比例/氧化區(qū)比例(αox/αred)將在2.26~3.72之間,而在富氧-水氣化工藝中,氧化區(qū)比例保持在21.82%~31.99%之間,相應(yīng)地,還原區(qū)比例/氧化區(qū)比例(αox/αred)將在1.58~2.49之間;同時(shí),涌水對(duì)富氧-水氣化工藝中氧化區(qū)比例影響較小,出口煤氣熱值和氣化過程穩(wěn)定性均較高;富氧-co2中,涌水量與“三區(qū)”比例的關(guān)聯(lián)式為:αox=0.8683x2-15.143x+76.743,αox/αred=-0.2107x2+3.8614x-13.965;dcra氣化工藝中:αox=-0.4589x2+8.8913x-12.056,αox/αred=0.1658x2-3.0004x+14.643。(2)與富氧-co2氣化工藝相比,dcra氣化工藝中的涌水過程對(duì)氧化區(qū)的氧化強(qiáng)度的影響較小,使氧化區(qū)比例較大,可以保證氣化反應(yīng)要求的發(fā)生溫度,同時(shí)還可以有效地控制氧化區(qū)的擴(kuò)展速率,使αox/αred將在1.58~2.49之間波動(dòng),確保還原區(qū)對(duì)能量的要求不超過氧化區(qū)的最大負(fù)載,進(jìn)而dcra氣化工藝輸出的煤氣熱值較高,氣化過程穩(wěn)定性高,持續(xù)的氣化時(shí)間較長,氣化效率較高。5、煤炭地下氣化物料和能量平衡模型是采用mvc架構(gòu),基于vs2013的視圖—文檔結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的一款桌面應(yīng)用程序,以nosql技術(shù)存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)和模型文件,架構(gòu)簡(jiǎn)單,以matlab為計(jì)算平臺(tái),運(yùn)行速度快;將該模型應(yīng)用于烏蒙褐煤的富氧-co2氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定模型試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的涌水量,再計(jì)算平衡模型中所需的“三區(qū)”比例、η和kp,并選擇600℃下褐煤的元素遷移比例,最后將上述參數(shù)輸入物料與能量平衡模型中進(jìn)行計(jì)算,除CH4以外,煤氣中有效組分的濃度和熱效率的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的誤差20%,吻合度較高,具有較高的計(jì)算精度和實(shí)用價(jià)值。
[Abstract]:The underground coal gasification process of oxidation zone, reduction zone and dry distillation zone (zone three) combined with the balance and the distribution characteristics of ground coal gasification system model, established the model of underground coal gasification materials and energy balance. Through pyrolysis experiments of different coals and different temperatures, a transport equation of each element with the pyrolysis process; through the different gasification channel, gas injection, water inflow and underground gasification gasification agent under the model test, to study the influence of three areas in proportion to the outlet gas composition, verify the "reasonable three areas" of the temperature range to obtain the control equation of the gasification reaction of carbon in the "three areas" proportion to characterize the transformation of the control equation and the water gas shift reaction and control constant; the development of material and energy balance of underground coal gasification process calculation software for underground coal gasification field test calculation show ,璇ユā鍨嬪湪棰勬祴鍑哄彛鐓ゆ皵緇勫垎鍜岀儹鏁堢巼鏂歸潰,鍏鋒湁杈冮珮鐨勮綆楃簿搴﹀拰瀹炵敤浠峰，

本文編號(hào)：1408553