【摘要】：現(xiàn)有的氣流床氣化爐普遍存在流場(chǎng)分布不合理、固體停留時(shí)間過短、操作負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍小等缺陷。為解決上述缺點(diǎn)提高氣化爐效率,本研究在水煤漿流化床的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新爐型——Y型煤粉氣化爐。該爐型采用爐頂單通道沫狀流的下行噴射結(jié)構(gòu)與爐側(cè)單通道沫狀流噴嘴的微旋流水平噴射結(jié)構(gòu)氣速的耦合以及優(yōu)化新排布撞擊區(qū)和回流區(qū)的位置,使得其不僅具有目前氣流床氣化爐高效率的優(yōu)點(diǎn),而且降低了噴嘴的磨損率,克服了爐內(nèi)流場(chǎng)分布不合理的缺點(diǎn),增加了煤漿半焦在爐內(nèi)的停留時(shí)間,促進(jìn)了爐內(nèi)的湍流流動(dòng),使煤漿和氣化劑的熱質(zhì)傳遞和反應(yīng)更充分;針對(duì)氣化爐中氣化反應(yīng)過程的第一步——熱解反應(yīng),選用五種不同煤階的原煤及其化學(xué)族組成開展高溫快速熱解實(shí)驗(yàn)研究,并結(jié)合熱重-在線紅外(TG-FTIR)和快速裂解聯(lián)用氣相色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)(Py-GC/TOF-MS),在線監(jiān)測(cè)了快速升溫下煤高溫?zé)峤獾妮p質(zhì)氣相產(chǎn)物的組成;利用 Model free 動(dòng)力方法中的 Friedman 和 Flynne-Walle-Ozawa(FWO)模型開展了不同煤種的高溫快速熱解動(dòng)力學(xué)方法,同時(shí)利用Coats-Redfern單反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型同時(shí)分析了反應(yīng)的指前因子和反應(yīng)活化能,尋找最可然反應(yīng)機(jī)理;針對(duì)煤高溫快速熱解產(chǎn)物的氣化過程,將揮發(fā)分氣化產(chǎn)物分為烷烴、環(huán)烷烴、芳烴、含硫化合物、含氯化合物、含氮化合物,取其中的代表性物質(zhì)以及熱解半焦,進(jìn)行氣化機(jī)理探討。對(duì)新爐型利用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)和反應(yīng)轉(zhuǎn)化模擬計(jì)算,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Y型煤粉氣化爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化,得到流場(chǎng)和反應(yīng)結(jié)果較為理想的氣化爐爐型,并在此基礎(chǔ)優(yōu)化,確定了最佳操作參數(shù)。通過以上方面的研究,主要結(jié)論如下:1.濟(jì)寧粘結(jié)性煙煤粒度越小,熱解失重越困難,越不利于烴類揮發(fā)性氣相產(chǎn)物(甲烷、C2+烷烴、乙烯和輕質(zhì)芳烴)逸出。而伊春高揮發(fā)性煙煤熱解過程隨粒度變小而呈現(xiàn)出與濟(jì)寧煙煤相反的趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)熱解過程升溫速率與Tin、Tmax、Tf三個(gè)特性參數(shù)存在指數(shù)函數(shù)正相關(guān)的關(guān)聯(lián),Rmax和Di兩個(gè)代表熱解反應(yīng)速率的參數(shù)的值隨升溫速率增加而單調(diào)增長。CO2和CO等含氧氣相產(chǎn)物隨熱解進(jìn)行表現(xiàn)出三個(gè)階段逸出行為,甲烷和輕質(zhì)芳烴的生成分為兩個(gè)階段,而C2+烷烴和乙烯僅包含了一個(gè)逸出階段。熱解動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明,Model free方法的Friedman和FWO模型可以很好地描述不同粒度濟(jì)寧煤的熱解反應(yīng)過程,并且隨熱解反應(yīng)進(jìn)行表觀活化能呈增加趨勢(shì)。而利用Coats-Redfern動(dòng)力學(xué)方法擬合出的最可然反應(yīng)機(jī)理為二級(jí)化學(xué)反應(yīng)。利用Model free方法和Coats-Redfern單反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法所得熱解反應(yīng)表觀活化能的變化趨勢(shì)一致,反映出越小粒度組成濟(jì)寧煤熱解過程表現(xiàn)出更大的反應(yīng)能壘。2.在濟(jì)寧煤與其七種化學(xué)族快速熱裂解過程中揮發(fā)性物質(zhì)的生成量為飽和分芳香分輕膠質(zhì)重膠質(zhì)瀝青質(zhì)碳青質(zhì)原煤焦質(zhì)。濟(jì)寧煤與化學(xué)族快速熱裂解揮發(fā)性物質(zhì)中烷烴、酚類、酮類和醚類四個(gè)類型物種的相對(duì)含量都隨熱裂解溫度由500℃升高到1200℃而逐漸降低。烷烴主要由C3-C19直鏈和支鏈結(jié)構(gòu)組成,其中丙烷的含量最高。不同溫度下環(huán)烷烴/不飽和脂肪烴的碳數(shù)分布在3-18之間,且以C3-C9為主。芳烴化合物主要分布于C6-C15之間。酚類化合物主要分布于C6-C10之間。飽和分主要貢獻(xiàn)于熱裂解產(chǎn)物中烷烴和烯烴/炔烴兩個(gè)組分;芳香分主要貢獻(xiàn)于芳香烴的生成;輕膠質(zhì)熱裂解產(chǎn)物中酮類的含量最高;重膠質(zhì)可生成環(huán)烷/環(huán)烯烴;醚類物種在瀝青質(zhì)熱裂解產(chǎn)物中的量最多;碳青質(zhì)熱裂解產(chǎn)物中含氮化合物的相對(duì)含量最高;焦質(zhì)快速熱裂解生成的酚類物種含量最高;并且七種化學(xué)族對(duì)應(yīng)生成的最高相對(duì)含量組分的量也都高于原煤。3.提高制備半焦的升溫速率有助于增加半焦的孔隙率,但當(dāng)制備溫度高于900℃以后孔道坍塌使孔隙結(jié)構(gòu)降低。SEM觀測(cè)結(jié)果表明淮南煤半焦因富含孔隙結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)疏松,表面含有較多孔隙和裂隙;伊春煤半焦中的孔隙結(jié)構(gòu)稀少,其表面結(jié)構(gòu)致密。此外,XRD研究結(jié)果表明制備半焦的溫度越高其碳微晶結(jié)構(gòu)的堆積高度和晶面尺寸都逐漸增加。各煤質(zhì)半焦水蒸氣氣化反應(yīng)活性大小順序?yàn)榛茨狭P水伊春寬溝。低溫氣化時(shí)(800℃)隨制備半焦終溫增加氣化反應(yīng)活性減小,而1000℃氣化時(shí)則表現(xiàn)出相反趨勢(shì)。體積模型、未反應(yīng)縮合模型和隨機(jī)孔模型在不同程度上都能描述半焦的水蒸氣氣化反應(yīng)過程,但未反應(yīng)縮合模型的符合度最高。隨制備半焦的熱解終溫升高,氣化反應(yīng)表觀活化能也逐漸增加。4.Fluent的模擬結(jié)果表明,本研究的Y型煤粉氣流床氣化爐具有比較均勻的溫度分布、高溫區(qū)域范圍比例大以及較高的有效氣(H2+CO)含量。對(duì)于氣化爐速度場(chǎng)分布,隨著煤粉顆粒和氣化劑流股通過噴嘴射流噴入氣化爐內(nèi),軸向速度和旋流強(qiáng)度開始增大,物料撞擊區(qū)內(nèi)湍流加劇、擴(kuò)散加強(qiáng)、傳熱傳質(zhì)劇烈。對(duì)于爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布,是由煤粉顆粒與氣化劑發(fā)生劇烈的燃燒氣化反應(yīng)引起的,高溫區(qū)域主要在射流邊界和物流撞擊處,該區(qū)域存在渦流區(qū)和旋轉(zhuǎn)射流區(qū),旋轉(zhuǎn)射流和渦流使?fàn)t內(nèi)溫度分布均勻,增加了氣化爐有效反應(yīng)體積,同時(shí)也延長了半焦固體顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間。對(duì)于氣化爐內(nèi)合成氣組分濃度分布,CH4和C02主要在噴嘴射流區(qū)域生成,CH4主要是煤熱解過程產(chǎn)生的,CO2主要是煤粉和O2劇烈燃燒產(chǎn)生的,隨著氣化爐高度降低,二者濃度急劇降低,到氣化爐出口 CH4濃度基本為零,CO2約為6%(體積分?jǐn)?shù))。CO和H2在噴嘴出口處濃度較低,隨著氣化爐高度的降低,CO和H2的濃度迅速增加,這是由于在物料射流區(qū)和撞擊區(qū)煤粉顆粒與H20進(jìn)行劇烈的氣化反應(yīng)生成大量的CO和H2,而且由于爐內(nèi)旋流和渦流的存在使得爐內(nèi)CO和出濃度分布較為均一,兩者變化趨勢(shì)也非常相似,都是沿氣化爐高度降低而遞增,達(dá)到一定值后保持不變。
【圖文】：

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Ｐｒｅｈｅａｔｅｒ邐Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ逡逑邐ｒ邋ｇａｓ逡逑圖１．３鼓泡式反應(yīng)器逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｂｕｂｂｌｅ邋ｃｏｌｕｍｎ邋ｒｅａｃｔｏｒ逡逑ｓｉｒ：逡逑Ｉ——？逡逑■邐Ｃｙｃｌｏｎｅ逡逑＿邋Ｃｖｃ邋ｌｏｎｅ邋２逡逑邐邐１邋ｉ邋Ｉ邋Ｊ邋Ｊｌ逡逑Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ邐N逡逑＾邋＾邋＾逡逑Ｆｕｅｌ邋—＾邐￣ｉ邐%煎義襄危掊澹櫻幔睿溴危錚椋戾義希牽幔簀危懾澹哄義希校潁澹瑁澹幔簦澹蟈義希村危茫椋潁悖酰歟幔簦椋睿玨五義希紓幔簀義賢跡保囪肥椒從ζ麇義希疲椋紓澹保村澹茫悖歟邋澹潁澹幔悖簦錚蟈義希ǎ常┥帳捶從ζ麇義仙帳捶從ζ鰨ㄍ跡保擔(dān)┲腥冉庵饕覽翟鮮莧取叭芻�，其受到压力作泳捔x顯詵從ζ鞅諫喜取扒質(zhì)礎(chǔ)�，窂摩藗R仁苧沽�，加热钡a嬪仙鎦實(shí)南嘍運(yùn)馘義隙群頭從ζ鞅礱嫖露鵲撓跋�。窂摩器原联M＞兌罌矸�，但要呛V溆辛己沒靛義希保板義

本文編號(hào)：2664583