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(guó)動(dòng)力用煤具有高灰分、高灰熔點(diǎn)的“雙高”特點(diǎn),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(guó)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(fèi),嚴(yán)重限制了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的大規(guī)模推廣及運(yùn)用。開發(fā)出適合我國(guó)高灰熔點(diǎn)煤種的干排渣氣流床氣化技術(shù),對(duì)實(shí)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(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)高灰熔點(diǎn)煤焦加壓條件動(dòng)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(shí)驗(yàn)、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(jìn)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(duì)典型的高灰熔點(diǎn)煤焦——老礦精煤煤焦氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究,考察氣化溫度、氣化壓力、反應(yīng)氣濃度對(duì)煤焦氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響,并結(jié)合阿累尼烏斯方程、n級(jí)方程和未反應(yīng)縮核模型,提出高灰熔點(diǎn)煤焦-H_2O/CO_2氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合外擴(kuò)散的影響因素,建立適用于廣泛溫度的煤焦氣化反應(yīng)動(dòng)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(duì)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(xiàng)的未反應(yīng)縮核模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得到的平均本征活化能和平均n級(jí)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(shí)驗(yàn)臺(tái)以及相應(yīng)的一維動(dòng)力學(xué)模型。實(shí)際考察了O/C摩爾比、有無二段供氧等對(duì)高灰熔點(diǎn)煤氣流床氣化結(jié)果的影響;一維動(dòng)力學(xué)模型采用了高灰熔點(diǎn)煤動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí)驗(yàn)的氣化溫度、碳轉(zhuǎn)化率、有效合成氣成分均會(huì)有所提升;當(dāng)O/C摩爾比大于0.95之后,兩段供氧實(shí)驗(yàn)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(shí),高出的值逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)O/C摩爾比為1.1時(shí),二段供氧比例為10%,取得有效合成氣(CO+H_2)摩爾分?jǐn)?shù)為80.17%,碳轉(zhuǎn)化率為93.24%,且二段供氧時(shí)的H_2的含量高于無二段供氧實(shí)驗(yàn)組取得實(shí)驗(yàn)值。一維動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,各項(xiàng)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(shí)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(shí)驗(yàn)臺(tái)以及相應(yīng)的二維數(shù)學(xué)模型。實(shí)際考察了O/C摩爾比、二段供氧(H_2O)比例和煤種等對(duì)氣化效果的影響,并采用模擬軟件對(duì)幾組實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)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(huì)有所提升;相同O/C摩爾比時(shí),隨著二段供氧比例的提升,H_2的摩爾分?jǐn)?shù)增加,CO的摩爾分?jǐn)?shù)先增加后減小,CO_2的摩爾分?jǐn)?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(shí)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)值的絕對(duì)誤差不超過±1.65%,但反應(yīng)溫度的模擬與實(shí)驗(yàn)值相差較大。此外,本文研究認(rèn)為,對(duì)于高灰熔點(diǎn)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(jì)算了燃用高灰熔點(diǎn)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(duì)氣化效果的影響。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(duì)高灰熔點(diǎn)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(jì)此時(shí)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(dá)到94.96%,煤顆粒平均停留時(shí)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(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TQ546
【部分圖文】：

圖 1-2 中國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量分布圖Fig.1-2 Distribution of coal reserves in China中國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，也是第二大能源生產(chǎn)國(guó)和消國(guó)能源儲(chǔ)藏結(jié)構(gòu)不均，對(duì)外依存度很大，隨著我國(guó)中長(zhǎng)期社會(huì)發(fā)步加快，未來將面臨嚴(yán)重的資源供應(yīng)瓶頸和環(huán)境約束。截止至 2化率將達(dá)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(fèi)是農(nóng)村居民的 3 倍計(jì)算，這將導(dǎo)致我國(guó)一次能源消費(fèi)炭資源是我國(guó)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(yán)重污染環(huán)境，威脅人們身體健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guó)顯示，全國(guó)酸雨及污染程度逐年加劇[5]。近年來，隨著國(guó)家政大眾逐漸認(rèn)識(shí)到環(huán)境惡化所帶來的嚴(yán)重?fù)p失，國(guó)家對(duì)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(shì)分析，能源與環(huán)境已經(jīng)成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)問題，加強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)[20-23]。但是，因問題，使得噴嘴運(yùn)行周期大約在 2 個(gè)月左續(xù)運(yùn)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(jìn)料，上端為燃燒-氣化室，下端為激冷布置 4~8 個(gè)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(jìn)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(dòng)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(jìn)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(zhǎng)[29]。GSP 氣化氣化對(duì)燃料的適應(yīng)性好，氣化效率高，可達(dá) 99.6%，投資及運(yùn)行成本較低，兼exaco 和 Shell 氣化爐的優(yōu)點(diǎn)，是一種有廣闊發(fā)展前景的氣化技術(shù)[30,31]。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2864040