常压干煤粉强旋转气流床气化技术试验与模拟研究
发布时间：2020-07-13 03:23
【摘要】：当前我国煤化工行业中存在着诸多采用常压固定床气化技术的中小型化工企业,其产能落后,污染严重,急需升级改造。加压煤气化技术虽日趋成熟,但设备投资极大,运行维护费用高,中小型化工企业难以承受。常压气流床煤气化技术具有投资成本低、效率与环保性兼顾的特点,是中小型煤化工企业设备升级的最优选择。本文提出了一种常压干煤粉强旋转气流床气化技术,并对造气量30000Nm3/h的气化工艺主要单元进行设计。利用实验室单相试验、气固两相试验、数值模拟和工业试验的方法对常压干煤粉强旋转气流床气化炉内流动及气化特性进行研究,对炉内水冷壁渣层热应力的变化进行模拟。并根据工业试验结果,提出该气化工艺主要单元的优化方案。目前优化方案的相关设备已安装完毕,尚未进行热态调试。采用热重实验对气化炉设计煤种-三星煤的气化反应动力学进行研究,确定其为可供气化用煤种。在气化炉平衡模型的基础上,考虑炉内辐射传热计算,提出一种考虑水冷壁吸热的气流床气化炉热力计算方法。利用该方法,完成一台造气量30000Nm3/h的常压干煤粉强旋转气流床气化炉的结构设计。采用飘带示踪法、水膜示踪法以及三维激光相位多普勒测速仪对炉内流动特性进行研究,得出了不同炉体给气化剂比例对于炉内流场的影响规律。试验表明:炉内产生了稳定的中心回流区,回流区偏离筒体中心,不同水平截面上中心回流区的面积随炉体给气化剂比例的减小而减小。贴壁流动的气流在炉内的行程随炉体给气化剂比例的减小而显著缩短。高速旋转气流集中于近壁面区。在第二只炉体给气化剂喷嘴中心及以下截面上,颗粒体积流量峰值出现在近壁面区,中心回流区内颗粒体积流量较低。采用数值模拟方法研究不同氧煤比下气化炉内的燃烧及气化特性。计算表明:温度分布呈现壁面高,中心低的特点,炉体给气化剂喷嘴区附近壁面最高温度约3000K。煤粉的燃烧反应主要发生在上部炉壁上,气化反应主要发生在高温区内边沿附近。对造气量30000Nm3/h的常压干煤粉气流床气化工艺进行工业试验。试验表明:(1)气化炉排渣顺畅,合成气中有效气成分较高,但炉内上部壁面温度较高,SiC层及销钉烧损严重。(2)废热锅炉主要运行参数接近设计值,炉内未见结渣与积灰,运行稳定。(3)粉煤仓、锁斗与给料罐的设计以及旋转阀的选用存在问题。对常压干煤粉强旋转气流床气化炉渣层热应力的变化进行模拟研究。计算表明:渣层内部等效热应力随着温度降低逐渐升高,并在渣层内部呈连续性分布;在降温过程中,渣层受拉应力影响;在初始液-固界面附近,第一主应力分布曲线上出现峰值(72MPa),表明在该位置最有可能出现裂纹。根据工业试验结果,提出煤粉加压及输送、气化炉及废热锅炉单元的优化方案,并对优化后的气化炉进行单相冷态试验及数值模拟研究。单相冷态试验结果表明:气化炉内流场可以分为上部返混区、上部折射区、水平射流区、中心切圆区、下部折射区以及下部返混区。数值计算表明:煤粉与气化剂反应主要发生在射流边缘,炉内高温区主要集中在喷嘴射流所形成的切圆附近;出口温度为1602K,满足赛蒙特尔煤液态排渣的要求;有效气成分(CO+H2)达到89.1%。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK229.66
【图文】：
煤气化是指将煤与气化剂（空气．、0２、ｈ２ｏ以及ｃｏ２等）在定的温度和逡逑压力下进行反应，使煤中的可燃组分转化成煤气（ＣＯ、Ｈ２以及ＣＨ４等）的过逡逑程［１１，１２］。煤气化过程一般认为可分为两步：首先是煤在加热过程中热解，脱除逡逑挥发分后生成煤焦；其次是煤焦与气化剂反应气化反应，生成煤气。逡逑热解是煤炭的热化学转化过程中的第 ？步，可以被描述为：煤中的机基质逡逑发生热降解，并获得一系列固体，液体和气体产物的过程［１３］。热解过程会影响逡逑煤焦的孔隙率以及表面形貌，进而影响到煤焦的反应活性［１４］。煤焦的形成过程逡逑要远快于其气化反应过程，因此普遍认为煤碳的气化反应主要受煤焦的气化反逡逑应影响［１５］。逡逑煤气化反应的详细历程如下：逡逑（１）煤炭的热解过程逡逑在该阶段中，随温度的升高，媒碳最终出现挥发分释放，只残存丰焦与焦逡逑炭的现象。ｔ般认为煤碳的热解过程可分为如下三个部分［１２，１６，１７］：逡逑（ｉ）煤炭干燥脱吸附阶段（室温￣３００°Ｃ）逡逑该阶段煤炭的反应历程如图１－１所示》逡逑
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本文编号：2752887
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK229.66
【图文】：
煤气化是指将煤与气化剂（空气．、0２、ｈ２ｏ以及ｃｏ２等）在定的温度和逡逑压力下进行反应，使煤中的可燃组分转化成煤气（ＣＯ、Ｈ２以及ＣＨ４等）的过逡逑程［１１，１２］。煤气化过程一般认为可分为两步：首先是煤在加热过程中热解，脱除逡逑挥发分后生成煤焦；其次是煤焦与气化剂反应气化反应，生成煤气。逡逑热解是煤炭的热化学转化过程中的第 ？步，可以被描述为：煤中的机基质逡逑发生热降解，并获得一系列固体，液体和气体产物的过程［１３］。热解过程会影响逡逑煤焦的孔隙率以及表面形貌，进而影响到煤焦的反应活性［１４］。煤焦的形成过程逡逑要远快于其气化反应过程，因此普遍认为煤碳的气化反应主要受煤焦的气化反逡逑应影响［１５］。逡逑煤气化反应的详细历程如下：逡逑（１）煤炭的热解过程逡逑在该阶段中，随温度的升高，媒碳最终出现挥发分释放，只残存丰焦与焦逡逑炭的现象。ｔ般认为煤碳的热解过程可分为如下三个部分［１２，１６，１７］：逡逑（ｉ）煤炭干燥脱吸附阶段（室温￣３００°Ｃ）逡逑该阶段煤炭的反应历程如图１－１所示》逡逑
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本文编号：2752887
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