三塔式循环流化床中气化单元内流动、分离和反应过程的研究

发布时间：2020-03-31 10:17

【摘要】：因为循环流化床(CFB)具有较高的气固接触效率、加强了传热传质性能,所以在燃烧、气化、催化裂化等化工过程中被广泛应用。然而,在传统的CFB气化炉中,热解过程和气化过程发生在同一个反应器中,热解所产生的焦油、轻质烃类气体和氢气严重阻碍了半焦的气化。为了保持催化剂的活性,提高半焦的气化效率,热解过程和气化过程应被分开。基于这个理念,Tsutsumi等人提出了三塔循环流化床(TBCFB)的新概念。TBCFB主要由下行床(热解器)、鼓泡流化床(BFB)(气化炉)和提升管(燃烧器)组成。在TBCFB中,首先,煤在下行床热解器中快速热解,然后,产生的气体和焦油通过气体分离器与半焦分离。随后生成的半焦进入BFB气化炉进行水蒸气气化。未反应的半焦从BFB流出,进入提升管燃烧器,在氧气的作用下燃烧,将燃烧所生成的热量传递给载热颗粒。大量的热载体颗粒在系统中循环,将热量从提升管中携带到下行床和鼓泡床,用于煤炭热解和半焦气化。为了能够高效利用提升管中碳燃烧所产生的热量,在整个循环过程中,系统必须在高固体颗粒循环通量的条件下运行。本文中,通过欧拉-欧拉双流体模型耦合拉格朗日离散相模型(作为示踪颗粒)的方法,模拟高密度高循环通量连续进/出料的鼓泡流化床内气固两相流动行为,分析颗粒动量并优化进料管位置和直径。发现了从入口到出口的特殊U形流和双旋涡流动轨迹。从数据结果来看,通过进料管的优化可以实现延长物料停留时间并将循环通量提高到1200 kg/m~2。颗粒在下行床中受重力和载气曳力的作用下迅速下降,停留时间极短,这就导致会存在部分颗粒,未发生完全的热解反应就进入鼓泡床,阻碍鼓泡床中的气化反应。于是在下行床出口位置设置变径,通过缩小直径来提高固含率形成移动层,使下行床中未完全反应的煤颗粒在该移动层中继续热解。通过对变径位置以及连接鼓泡流化床和下行床的惯性快速气固分离器中气固两相流动的模拟,探索该部分的最佳结构,以实现形成固含率大于0.4的高固相浓度移动床,强化传热传质性能,保证煤颗粒完全热解。钙基高硫煤共热解焦在使用过程中可以使大多数硫元素以固体CaS的形式转移至灰分中,可减少污染物硫化物的排放。以钙基高硫煤共热解焦为原料进行气化实验,采用水蒸气作为气化介质,此方法可在常压下获得高热值、高附加值的合成气,具有较高的研究价值。本研究通过使用可视化流化床反应器对钙基高硫煤共热解焦水蒸气气化进行了详细的基础研究,并利用欧拉-欧拉-欧拉-拉格朗日多相流的方法对停留时间进行了考察。主要考察了气化温度、水蒸气与焦的质量比两个因素对气化的影响,探索最佳的操作条件。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ541

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