移动床循环灰热载体煤热解模拟与工艺开发

发布时间：2020-08-17 10:22

【摘要】：目前煤炭主要用于直接燃烧,存在利用效率低和环境污染严重等问题。基于循环流化床(CFB)锅炉的多联产工艺采用CFB锅炉排出的循环灰作为热载体对煤进行低温热解,获得煤气和焦油;热解炉中的半焦和循环灰返回CFB锅炉继续燃烧发电,实现了热、电、油和气的联合生产。本文就固体热载体煤热解工艺中的一些技术问题和基本科学规律展开研究。考察了不同灰/煤放置方式、灰煤比、灰组成、灰粒径和升温速率等操作参数对煤热解挥发分二次催化的影响;开展高硫煤在热解/燃烧双阶段实验研究,考察了热解条件和外加矿物质对产物中硫分布和形态的影响,对热解半焦在燃烧过程中硫的二次释放进行研究;结合煤热解动力学研究同时充分考虑移动床中的传热机制,建立了具有工业应用价值的循环灰热载体煤热解-传热-反应二维数学模型;将C.Tien等人的模型应用于小试规模的颗粒床连续除尘实验,预测了颗粒床滤料性质、滤料直径、过滤料层高度和过滤气速等对粉尘捕集效率的影响;将镍基催化剂作为颗粒床滤料,考察了镍基催化剂优化的工艺条件、稳定性、再生性以及粉尘沉积对催化剂活性的影响;对煤焦油的分级冷凝进行了初步探索。通过对以上几方面的研究,主要得到以下结果:1.灰煤比越大、循环灰中Fe203含量越高、循环灰粒度越小、煤阶越低时煤热解挥发分受到的二次催化作用越显著。循环灰会增加热解气体产率,使热解气相产物中H2产率明显降低、CO2和C2+增加。循环灰的增加虽然使焦油的产率有所降低但焦油品质会得到改善。循环灰对煤的慢速和快速热解产生的挥发分具有相似的二次催化作用。循环灰能促进焦油中碳数≥26的组分裂解,从而使≤C25的组分不断增加。另外,循环灰不仅对沥青中含氧、含氮、含硫键的裂解有积极促进作用,还能催化烯烃聚合反应以及提高焦油饱和度。2.迁移到气相的硫随热解温度的升高和煤粒径的减小而增多。石英砂与煤的质量比和升温速率对硫的分布几乎没有影响。CaO在煤热解挥发分析出过程中不仅能与气相含硫化合物发生反应,同时对焦油中的S也能起到一定的脱除作用,Fe203在煤热解过程中主要影响气相S至固相S的迁移,MgO、NaOH和KOH等金属氧化物添加剂没有表现出明显的固硫作用。CaO和Fe2O3添加剂都抑制了热解过程中原煤硫酸盐硫的分解和热解固相产物燃烧时SO2的释放,且CaO的抑制作用显著强于Fe2O3。从热解/燃烧分级转化整体的角度看,在热解阶段CaO的固硫效果虽然低于Fe203,但是在燃烧阶段二者的固硫产物CaS比FeS更倾向于生成稳定的硫酸盐从而被固定在灰渣中。3.移动床固体热载体煤热解数学模型不仅可以预测热解气-循环灰-煤颗粒沿热解炉床层高度的温度分布,而且可以预测总挥发分和主要挥发分产物的逸出。模型计算结果表明,大颗粒煤的热解脱挥发分过程滞后于其升温过程。减小煤颗粒和灰颗粒的粒径以及提高灰煤比、移动床层速度、煤颗粒的预热温度和循环灰的初始温度都可以加快热解脱挥发分过程。煤热解挥发分的析出主要集中于床层高度0.08～0.24m,工业循环灰热载体移动床反应器中停留时间设计为3～4min是合理的。结合不同煤样的动力学研究,该模型能够对不同煤种热解脱挥发分行为的预测。由于烟煤具有较大热解活化能,其脱挥发分所需的理论床层高度高于褐煤。4.粒径为0～20μm的粉尘很难被颗粒床捕捉。从整个多联产过程来看,半焦作为颗粒床滤料由除尘器排出后可直接加入循环流化床燃烧炉作为锅炉燃料,省去了滤料的再生过程。由于焦油吸附的粉尘易于粘附在滤料介质表面,过滤效率的预测值略低于实验值,C.Tien的初始过滤效率模型预测结果可以作为滤料介质种类和颗粒床设计参数的选择依据。添加助剂Ce/Zr的镍基催化剂作为颗粒床除尘介质时,催化剂的活性、稳定性和再生性能得到显著改善。模拟真实煤热解挥发分含尘环境时,无论是粉尘中的惰性组分还是活性金属氧化物,其沉积时均会覆盖催化剂表面的部分活性中心。引入粉尘后,催化剂表面的C/A1的比值递减顺序为Si02BlankMgOFe203,这与气体产物产率顺序一致。5.煤热解挥发分的冷凝是一个非常复杂的物理相变过程,与冷凝温度和挥发分组成密切相关。当挥发分出口温度大于某一馏分的露点时,该馏分仍有可能冷凝。煤焦油的分级冷凝时,焦油中沥青质的质量分数可达90.99wt%。轻油最高含量可达82.21wt%。随着各级挥发分出口温度的降低,第1级焦油中富集的轻油、酚油、萘油逐渐增多,沥青逐渐减少。酚油和萘油逐渐向第2级富集,第4级冷凝器中的轻油含量显著得到改善。第1、2、3、4级挥发分出口温度分别为360℃、230℃、170℃、0℃时,其相对含量最高的组分分别为蒽、3,5-二甲基苯酚、萘和甲苯。随着冷凝器温度的逐级降低,单环芳烃的相对含量由8.05wt%显著增加至54.00wt%,多环芳烃的相对含量由52.41wt%减少至15.22wt%。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ530.2
【图文】：

示意图,多联产系统,热解,煤热解

期望获得大量中值煤气、电能及蒸汽。逡逑１．２．３邋ＣＦＢ燃烧／煤热解耦合多联产技术研究现状逡逑如图１．１所示，ＣＦＢ燃烧／煤热解耦合多联产Ｉ：艺屮，ＣＦＢ锅炉存在大景高温逡逑热灰（８５０？９５０°Ｃ），将这部分热的循环灰作为Ｎ体热载体对煤热解提供热量，煤逡逑热解析出煤气和焦油，热解半焦与循环热灰㈣T被送入ＣＦＢ锅炉燃烧室继续燃烧逡逑发电，实现了热、电、油、气的多联产［２８１。ＣＦＢ燃烧／煤热解耦合多联产工艺克服逡逑了传统固体热载体煤热解工艺的热效率低和半焦利用价值低等缺点。逡逑５逡逑

干馏器,输送阀,煤气计量,动力经济

将５种烟煤和褐煤分别开展了实验。此后，济南锅炉厂又联合其他单位（北逡逑京水利电力经济研究所等）于１９９５年在吉林省辽源市合作搭建了千馏煤处理量逡逑６．５ｔ／ｈ邋（占锅炉总耗煤量的８０％）的三联产装置（如图１．２所示），并进行了工业逡逑性试验［３（）］。试验结果表明，热解煤气质量较好，热值？１６ＭＪ／Ｎｍ３，其中ＣＯ含量低逡逑于１０％。２０世纪９０年代末，济南锅炉厂又设计并完成了煤处理量７５ｔ／ｈ的三联产逡逑装置。其中，热灰的循环采用双回路，一路引入热解炉作为固体热载体对煤供热，逡逑另一路则直接返回ＣＦＢ锅炉。此设计的作用是当热解系统停止工作时锅炉可正常逡逑运行，而且可对进入热解炉的循环热灰量实施调节，以保证热解原煤时的热量平逡逑衡。由于该工艺中热解半焦需要经过绞龙向上输送回ＣＦＢ燃烧室内

示意图,煤斗,旋风分离器,分离器

一次鼓风＿逡逑逦？逡逑图１．３循环流态化碳氢固体燃料的四联产工艺流程示意图逡逑１－煤斗；２－混合器；３－固体进料阀；４－下行管；５－快速气－固分离器；６－快速冷凝器；７－回料阀；逡逑８－快速流化床燃烧器；９－旋风分离器；１０－灰斗；１１－泵逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ＣＦＢ邋ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ邋ｆｏｕｒ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑１－Ｃｏａｌ邋ｆｅｅｄｅｒ；邋２－Ｍｉｘｅｒ；邋３－Ｓｏｌｉｄ邋ｖａｌｖｅ；邋４－Ｄｏ＼ｖｎｃｏｍｃｒ；邋５－Ｒａｐｉｄ邋ｇａｓ－ｓｏｌｉｄ邋ｓｅｐａｒａｔｏｒ；邋６－Ｒａｐｉｄ逡逑ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ；邋７－Ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ邋ｖａｌｖｅ；邋８－Ｆａｓｔ邋ｔｌｕｉｄｉｚｅｄ邋ｂｕｒｎｅｒ；邋９－Ｃｙｃｌｏ

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