高灰熔点煤两段供氧气化基础研究

发布时间：2020-10-31 14:02

　　 大型气流床气化技术是当今煤气化技术的发展方向,是目前可预见范围内最有前途的煤转化技术,其高效、清洁及高兼容性受到电站电厂及煤化工行业的广泛关注。我国动力用煤具有高灰分、高灰熔点的“双高”特点,目前均采用添加助熔剂或提高气化温度的方式来满足Texaco等国外大型加压气流床煤气化技术液态排渣工艺需要,给企业带来极大的能源浪费,严重限制了该技术在国内的大规模推广及运用。开发出适合我国高灰熔点煤种的干排渣气流床气化技术,对实现大规模高效清洁气化的推广普及具有十分重要的意义。本文采用实验与数值模拟相结合的方法,对高灰熔点煤焦加压条件动力学参数、水煤浆/干煤粉两段供氧气流床气化气化特性实验、数值模拟以及工业化两段供氧干排渣加压气流床气化技术工艺进行了系统深入地研究。首先,采用改造后的Thermax 500加压热重分析仪,以H_2O/CO_2为气化剂,对典型的高灰熔点煤焦——老矿精煤煤焦气化反应动力学进行研究,考察气化温度、气化压力、反应气浓度对煤焦气化反应动力学的影响,并结合阿累尼乌斯方程、n级方程和未反应缩核模型,提出高灰熔点煤焦-H_2O/CO_2气化反应动力学模型,结合外扩散的影响因素,建立适用于广泛温度的煤焦气化反应动力学模型。研究结果表明,温度是影响气化反应速率最主要的原因,分压对气化反应速率的增益效果随着分压的提高而不断减弱,老矿精煤煤焦-H_2O的气化反应速率约是老矿精煤煤焦-CO_2的5倍左右。采用带有分压项的未反应缩核模型对实验结果进行分析,得到的平均本征活化能和平均n级系数分别为,226.23 kJ/mol和0.44(煤焦-CO_2气化反应),172.24 kJ/mol和0.54(煤焦-H_2O气化反应)。其次,建立了20kg/h水煤浆两段供氧干排渣气流床气化实验台以及相应的一维动力学模型。实际考察了O/C摩尔比、有无二段供氧等对高灰熔点煤气流床气化结果的影响;一维动力学模型采用了高灰熔点煤动力学参数,考虑了能量守恒方程、化学反应平衡、元素守恒、物质守恒等基本要素;并将模拟结果与实验结果进行对比、研究和分析。研究结果表明,随着O/C摩尔比的升高,无二段供氧和两段供氧气流床气化实验的气化温度、碳转化率、有效合成气成分均会有所提升;当O/C摩尔比大于0.95之后,两段供氧实验的气化效果开始优于无二段供氧的气化结果,具体包含合成气中的有效气体成分和碳转化率,同时,高出的值逐渐趋于稳定。当O/C摩尔比为1.1时,二段供氧比例为10%,取得有效合成气(CO+H_2)摩尔分数为80.17%,碳转化率为93.24%,且二段供氧时的H_2的含量高于无二段供氧实验组取得实验值。一维动力学模型能够较好的模拟水煤浆两段供氧干排渣气流床气化实验结果,各项参数的平均误差不超过1.6%,且利用该模型模拟最佳反应工况,可以获得气流床气化中的一些重要参数,如冷煤气效率为69.56%,比煤耗为594.82 kg/kNm~3,颗粒平均停留时间1.85s等。而后,改造并建立了~15kg/h干煤粉两段供氧干排渣气流床气化实验台以及相应的二维数学模型。实际考察了O/C摩尔比、二段供氧(H_2O)比例和煤种等对气化效果的影响,并采用模拟软件对几组实验工况进行数值模拟。研究结果表明,随着O/C摩尔比的升高,无二段供氧和两段供氧干煤粉气流床气化技术的气化温度、碳转化率、有效合成气成分均会有所提升;相同O/C摩尔比时,随着二段供氧比例的提升,H_2的摩尔分数增加,CO的摩尔分数先增加后减小,CO_2的摩尔分数先减小后增加,气化反应温度下降。综合考虑干排渣和气化结果的影响,最佳反应工况为O/C摩尔比为0.82,二段供氧比例为10%,此时获得的有效合成气组分为79.20%,碳转化率为92.04%。采用的二维模型能够有效的模拟出气化炉内的温度、压力、速度、湍流强度和各气体成分等的分布云图,能够有效说明二段供氧的作用,模拟的结果显示各合成气成分含量与实验值的绝对误差不超过±1.65%,但反应温度的模拟与实验值相差较大。此外,本文研究认为,对于高灰熔点煤两段供氧干排渣气流床气化过程,干煤粉供料方式适合于低供氧量、高CO含量的气化要求,水煤浆供料方式适合于高供氧量、高H_2含量的气化要求。最后,计算了燃用高灰熔点煤的840t/d水煤浆两段供氧干排渣加压气流床气化技术效果,模拟了不同一段/二段氧气比例、二段供氧中不同水蒸气/氧气(氧原子摩尔)比例对气化效果的影响。并在此基础上设计了两段供氧干排渣加压气流床气化工艺。研究结果表明,针对高灰熔点煤老矿精煤,使用两段供氧干排渣加压气流床气化技术,最佳的O/C摩尔比为1.13,一段/二段供氧比例(氧原子摩尔比)为80:20,最优的二段供氧中O_2/水蒸气比例(氧原子摩尔比)为50:50,预计此时的气化反应温度在1331~1450℃之间,CO+H_2的有效合成气成分(干气)为80.33%,气量为60666.94Nm~3/h,碳转化率达到94.96%,煤颗粒平均停留时间6.37s,比煤耗576.92 kg/kNm~3,比氧耗386.08 Nm~3/kNm~3。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TQ546
【部分图文】：

图 1-2 中国煤炭储量分布图Fig.1-2 Distribution of coal reserves in China中国是世界上最大的发展中国家，也是第二大能源生产国和消国能源储藏结构不均，对外依存度很大，随着我国中长期社会发步加快，未来将面临严重的资源供应瓶颈和环境约束。截止至 2化率将达到 75%，即将有 5 亿人口从农村转移到城市。按目前能源消费是农村居民的 3 倍计算，这将导致我国一次能源消费炭资源是我国的主导性能源，但是也是一种污染性极大的资源学利用，将严重污染环境，威胁人们身体健康。据统计，大气中%的 NOx 以及 60%的粉尘来自化石燃料-煤炭的直接燃烧。我国显示，全国酸雨及污染程度逐年加剧[5]。近年来，随着国家政大众逐渐认识到环境恶化所带来的严重损失，国家对污染排放格，开发清洁、高效及低污染能源利用技术迫在眉睫。从近年来势分析，能源与环境已经成为世界关注的焦点问题，加强能源领

原料煤、水及添加剂等按一定比例磨制成混合，一起喷入气化炉，在高温高压下进行气化温度 1350℃~1400℃，有效合成气成化率约 96%~99%。Texaco 气流床气化工煤种适应范围较宽等优点[20-23]。但是，因问题，使得喷嘴运行周期大约在 2 个月左续运行的关键因素之一。（2）Shell 气化技术壳牌公司开发的 Shell 气流床气化炉进料，上端为燃烧-气化室，下端为激冷布置 4~8 个干煤粉烧嘴料，使气化炉的力。耐火衬里采用水冷壁结构，合成气采渣。该气化炉配备飞灰循环系统，提高了有效合成气成分 CO+H2约占干煤气的 8工艺气化炉前期投资较大，且排渣口容易

第一章 绪论。（5）GSP 气化技术GSP 粉煤气化采用气化炉顶部干粉进料，耐火衬里同样采用盘管式水冷壁结气化过程中，水冷壁上形成固态熔渣层，固态熔渣层的增厚和减薄能够自动调化过程的稳定。值得注意的是，GSP 工艺采用内冷式 6 通道烧嘴，进料气体料物料分内中外三层，冷却水也有三层，这种烧嘴的寿命较长[29]。GSP 气化气化对燃料的适应性好，气化效率高，可达 99.6%，投资及运行成本较低，兼exaco 和 Shell 气化炉的优点，是一种有广阔发展前景的气化技术[30,31]。
【参考文献】

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本文编号：2864040