熔态高炉渣中煤、水蒸气气化反应的实验研究

发布时间：2020-07-02 22:51

【摘要】：钢铁行业作为能源密集型产业,能源消耗巨大,其中高炉炼铁工序的能耗占总能耗的67%,高炉渣作为高炉炼铁的废弃物其中蕴含着大量的余热资源。回收利用高炉炉渣的余热对钢铁行业节能减排,提高能源效率,有着至关重要的作用。目前,国内钢铁行业处理高炉渣的方法主要是水淬法。这种处理方式带来的问题是高炉熔渣的高品位余热资源未得到有效的回收利用。因此,迫切需要一种有效回收高炉熔渣余热资源的方法。化学法在高效回收高炉熔渣余热的方面具有明显的优势,并得到了广泛关注。本文在利用化学法回收熔态高炉渣余热的优势基础之上,结合我国的能源结构,提出了利用煤/水蒸气气化反应回收熔态高炉渣余热的研究思路。从理论角度对熔态高炉渣煤气化过程进行分析,主要包括熔态高炉渣物性参数的计算、煤颗粒在熔渣气泡内的运动、熔渣表面对煤颗粒的捕集和煤颗粒与高炉熔渣的传热过程和传质过程;进行熔态高炉渣煤/水蒸气气化反应的动力学研究,考察煤种、煤渣比和气化温度对煤/水蒸气气化反应性的影响,建立动力学模型和求解动力学参数;在小型熔渣煤气化实验系统上进行熔态高炉渣煤/水蒸气气化热态实验,考察煤种、水碳比和温度对产气规律的影响。由熔渣气泡中煤颗粒运动的理论分析可得,煤颗粒通过气液交界面进入熔渣的速度与煤颗粒初始速度、颗粒直径和气泡尺寸有关。由熔渣表面对煤颗粒捕集的理论分析可得,煤颗粒尺寸越大,越容易被熔渣表面所捕集。通过对高炉熔渣煤气化的传热与传质的分析可得,高炉熔渣煤气化过程的煤颗粒的传热效果好。采用等温恒重方法,分别对阜新煤、抚顺煤和德州煤进行以高炉熔渣为热载体的煤-水蒸气气化反应的热重实验。结果表明,随着气化反应温度从1300℃升高到140℃,碳转化率逐渐增大,前期(小于3min)反应速率逐渐增大,反应性指数逐渐提高。随着气化温度的提高,温度对煤气化反应性的影响逐渐减小;水碳比从1:0变化到1:2时,碳转化率逐渐提高,气化反应完成时间逐渐缩短,反应性指数逐渐提高。不同煤种反应性指数从大到小依次是德州煤抚顺煤阜新煤。建立了不同煤渣比条件下的动力学模型,完成了动力学参数的求解。从计算结果可以看出,高炉渣的加入可以降低煤气化反应的活化能,使气化反应更容易进行。在搭建的熔态渣煤气化实验台上使用不同煤种进行了不同工况下高炉熔态渣煤/水蒸气气化热态实验。实验结果表明,以高炉熔渣为热载体的煤/水蒸气气化反应的产气组分主要包括H2、CO、C02和CH4。比较不同煤种条件下的产气组分发现,除德州煤以外,均在57.00%以上,最高可达64.70%,可见高炉熔渣煤气化产气富氢程度较高。不同煤种产气组分、碳转化率和产气率之间的差异与各煤种本身的化学组成有关;不同煤种间产气热值差别不大,说明熔态渣煤气化系统对煤种适应性好。气化温度从130℃升高至1500℃的过程中,碳转化率提高了 18.8%;产气率提高了0.29Nm3·kg-1;产气热值增大了 452.29KJ.Nm3;气化效率提高了 13.3%。比较不同气化温度条件下的气化效率可得,气化反应温度为1350℃较合理。水碳比从1增加到3的过程中,碳转化率提高了 12.0%;产气率提高了 0.57 Nm3·kg-1;气化效率提高了 10.1%;产气热值下降了 6.6%。比较不同水碳比条件下的气化效率可得,水碳比为1.5:1较合理。最优工况条件下,即当气化温度为1350℃、水碳比为1.5:1时,产气中氢气组分含量可达63.8%,气化效率为94.5%。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF534
【图文】：

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逡逑图１．５高炉渣余热回收及碳资源协同减排系统简图逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｏｆ邋ｗａｓｔｅ邋ｈｅａｔ邋ｒｅｃｏｖｅｒｙ邋ｏｆ邋ｍｏｌｔｅｎ邋ｓｌａｇ邋ａｎｄ邋Ｃ０２邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ逡逑Ｄｕａｎ［４３］根据Ｇｉｂｂｓ自由能最小化原理，在ＡＳＰＥＮ邋Ｐｌｕｓ软件上对高炉熔渣煤气化过逡逑程进行了模拟，考察了温度和水碳比对大同煤在熔渣中的气化过程。通过比较碳气化效逡逑率、冷煤气效率、煤气产率和产气热值发现，当反应温度为８００°Ｃ且水碳比为１．５：１时，逡逑煤水蒸气气化反应的气化效率可达９０％，同时，冷煤气效率、煤气产率和产气热值均达逡逑到最大值。针对高炉渣在煤气化过程中的特性，Ｄｕａｎ［４４］进行了相关的实验研究和理论计逡逑算。研究结果表明，煤气化过程吸收了高炉渣余热的６１％；高炉渣的加入降低了煤气化逡逑反应的活化能，提高了反应速率；煤气化过程产生的硫化物可以被高炉熔渣有效吸收。逡逑－６－逡逑

【参考文献】

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本文编号：2738784