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加压喷动流化床煤部分气化试验研究和数学模型

肖屹东  
【摘要】:本文在内径89mm, 高4.2m的喷动流化床气化炉试验装置上对煤部分气化进行了系统的试验研究和理论分析。试验采用高度预热的空气和水蒸汽作为气化介质,并利用加压气化技术,以减少飞灰可燃物带出量,提高煤的利用效率。试验重点考察了气化炉压力、床层温度、空煤比和汽煤比等因素对干煤气成分和热值的影响,并对其气化机理进行了分析。结果表明,床层温度的提高有利于CO2还原反应和水蒸气分解反应的进行,提高了煤气的质量,但过高的温度会使散热损失增加,还会造成炉内结焦;空煤比过大,炉内燃烧反应份额增加,反而对煤气的热值提高不利;汽煤比增加后煤气中H2和CH4浓度显著增加,煤气质量有明显的改善,但过量的蒸汽会导致气化温度的降低和煤气质量的下降;随着气化炉压力的增加,反应速度增加,煤气中CO增加,CO2和H2减少,蒸汽分解率下降,干煤气热值有所提高。在试验工况下,加压喷动流化床煤部分气化炉存在较佳试验工况:气化炉适宜运行温度区间为910℃~940℃;空煤比在2.5~3.3之间;汽煤比在0.36左右。 炉内温度是反映气化反应速率最主要标志之一,加上喷动流化床内气化反应的本质是通过固体颗粒再循环和气体扩散将中心燃烧区的热量带至环形还原区,因此本文建立了加压喷动流化床煤部分气化炉的一维非等温模型。模型考虑了喷动流化床内煤脱挥发分过程、床内气固两相流动情况、煤部分气化特性和物料质量及能量平衡等,引入了挥发分析出子模型、两相流动子模型、气化子模型和质量及能量守恒子模型。模型将整个气化炉沿床高按流动状态分为三个区:炉栅区、鼓泡区和悬浮区。对各区域进行合理的假设后,采用变步长、多次循环迭代的方法对加压喷动流化床气化过程的一维非等温数学模型进行求解,并在此基础上模拟整个气化炉的温度场。模型计算结果基本反映气化炉内气体各组分分布的规律,对H2和CO2的模拟结果与试验较吻合;但对CO和CH4的模拟能够反映其变化趋势,尚存在一定误差。模型模拟的床层温度沿床高分布与试验所测结果相比,在炉栅区和炉膛出口的模拟结果与试验结果吻合较好;在悬浮区内模拟结果能反映床温的变化趋势,但在数值上存在一定的误差。


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