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《浙江大学》 2007年
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黑液水煤浆催化气化机理以及气流床气化数值模拟研究

匡建平  
【摘要】: 水煤浆气化技术是一种洁净的煤利用技术。黑液水煤浆气化是在水煤浆气化基础上发展起来的,属于加压气流床气化工艺。黑液水煤浆是由造纸黑液和煤配制而成。造纸黑液的资源化利用已经成为造纸生产及相关行业能否生存和发展的关键因素。黑液水煤浆较之水煤浆气化不同点在于:黑液中含有大量的有机物和无机物,有机物主要为木质素及纤维素和半纤维素的碱性降解产物;无机物包括游离的钠盐和含硅,铝的化合物等,如氢氧化钠等。有机物中的木质素和纤维素在黑液水煤浆气化反应时能一定程度上提高气化的热值,尤为重要的是无机物中的钠盐在黑液水煤浆气化反应过程中起到催化剂的作用。 本文主要就黑液水煤浆催化气化反应的机理进行研究,主要开展了以下几个方面的工作。 利用气相色谱研究了黑液水煤浆和新汶煤热解气体成分,发现热解气体的主要成份有CO、CO_2、H_2和CH_4,而黑液水煤浆热解气体中CO_2析出量远高于新汶煤热解时CO_2的析出量,这说明在含有碱金属及其化合物的条件下,热解时煤中的含氧基团如羧酸基团更容易形成CO_2析出。热分析试验显示,黑液水煤浆在400~500℃区间的热解产物释放集中,从而使黑液水煤浆在该区间着火能力增强,极大地改善黑液水煤浆燃烧状况。 通过对黑液水煤浆焦气化热重试验,发现气化温度对黑液水煤浆焦气化碳转化率影响较大,1200℃时黑液水煤浆焦碳转化率接近最高。常压气化反应时,黑液水煤浆焦C-CO_2气化反应的活化能为181.12KJ/mol;普通水煤浆焦气化反应活化能为206.71KJ/mol。随着气化反应压力的升高,气化反应的活化能也出现一定程度的下降,说明提高气化反应压力有利于提高煤焦气化反应特性。 通过固定床气化反应试验,发现内扩散仍然影响到黑液水煤浆焦气化反应特性。减小煤焦粒径客观上可以消除气化反应过程中的内扩散现象。 在对黑液水煤浆气化制氢试验中发现,当添加CaO比例为5%时,H_2生成浓度最高。由于催化效果的作用,黑液水煤浆焦在添加5%CaO时生成的氢气浓度明显高于相同条件下普通水煤浆焦生成的氢气浓度。 本文提出了利用液态二氧化碳提高水煤浆煤水配比,强化水煤浆气化过程、提高水煤浆气化碳转化率和冷煤气效率的方法。在黑液水煤浆焦C-H_2O-CO_2固定床气化反应的试验中,发现当添加的CO_2比例增加到8%时,有效气(CO+H_2)总量增加,H_2的体积数没有大幅下降。对工业气化炉数值模拟分析结果得知,当液态CO_2浓度为7%即煤水配比为69%时,水煤浆气化反应的碳转化率和冷煤气效率分别达到最大值98.58%和76.74%,比原工况分别提高了3.7%和6.1%。 对黑液水煤浆焦和普通水煤浆焦气化后残渣进行XRD分析,发现其成分主要是氧铁化钙、黝方石、霞石。同时黑液水煤浆焦的残渣中生成了完全不同于普通水煤浆焦的黝方石和氧铁化钙,主要原因是由于黑液中含有碱金属钠盐等无机物和木质素、纤维素等有机物。 对不同煤种配制的黑液水煤浆焦进行C-H_2O气化反应试验,发现催化剂对不同煤阶的煤种催化反应的效果是不一样的。当碳含量C_(daf)在72%—82%的区间上,黑液水煤浆焦C-H_2O气化反应生成的有效气含量(CO+H_2)较高。原因可能是由于低煤阶煤含有更多的含氧官能团,其充当气化反应的活性点。 最后,本文采用数值模拟的方法对气流床气化炉冷态流场特性、热态流场特性、气化喷嘴头部受热和气化炉渣生成特性进行了数值模拟分析。通过对粉煤气化炉冷态流场特性分析可知,由于颗粒相与连续相之间存在着速度滑移,所以颗粒相的最大速度只有连续相的0.83左右。在转动力矩的作用下,颗粒相沿高度方向上螺旋上升,切圆直径逐步增大,在气化炉出口处切圆直径约为出口直径的2/3左右。从气化炉的热态流场特性可以看出气化炉的高温区区域主要集中在切圆附近;在4股射流束上碳燃烬速率最高;高温烟气沿高度方向螺旋上升,在气化炉出口处粗煤气成分与设计值基本一致。对喷嘴头部受热进行的数值计算显示,喷嘴头部高温区主要集中在头部倒角和突肩处。要降低喷嘴头部温度,必须采取有效的措施强化传热,如增加冷却水旋流效果等。 通过对气化炉渣层模型的数值计算显示,非稳态条件下沿气化炉高度方向上不同区域渣层的厚度和温度有较大变化,燃烧区域固态渣层和液态渣层厚度大幅减薄;负荷增加,炉内温度升高,渣层厚度也会减薄。本文的模型结果有助于人们对气流床气化炉反应过程的理解;对气化炉内生成气成分变化和温度对渣层特性影响规律有更理性的认识;同时对气化炉热态运行时喷嘴的受热状况有更直观的了解,有针对性采取措施提高喷嘴的使用寿命。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TQ541;TK229

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