基于无焰氧化的干法煤粉气化特性研究

论文摘要

煤气化技术是解决未来能源、环境和能源安全战略的核心技术之一,而我国煤炭的特点是高灰熔点煤的储量多,现有的气流床气化技术大都无法满足其高效气化的要求,因此亟待研发适合高灰熔点煤的先进煤气化技术。由于气化炉是煤气化技术中的最关键设备,因此,本文以高灰熔点煤的高效气化为背景,归纳分析了各种先进干煤粉气流床气化炉的炉型结构,将无焰氧化技术应用于粉煤气化,提出了一种基于无焰氧化的新型干法进料煤粉气化炉,进行了炉内冷态、煤粉气化的热态试验和数值计算,分析了高灰熔点煤在该气化炉中的气化特性,并以此为基础,对气化炉的结构进行了优化,提出了无焰氧化分级气化炉,对高灰熔点煤在该气化炉中气化特性进行了数值计算与分析。首先,对各种先进干煤粉气流床气化炉的炉型结构进行了总结与分类,逐一分析了每种类型的炉型结构特点、流场特性、温度分布及优缺点;根据不同形态燃料实现无焰氧化的技术特征和形成机理,归纳得出了实现无焰氧化技术的两条途径。由此设计了一种新型干煤粉气流床气化炉,论证了高灰熔点煤在该气化炉上实现高效气化和液态排渣的可行性进。其次,使用热线风速仪测量了冷态条件下煤粉气化试验炉炉内速度分布,分析了单喷嘴切向进风、双喷嘴错位切向进风和四喷嘴分级错位切向进风三种不同空气入炉方式和不同空气流量情况下的炉内气流流动特性,验证了该煤粉气化炉实现煤粉无焰氧化的可行性。再次,搭建了一套小型煤粉气化试验装置,完成了系统调试,进行了高灰熔点煤干法进料气化试验,观察了炉内气化反应的火焰图像特征;研究了不同工况下的煤气化特性,寻求高灰熔点煤在基于无焰氧化煤粉气化炉中气化的合适工况参数,为后续研究积累了经验。进而,建立煤粉气化炉的物理和数学模型,运用概率密度函数(PDF)方法对高灰熔点煤在基于无焰氧化的煤粉气化炉内的气化过程进行了模拟计算,参照小试的试验工况,验证了气化炉模型;分析了不同氧碳原子比、蒸汽煤比和气化压力对高灰熔点煤气化特性的影响,并可视化地研究在典型工况下高灰熔点煤在该气化炉中气化过程,为进一步炉型结构和气化工艺的优化设计提供依据。最后,将分级气化思想应用于无焰氧化的煤粉气化炉,对基于无焰氧化的煤粉气化炉进行了进一步改进,提出了一种基于无焰氧化的分级气化炉,对高灰熔点干煤粉在该无焰氧化分级气化炉中的气化特性进行了数值计算,分析氧碳原子比、蒸汽煤比和分级进料情况对气化结果的影响,这为后续的中试研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外煤气化技术研究概述
• 1.2.1 国内外先进气流床气化技术概述
• 1.2.2 国内煤气化技术研发和应用概述
• 1.2.3 高灰熔点煤气化技术研究概述
• 1.3 无焰氧化技术的研究概述
• 1.4 本文主要研究内容
• 参考文献
• 2 基于无焰氧化煤粉气化炉的概念模型设计与分析
• 2.1 干煤粉加压气流床气化炉的炉型分析
• 2.1.1 上置单喷嘴下喷式
• 2.1.2 下置多喷嘴对撞喷入式
• 2.1.3 下置多喷嘴切圆喷入式
• 2.2 无焰氧化技术的实现途径分析
• 2.3 基于无焰氧化新型煤粉气化炉的概念模型设计
• 2.4 新型煤粉气化炉关键技术分析
• 2.4.1 采用液态排渣技术的优缺点分析
• 2.4.2 采用液态排渣技术的炉壁耐高温问题
• 2.5 本章小节
• 参考文献
• 3 煤粉气化炉的冷态试验研究
• 3.1 冷态流场测量系统与试验工况
• 3.1.1 热线风速仪
• 3.1.2 供气系统
• 3.1.3 试验炉主气化室结构与测点布置
• 3.1.4 试验工况
• 3.1.5 试验方法与过程
• 3.2 冷态试验结果与分析
• 3.2.1 单喷嘴切向进气工况
• 3.2.2 双喷嘴错位切向进气工况
• 3.2.3 四喷嘴分级错位切向进气工况
• 3.3 冷态试验小结
• 参考文献
• 4 基于无焰氧化煤粉气化炉的试验研究
• 4.1 煤粉气化炉试验系统的设计与调试
• 4.1.1 煤粉气化炉试验系统的设计
• 4.1.2 煤粉气化炉试验系统的搭建与调试
• 4.2 干煤粉气化炉气化试验工况
• 4.2.1 试验煤种特性
• 4.2.2 试验过程
• 4.2.3 试验数据采集与处理
• 4.3 干煤粉气流床的气化反应机理
• 4.4 干煤粉气化炉气化试验结果及分析
• 4.4.1 炉内气化火焰图像
• 4.4.2 氧碳原子比和蒸汽煤比对高灰熔点煤气化结果的影响
• 4.4.3 高灰熔点煤气化工艺参数的优化探讨
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 5 基于无焰氧化煤粉气化炉的模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 干煤粉气流床气化炉计算模型的建立
• 5.2.1 气化炉物理模型
• 5.2.2 煤粉气化模型假设
• 5.2.3 煤粉气化数学模型
• 5.2.4 网格划分、边界条件及计算方法
• 5.3 气化模拟结果分析
• 5.3.1 氧碳原子比对气化模拟结果的影响
• 5.3.2 蒸汽煤比对气化模拟结果的影响
• 5.3.3 压力对气化模拟结果的影响
• 5.3.4 典型工况下气化炉炉内各参数场分布特性分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 6 基于无焰氧化分级气化炉的提出及其模拟研究
• 6.1 基于无焰氧化的分级气化炉的提出
• 6.1.1 分级燃烧及气化技术的由来与发展
• 6.1.2 基于无焰氧化的分级气化炉的提出
• 6.2 干煤粉分级气化炉计算模型的建立
• 6.3 无焰氧化分级气化炉模型的计算与分析
• 6.3.1 氧碳原子比对分级气化模拟结果的影响
• 6.3.2 蒸汽煤比对分级气化模拟结果的影响
• 6.3.3 二级供料比对分级气化模拟结果的影响
• 6.3.4 典型工况下气化炉炉内各参数场分布特性分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 7 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作及结论
• 7.2 创新点
• 7.3 下一步工作展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果