论文摘要
煤气化被认为是一种具发展前景的洁净煤利用技术之一,国内外各国政府和研究机构都对煤气化技术给予了极大的关注。在单一CO2或H2O气氛条件下的煤焦气化机理研究较多,基于Langmuir-Hinshelwood吸附气化机理的气化速率方程得到了较广泛的应用。但是在CO2和H2O混合气氛条件下煤焦气化机理的研究存在争议。最主要的争议在于：①煤焦-CO2和煤焦-H2O反应的活性位是否相同；②CO2吸附和H2O吸附之间如何相互作用。其中反应活性位最主要的影响因素是热解条件,煤种和催化剂等：CO2和H2O吸附关系的最主要影响因素是反应条件,包括气体分压和温度等。本文建立了一套基于微型流化床的粉煤焦气化动力学测试方法,与热天平反应器测试对比,实验研究不同影响因素对CO2和H2O混合气氛条件下煤焦气化机理的影响,并基于实验结果提出一种可能的煤焦气化机理,并将该气化机理运用于实际气化炉的数值模拟中。主要展开了如下几个方面的工作。基于微型流化床的粉煤焦气化动力学测试方法能尽量避免流化床中的流体动力学特性对本征反应的干扰,使煤焦的气化反应动力学测量更接近其本征反应过程。并与传统热天平条件下得到的气化反应动力学参数对比。实验结果显示,流化床测量得到的煤焦气化反应速率较相同条件下热天平反应器测量的气化速率高。由于流化床内的气固相耦合更均匀,气化反应的机理函数更接近于均相反应模型,而热天平中由于堆积效应的存在,气化反应的机理函数更接近于相界面收缩核模型。通过沉降炉和水平管式炉分别制备快速热解和慢速热解条件下的煤焦样品,在不同CO2和H2O分压条件下,分别使用热天平反应器和流化床反应器测量恒温1273K条件下煤焦的气化速率,研究热解条件对CO2和H2O混合气氛条件下的煤焦气化机理的影响。实验结果显示,热解条件对煤焦气化反应速率有显著的影响,快速焦的反应速率高于慢速焦的反应速率；但是不管对快速焦还是慢速焦来说,在CO2和H2O混合气氛条件下的煤焦气化反应速率均低于单独CO2和H2O分压下的速率之和,而高于各自单独分压下的反应速率。煤焦-H2O的反应独立于煤焦-CO2反应,但煤焦-CO2的反应会受煤焦-H2O反应的抑制。使用四种不同煤阶的原煤以及两种酸洗后的煤在沉降炉快速热解条件下制得六种煤焦样品,在不同CO2和H2O分压条件下,分别使用热天平反应器和流化床反应器测量恒温1273K条件下煤焦的反应速率。研究煤种对CO2和H2O混合气氛条件下的煤焦气化机理的影响。并对其中一种煤焦分别在1173K,1223K和1273K三个温度条件下测量煤焦气化速率,研究温度对CO2和H2O混合气氛条件下气化的影响。实验结果显示,在1173-1273K温度条件下,煤焦-CO2反应与煤焦-H2O的反应更多的发生在相同的反应活性位,H2O相对于CO2更优先吸附于煤焦表面。煤种,温度和煤中矿物质对气体的优先吸附顺序影响较小。基于此结论推导了一种新的煤焦气化速率方程,在热天平和流化床反应器内的计算结果均与实验测量值吻合较好。使用模拟软件,建立了气化炉热平衡模型,计算进口原料组分的相对量变化对合成气的气体组分及温度的影响。并使用商业CFD软件,建立了气化炉三维数值模拟模型,全面计算炉内的流动、传热和气化过程,得到了气化炉内的温度分布,流场分布,组分浓度分布和颗粒轨迹等。此外为了更准确计算气化炉内的碳转化率,完善非均相气固反应子模型,本文尝试通过Fortran编程软件建立一个简单的一维煤气化模型,应用本文实验得到的CO2和H2O混合气氛条件下的气化反应速率方程计算煤焦的整体反应速率,并将模拟结果与文献报道的实际气化炉运行结果对比。模拟结果较准确,主量气体的模拟偏差在2%以内,碳转化率的模拟偏差在1%以内。