兖州煤气化过程的数值模拟

论文摘要

随着经济的高速发展,对能源的需求日益增长,我国以煤为主的能源消费结构在相当长的时期内将不会改变。开发先进的洁净煤技术,提高煤炭利用效率、减少煤直接燃烧带来的环境污染的主要途径之一是研制和推广应用煤炭气化技术,发展基于煤气化的能源转化技术已成为能源领域科技界和企业界的共识。基于此,本文在已有煤气化研究的基础上,进一步从热力学和和动力学方面对煤的气化和净化过程进行了分析探讨。论文的主要工作和结论包括:（1）建立了煤气化过程的热力学模型,对粉煤气化过程进行了分析,采用最小Gibbs自由能法和平衡常数法分别建立了气化炉的数学模型,对流程算法进行了改进。结果表明,模拟值和实验值吻合良好。（2）研究了工艺条件对粉煤气化炉气化结果的影响,氧煤比对气化进程的影响较蒸汽煤比及其它操作条件更为显著;确定了模拟煤种的最佳氧煤比是0.700.80 kg/kg,气化炉出口CO+H2的最大干基体积分数为96.48%,冷煤气效率最高为83.56%,最大有效气产率为1.74m3/kg;氧煤比每升高0.1kg/kg,气化炉出口温度升高约40℃,而蒸汽煤比每升高0.1kg/kg,气化炉出口温度降低约8℃;在气化剂中加入适量的水蒸气能增加煤气中H2的体积分数,控制炉温不致过高,同时还能降低氧耗量;但水蒸气过多将使炉温降低,影响气化过程。（3）综述并分析了气化过程煤气的净化工艺,设计了以中温干法脱硫净化系统为模拟对象的气化煤气脱硫工艺。研究结果表明,炉内进行石灰石预脱硫,理论上可达到86%的脱硫效率,其中Ca的加入量存在Ca/S比为11.2的最佳值,增大压力不利于炉内脱硫的进行。气体在气化炉外的脱硫使用本课题组的脱硫剂进行精脱除,可使总脱硫率达到99%以上,基本满足后续工业生产的1mg/m3需要。（4）对升温速率影响煤热解特性的研究表明,升温速率主要是通过影响煤热解反应的活化能及频率因子起作用。随着升温速率的增大,最大失重温度延迟,主要是由煤热解过程中逆向缩聚活化能略低于正向解聚活化能所致。（5）对不同升温速率下的热解过程进行了动力学分析,采用分阶段进行数值回归,发现在不同阶段的活化能的差异很大,在各阶段的具有一定规律性,基本呈现先增大后减小的趋势。（6）温度和升温速率对气化反应影响显著,随气化温度升高或升温速率的增大,煤焦碳转化率明显增加,煤焦完成气化反应的时间缩短。在恒温反应时,煤焦-CO2气化速率随气化时间延长呈山峰状变化。（7）采用多元线性回归法,得出不同气化温度下煤的动力学方程,总体反应级数为2级,动力学方程为:在9001000℃之间动力学控制形式为缩核模型,动力学表达式为:;在10001100℃之间,反应级数为温度的线性关系,表达式:n=9.926-0.006T,经非线性最小二乘法回归此区间的动力学参数,动力学表现形式为修正性随机孔模型,表达式为:

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述与选题
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 中国能源现状
• 1.1.2 发展煤气化技术的必要性
• 1.1.3 煤炭气化的意义
• 1.2 煤气化过程原理
• 1.2.1 煤的热解过程
• 1.2.2 煤的热解机理
• 1.2.3 煤的热解分类
• 1.2.4 煤的气化过程
• 1.2.5 煤气化反应过程的影响因素
• 1.3 煤气化工艺分类
• 1.4 煤气化技术的发展及研究现状
• 1.4.1 煤气化技术的发展
• 1.4.2 煤气化技术的研究现状
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 煤气化热力学性能分析
• 2.1 基于Aspen plus 过程模拟的原理
• 2.1.1 Aspen plus 流程模拟软件介绍
• 2.1.2 Aspen Plus 化学反应器模型
• 2.2 热力学平衡计算方法
• 2.2.1 物平-化平-能平法
• 2.2.2 平衡模型法
• 2.3 气流床气化过程
• 2.3.1 Shell 煤气化方法及流程
• 2.3.2 炉内化学反应过程
• 2.4 最小G 值法建模及模型描述
• 2.4.1 煤干燥单元
• 2.4.2 煤裂解单元
• 2.4.3 Gibbs 反应器单元
• 2.4.4 计算过程
• 2.5 平衡常数法建模与解析
• 2.5.1 独立反应确定
• 2.5.2 平衡常数与各物质组分含量的关系
• 2.5.3 模型求解
• 2.6 模型验证
• 2.7 模拟分析
• 2.7.1 流量配比对气化性能的影响分析
• 2.7.2 压力及粉煤粒径对气化性能的影响分析
• 2.8 小结
• 第三章 煤气的净化
• 3.1 气化过程脱硫方案的设计
• 3.1.1 炉内脱硫过程
• 3.1.2 炉外脱硫过程
• 3.2 煤气化及净化模型的建立
• 3.3 脱硫过程的模拟分析
• 3.3.1 炉内脱硫过程的模拟分析
• 3.3.2 炉外脱硫过程的模拟分析
• 3.4 小结
• 第四章 煤气化过程动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 热重分析
• 4.3 煤的热解性能分析
• 4.3.1 数据预处理
• 4.3.2 实验结果与讨论
• 4.3.3 热解反应动力学分析
• 4.4 煤的气化性能分析
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 实验结果与讨论
• 4.4.3 气化反应动力学基础
• 4.4.4 气化反应动力学模型
• 4.5 动力学模型回归
• 4.5.1 混合反应模型
• 4.5.2 缩核模型
• 4.5.3 随机孔及其修正模型
• 4.6 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 今后工作建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录