低变质煤热解—气化耦合工艺模拟优化研究

论文摘要

煤炭是我国的主要一次能源，其中低变质的褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤等资源丰富且质量较好，近年来开采比重日益增大。针对低变质煤挥发份含量高的特点而提出的煤炭分级转化技术，根据煤在不同阶段反应特性不同的特点，实施煤热解、气化和燃烧分级转化，可提高煤炭利用率，简化煤炭气化技术，减小投资降低成本，并能有效解决煤中污染物的脱除问题。本文借鉴“联合热转化技术”思想，在对国内外主要热解和部分气化工艺研究分析的基础上，提出低变质煤热解-部分气化耦合工艺，并对该工艺进行了模拟研究与分析，为进一步的具体技术开发和操作控制提供了参考和指导。通过对煤热解反应动力学分析，并基于分布活化能模型DAEM，建立了集总反应动力学模型来表示煤炭热解过程，确定了可以预测热解产物组成、分布与热解终温和升温速率关系的动力学方程。研究表明，随热解温度升高，各种挥发份产物析出率越接近最大产率，半焦C含量增加，但产率下降，H、O、N和S等元素降低。因此，升温有利于提高半焦脱硫、脱氮率。600℃左右，除H2外的大部分挥发份基本析出，半焦元素变化幅度减小。热解终温较低且一定时，较慢的升温速率有利于各热解挥发份最大限度的析出。分析结果显示，将热解终温控制在550℃，升温速率10℃/min左右有利于热解挥发份完全析出。运用Aspen Plus化工流程模拟软件，建立了将煤干馏热解和半焦部分气化相结合的两段气化模拟模型。结果表明，建立的气化炉模型能对本文提出的两段工艺进行较准确地模拟。热解段得焦油12.23%，半焦收率为65.11%，基本符合煤炭热解结果。调节分割器分割率为0.53:0.47时，可使热解段湿煤预热至指定温度110℃。通过对气化段做灵敏度分析可得，当氧气煤比（O2/C）为0.33，蒸汽煤比（H2O/C）为0.20，或者氧气煤比0.356，蒸汽煤比0.25时，气化炉温度可维持在900℃左右，且冷煤气效率最高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 煤炭利用技术概述
• 1.1.1 发展煤炭技术的重要性
• 1.1.2 世界及我国煤炭利用现状
• 1.1.3 煤化工和洁净煤技术现状
• 1.2 煤热解技术
• 1.2.1 煤热解原理
• 1.2.2 煤热解过程
• 1.2.3 热解影响因素
• 1.2.4 煤热解技术进展
• 1.3 煤炭气化技术
• 1.3.1 煤炭气化原理
• 1.3.2 煤炭部分气化技术
• 1.3.3 煤部分气化研究进展
• 1.4 联合热转化技术
• 1.4.1 联合热转化工艺思想及实现方案
• 1.4.2 联合热转化具体实现方案
• 1.5 本课题研究目的和意义
• 1.5.1 课题研究内容
• 1.5.2 课题研究重点和目的
• 2 课题研究工具——Aspen plus 化工模拟软件
• 2.1 Aspen plus 模拟软件的功能简介
• 2.2 Aspen plus 模拟软件的特点
• 2.3 Aspen plus 模拟软件的模拟步骤
• 2.4 Fortran 语言简介
• 3 煤热解动力学研究
• 3.1 煤热解动力学模型的建立及其方法
• 3.1.1 煤热解产物最终产率计算
• 3.1.2 挥发分析出动力学
• 3.1.3 半焦产率预测模型
• 3.2 热解动力学模型的确定
• 3.2.1 挥发份析出模型的确定
• 3.2.2 半焦产率及组成的确定
• 3.2.3 升温速率对热解模型的影响
• 3.3 本章小结
• 4 基于Aspen plus平台的两段气化炉建模
• 4.1 半焦气化原理
• 4.1.1 煤热解
• 4.1.2 半焦燃烧和气化反应
• 4.1.3 后续反应
• 4.1.4 气化还原反应
• 4.2 气化炉模型分析
• 4.2.1 气化过程描述
• 4.2.2 气化炉模型及建模概述
• 4.3 煤炭两段气化模拟过程介绍
• 4.3.1 干燥单元
• 4.3.2 热解单元
• 4.3.3 气化单元
• 4.3.4 换热单元
• 4.4 本章小结
• 5 结果讨论与分析
• 5.1 主要模拟结果讨论
• 5.1.1 热解段结果讨论
• 5.1.2 气化段结果讨论
• 5.2 灵敏度分析
• 5.2.1 氧气煤比与蒸汽煤比对煤气成分的影响
• 5.2.2 氧气煤比与蒸汽煤比对气化炉出口温度的影响
• 5.2.3 氧气煤比与蒸汽煤比对煤气热值的影响
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录