焦炭颗粒与二氧化碳气化过程的实验与动力学模型的研究

论文摘要

煤炭是目前世界上储藏量最为丰富的化石能源。我国是以煤炭为主的能源大国,其中CO2的排放总量仅次于美国位居世界第二,如何有效地解决CO2排放问题以及清洁高效地利用煤炭资源一直是能源与环境领域内的重大问题。近年来,人们发现以焦炭为原料和CO2为气化介质的气化过程可以得到高浓度的CO。采用CO2来气化焦炭也是一种有效减少CO2排放量的重要途径。所以,研究用CO2作为气化介质来气化还原焦炭具有双重的现实意义。本文主要将研究的注意力集中在焦炭颗粒气化还原二氧化碳的反应过程上,并从该过程出发建立起焦炭颗粒气化还原二氧化碳的动力学模型。由于焦炭颗粒与二氧化碳的气化反应过程涉及到众多物理化学问题如反应气体二氧化碳从外界扩散进入焦炭颗粒的孔内表面,内表面上的气化反应,以及此过程焦炭颗粒结构变化对反应带来的影响,这些物理化学现象也是模型建立的基础,因此全文的工作主要围绕该过程物理化学现象展开,内容涉及到以下几个方面:研究了焦炭颗粒结构及其变化对气化的影响,推导得出了一个新的反映焦炭颗粒气化过程中表面积变化的结构因子表达式,该结构因子显示表面积的变化趋势与初始孔隙率有重要的关系,随着初始孔隙率的不同,比表面积或是随转化率减小,或是出现最大值。这一特征与随机孔模型(RPM)很相象,与随机孔模型做了对比研究发现所提出的该表达式模型除了形式简单外,还具有物理意义明确,精度好的特点,作为整体的焦炭颗粒气化反应动力学模型中反应颗粒结构变化对气化反应影响的子模型具有一定的普适性。在固定床气化炉实验台上,通过实验考察了不同颗粒粒径的气化反应性;并在1080℃、1170℃和1220℃三个温度点的条件下,研究了焦炭颗粒与二氧化碳的气化动力学行为特性,并对气化反应性以及速率影响因素做了分析。最后建立了整体焦炭颗粒的气化反应动力学模型,该模型含盖了反应气体CO2以及产物气体CO在焦炭颗粒孔结构内的扩散传质,固体的热传导,以及发生在焦炭颗粒表面上的异相化学反应。整个过程中,忽略焦炭颗粒外围结构的破碎,认为颗粒的直径在较大的一个转化率范围内是不发生变化的,模型的特点是不必考虑气化反应处于哪一个控制区内,对整个控制区域都是适用的;首先在动力学控制区域内研究了焦炭颗粒气化特性。随后,在整个控制区域即有扩散影响的情况下,采用MTLAB求解了耦合的偏微分方程组,研究了颗粒内部温度和反应气浓度变化情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 煤焦气化技术
• 1.3 焦炭气化研究的文献综述
• 1.3.1 单颗粒气化反应的研究
• 1.3.2 反应床气化反应的研究
• 1.4 本文的研究内容及结构
• 2 焦炭颗粒气化过程整体分析
• 2.1 焦炭颗粒气化过程
• 2.2 气化反应速率的表达
• 2.3 焦炭颗粒气化过程中的孔扩散
• 2.3.1 容积扩散（Bulk diffusion）
• 2.3.2 努特森扩散（Knudsen diffusion）
• 2.3.3 表面扩散（Surface diffusion）
• 2.4 焦炭颗粒气化过程模型
• 3 焦炭颗粒孔结构及其对气化反应的影响
• 3.1 焦炭表面孔结构及在气化过程中的作用
• 3.2 焦炭孔隙结构参数
• 3.3 焦炭表面孔结构特性对反应的影响
• 3.4 一种新的结构因子
• 4 焦炭二氧化碳气化反应机制及动力学特性
• 4.1 焦炭二氧化碳气化反应机制
• 4.2 从基元反应推导L-H 型反应速率表达式
• 4.3 焦炭气化反应动力学特性
• 4.3.1 气化反应性以及反应速率的影响因素
• 4.3.2 焦炭气化反应动力学模型
• 5 焦炭颗粒气化过程模型及结果分析
• 5.1 焦炭颗粒的气化模型
• 5.2 动力学控制区域内的问题
• 5.3 模型结果与讨论
• 5.3.1 与随机孔模型比较
• 5.3.2 初始孔隙率的影响
• 5.3.3 温度的影响
• 5.3.4 气化偏压的影响
• 5.4 有扩散影响下颗粒气化分析
• 6 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文目录