流化床炉内煤热解气化过程中硫的释放与脱除研究

论文摘要

本文在综述了煤热解气化过程中气态硫的释放与脱除的研究进展基础上，进行了流化床煤热解气化过程中硫化氢的生成与脱除特性的实验与理论研究。在所建的小型流化床实验台上对石灰石脱除硫化氢的反应特性进行实验研究，分析了温度、石灰石粒径、硫化反应气氛、流化气体速度、石灰石种类和石灰石焙烧反应条件等因素对吸收剂脱硫反应的影响特性及机理。采用SEM扫描电镜和压汞仪观察分析了吸收剂颗粒在原始状态、焙烧分解后和硫化反应后三种状态下微孔形态和孔隙特性的变化规律，较深入地探讨了吸收剂在不同条件下具有不同脱硫反应特性的原因。同时还在小型流化床实验台上研究了典型煤种流化床热解气化过程中硫的释放特性和石灰石脱硫特性，获得温度、气氛以及Ca／S摩尔比等参数对硫的释放和脱硫过程的影响特性。在1MW循环流化床部分气化燃烧集成利用系统试验台上分别在循环煤气热解气化与空气部分气化两种气化方式下对煤部分气化过程中硫的排放和石灰石脱硫反应特性进行了试验研究，得到了温度、气氛和Ca／S摩尔比等参数对石灰石脱硫过程的影响特性，在对小型实验台上所获得的研究结果进行验证和补充的同时，也验证了流化床部分气化燃烧集成利用系统实现低污染物排放的设想。在上述实验研究基础上，本文建立了基于Voronoi多面体堆砌的逾渗理论的循环流化床热解气化石灰石脱硫过程的综合模型，并有机集成了循环流化床流体动力特性模型、煤部分气化释放硫模型以及石灰石脱硫反应模型。模型计算结果与1MW循环流化床部分气化燃烧集成利用系统的试验数据对比结果表明所建模型可以预测不同运行条件下的硫释放和脱硫反应特性。论文同时还运用模型预测了循环流化床部分气化燃烧集成利用系统中煤热解气化过程的硫排放与石灰石脱硫反应特性，为下一步的设计和运行提供了指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 部分气化技术的特点及发展
• 1.1.1 部分气化技术是煤炭利用技术的重要途径
• 1.1.2 部分气化技术的发展现状
• 1.2 煤气脱硫技术的研究
• 1.2.1 煤气脱硫的必要性和分类
• 1.2.2 常温脱硫技术特点
• 1.2.3 高温炉外脱硫技术的研究进展和存在的问题
• 1.2.4 炉内脱硫的优势和发展前景
• 1.3 本课题的背景、研究目标和主要研究内容
• 第二章 炉内煤气脱硫的研究综述
• 2.1 引言
• 2S释放特性的研究'>2.2 煤热解气化过程中H₂S释放特性的研究
• 2S的研究'>2.3 气化炉炉内石灰石脱除H₂S的研究
• 2S的反应机理'>2.3.1 气化炉炉内石灰石脱除H₂S的反应机理
• 2S的因素'>2.3.2 影响石灰石脱除H₂S的因素
• 2.3.2.1 焙烧反应的重要性
• 2.3.2.2 温度的影响
• 2.3.2.3 颗粒粒径的影响
• 2.3.2.4 压力的影响
• 2S分压力的影响'>2.3.2.5 H₂S分压力的影响
• 2.3.2.6 反应气氛的影响
• 2S的实验研究方法'>2.4 气化炉内石灰石脱除H₂S的实验研究方法
• 2.5 本课题的研究工作
• 2.6 本章小结
• 2S反应特性的实验研究'>第三章 流化床炉内石灰石脱除H₂S反应特性的实验研究
• 3.1 引言
• 2S实验的设备和材料'>3.2 流化床脱除H₂S实验的设备和材料
• 3.2.1 脱硫剂特性
• 3.2.2 主要实验用气体
• 3.2.3 主要实验设备
• 3.2.4 实验方法和结果处理
• 3.3 实验内容、结果和分析
• 3.3.1 硫化反应过程中脱硫剂的孔隙特性
• 3.3.1.1 脱硫剂的SEM观察
• 3.3.1.2 脱硫剂的孔隙特性分析
• 3.3.2 反应温度的影响
• 3.3.3 硫化反应气氛的影响
• 3.3.4 石灰石颗粒粒径的影响
• 3.3.5 流化风速对石灰石硫化反应的影响
• 3.3.6 不同焙烧反应条件对石灰石硫化反应的影响
• 3.3.6.1 焙烧反应时间的影响
• 3.3.6.2 焙烧反应气氛的影响
• 2S浓度的影响'>3.3.7 H₂S浓度的影响
• 2S脱除反应的影响'>3.3.8 不同石灰石对H₂S脱除反应的影响
• 3.5 本章小结
• 2S释放与脱除特性的实验研究'>第四章 煤热解气化过程中H₂S释放与脱除特性的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验样品的性质和制备
• 4.3 实验装置和实验方法
• 4.4 数据处理方法
• 2S的释放特性'>4.5 煤热解气化过程中H₂S的释放特性
• 2S的释放特性'>4.5.1 不同温度和气氛下H₂S的释放特性
• 2浓度下H₂S的释放特性'>4.5.2 不同H₂浓度下H₂S的释放特性
• 2S反应特性实验'>4.6 煤热解过程中石灰石脱除H₂S反应特性实验
• 4.6.1 温度和热解反应气氛对脱硫效率的影响
• 4.6.2 Ca/S摩尔比的影响
• 4.6.3 石灰石预焙烧条件的影响
• 4.6.3.1 温度的影响
• 4.6.3.2 焙烧反应时间的影响
• 4.6.3.3 焙烧反应气氛的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 1MW气化燃烧集成系统的炉内脱硫试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验装置
• 5.3 试验给料特性分析
• 5.4 试验安排和测量结果的计算
• 5.5 试验结果与分析
• 5.5.1 再循环煤气部分气化试验结果与分析
• 5.5.1.1 燃料和床料粒径分布特性
• 5.5.1.2 运行参数和煤气成分
• 5.5.1.3 硫的排放特性和脱硫反应特性
• 5.5.2 空气部分气化试验结果
• 5.5.2.1 燃料和床料分布特性
• 5.5.2.2 典型运行参数和煤气成分
• 5.5.2.3 硫的排放特性和脱硫反应特性
• 5.5.3 燃烧气化集成利用系统脱硫试验结果综合分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 流化床热解气化脱硫反应的数值模拟
• 6.1 引言
• 2S脱除反应机理模型的建立'>6.2 H₂S脱除反应机理模型的建立
• 6.2.1 气固非均相反应模型的研究现状
• 6.2.1.1 未反应缩核模型（Unreacted Shrinking Core Model）
• 6.2.1.2 晶粒模型（Grain Model）
• 6.2.1.3 孔模型（Pore Model）
• 2S+CaO非均相反应模型的建立'>6.2.2 H₂S+CaO非均相反应模型的建立
• 6.2.2.1 焙烧石灰石孔隙结构
• 6.2.2.2 硫化反应动力学特性
• 6.2.2.3 孔隙的变化和孔内气体的扩散
• 6.2.2.4 固体产物层内离子扩散特性
• 6.2.2.5 硫化反应中脱硫剂利用率的计算
• 6.3 循环流化床气化炉流体动力模型的建立
• 6.3.1 流体动力模型的简化假设
• 6.3.2 密相区的流体动力特性模型
• 6.3.3 稀相区内流体动力特性模型
• 6.3.3.1 气体流动的数学模型
• 6.3.3.2 固体颗粒流动的数学模型
• 6.3.3.3 流化床流体动力模型相关参数的确定
• 6.4 循环流化床气化炉脱硫反应其它模型
• 2S模型'>6.4.1 煤热解释放H₂S模型
• 6.4.2 石灰石焙烧反应动力学模型
• 6.5 模型计算步骤和条件
• 6.6 模型计算结果
• 6.6.1 CaO硫化反应机理模型计算结果
• 2S气体在颗粒孔隙内的扩散特性'>6.6.1.1 H₂S气体在颗粒孔隙内的扩散特性
• 6.6.1.2 固体产物层内的离子扩散
• 6.6.1.3 硫化反应中脱硫剂利用率的计算
• 6.6.2 燃烧气化集成利用系统脱硫反应模拟计算
• 6.6.2.1 空隙率的分布
• 6.6.2.2 颗粒流率的分布
• 2S的浓度分布'>6.6.2.3 H₂S的浓度分布
• 6.7 循环流化床气化炉脱硫运行的技术分析
• 6.8 本章小结
• 符号说明
• 英文字母
• 希腊字母
• 第七章 全文总结与进一步工作的建议
• 7.1 全文的主要工作与得到的主要结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 进一步工作的建议
• 参考文献
• 附录
• I 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• II 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目
• 致谢