基于无焰氧化的气流床粉煤气化特性研究

论文摘要

本课题以干煤粉的洁净高效气化为背景,结合无焰氧化的技术优势和实现途径分析,设计并开发了一套以基于无焰氧化的气流床粉煤气化炉为主体的实验系统,并在炉内进行了冷态流场测试和热态煤粉气化实验:首先,根据前人总结的无焰氧化的实现条件,设计了一台基于无焰氧化的气流床气化炉,并以此为主体,在经过设计计算和方案优化后,确定了整个无焰氧化气化实验系统的设计方案,包括气化炉本体、鼓风机、给粉系统、气化剂供应系统、点火系统、煤气输送系统、冷却系统、测量系统、数据采集及处理系统和控制及报警系统共十部分,最后根据此方案建立了实验系统。其次,以常温空气为工质,在冷态条件下使用热线风速仪测量了单喷嘴切向进气、单层双喷嘴错位切向进气、双层四喷嘴分级错位切向进气和三层六喷嘴分级错位切向进气等四种工况下气化炉内四个不同高度水平截面上36个测点的切向速度和最下层测量平面上9个测点的径向速度,并根据实验结果对炉内气流的运动特点进行了对比分析,验证了在该气化炉内实现旋转速度梯度场的可行性,从冷态流场角度为在炉内能够实现常温空气无焰燃烧提供了重要支撑。最后,在气化炉内进行了干煤粉的气化特性实验,测量了单层、双层和三层喷嘴进料工况下氧碳原子比从0.8增加到1.2时气化炉内温度场、合成气组分浓度和流速,最后根据实验结果分析了氧碳原子比和进料方式对炉内温度场、合成气组分浓度、干煤气热值、碳转化率、冷煤气效率以及煤耗等指标的影响,并最终确定三级错位进料工况下氧碳原子比为1.0时气化工艺参数最佳,此时炉内温度场均匀,平均温度较高,绝大部分区域不低于1150℃,炉膛下部反应空间温度梯度最小,不超过8℃,并且有效气组分（CO+H2）浓度、合成气热值和冷煤气效率均达最大值,分别为35.3%、4477 kJ/Nm3和75.29%,碳转化率也处于较高水平,达到92.86%,而CO2和N2浓度则处于相对较低水平。这些气化指标表明本气化炉的结构和进料方式使炉内实现了具有无焰氧化特征的煤粉气化反应,满足了高效气化的技术指标,证明了在本实验系统平台上进行煤粉的无焰氧化气化特性研究的可行性,为今后更加深入和细致的研究奠定了理论与实验基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 煤气化技术研究概况
• 1.2.1 煤气化技术种类
• 1.2.2 先进气流床气化技术
• 1.3 基于无焰氧化的气化与燃烧技术
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 含碳物料气化的基本理论
• 2.1 含碳物料的物理和化学结构
• 2.1.1 物理结构
• 2.1.2 化学结构
• 2.2 气化原理
• 2.2.1 气化过程
• 2.2.2 气化基本反应
• 2.2.3 气化反应机理
• 2.3 气化反应的主要影响因素
• 2.3.1 变质程度
• 2.3.2 孔结构
• 2.3.3 矿物质
• 2.3.4 气化温度
• 2.3.5 气化压力
• 2.3.6 升温速率
• 2.4 小结
• 第三章 无焰氧化气流床粉煤气化实验系统
• 3.1 气流床气化炉实验系统方案
• 3.1.1 无焰氧化气化实验炉设计
• 3.1.2 实验系统方案设计
• 3.2 气流床气化炉实验系统设计计算
• 3.2.1 炉膛热负荷
• 3.2.2 物料平衡计算
• 3.2.3 气流床气化炉辅助设备设计计算
• 3.2.4 系统通风阻力计算
• 3.3 气流床气化炉实验系统优化
• 3.3.1 实验系统方案优化
• 3.3.2 系统组成及设备型号
• 3.3.3 数据采集及处理平台
• 3.4 小结
• 第四章 气化炉冷态实验
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验内容及测试方法
• 4.3 实验工况
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 单喷嘴切向进气工况下切向速度场
• 4.4.2 单层双喷嘴错位切向进气工况下切向速度场
• 4.4.3 双层四喷嘴分级错位切向进气工况下切向速度场
• 4.4.4 三层六喷嘴分级错位切向进气工况下切向速度场
• 4.4.5 四种工况下G-G 截面径向速度场
• 4.5 小结
• 第五章 煤粉无焰氧化气化实验研究
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验煤种特性
• 5.3 实验内容及测试方法
• 5.4 实验工况
• 5.5 实验结果与分析
• 5.5.1 炉内温度场
• 5.5.2 合成气组分浓度
• 5.5.3 合成气热值
• 5.5.4 碳转化率
• 5.5.5 冷煤气效率
• 5.5.6 煤耗
• 5.6 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录（攻读学位期间发表论文目录）
• 论文摘要