等离子体裂解煤制乙炔工艺中的水淬冷过程研究

论文摘要

等离子体裂解煤生产乙炔工艺,具有低碳、低污染、流程短、洁净高效等特点,有望成为煤炭清洁利用的一条重要途径。本文针对等离子体裂解煤制乙炔工艺中的水淬冷过程,建立了水淬冷过程的数学模型,并开发了新型的环隙式淬冷器。本文的主要内容有：通过最小吉布斯自由能法对等离子体裂解煤的热力学平衡体系进行了研究,结果表明,初始淬冷温度在1700-2600K范围内,可以获得较高的乙炔收率。采用欧拉-拉格朗日方法,将气相作为连续介质,将淬冷剂液滴作为离散相,建立了能较好地描述淬冷过程的数学模型。针对现有圆筒形淬冷器的不足,设计了新型的环隙式淬冷器,较好地解决了淬冷剂液滴无法喷入裂解气中心高温区的问题,放大效应小,并能通过调节淬冷器内芯的高度,较方便地确定合适的淬冷起始位置。进而根据本文建立的淬冷过程数学模型,通过模拟确定了环隙式淬冷器的结构：在淬冷器本体和内芯上各安装两层喷嘴,且第一层的喷嘴数多于第二层；淬冷剂垂直于壁面喷入；淬冷器本体及内芯与径向的夹角均为40°；淬冷器内芯与本体之间的水平距离为100mm。中试实验的结果表明：与采用圆筒形淬冷器相比,采用环隙式淬冷器后,裂解气的中乙炔含量有较明显的上升。论文还针对环隙式淬冷器内芯的磨损问题,提出了在淬冷器内芯上安装由碳化硅等耐高温耐磨材料制成的防磨盖的设计方案。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 缩写、符号清单、术语表
• 目次
• 1 文献综述
• 1.1 乙炔的生产工艺
• 1.1.1 电石法
• 1.1.2 天然气部分氧化法
• 1.1.3 等离子体裂解煤制乙炔
• 1.2 等离子体裂解煤制乙炔研究进展
• 1.2.1 等离子体裂解煤制乙炔国外研究进展
• 1.2.2 等离子体裂解煤制乙炔国内研究进展
• 1.3 等离子体裂解煤制乙炔淬冷过程
• 1.3.1 常见淬冷方法
• 1.3.2 淬冷装置
• 1.3.3 等离子体裂解煤制乙炔淬冷过程研究进展
• 1.4 计算流体动力学
• 1.4.1 CFD基本模型
• 1.4.2 初始条件和边界条件
• 1.4.3 CFD模型的离散
• 1.4.4 SIMPLE算法
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 等离子体裂解煤反应体系的热力学平衡分析—淬冷起始温度的确定
• 2.1 最小吉布斯自由能法计算热力学平衡体系
• 2.2 C-H热力学平衡体系的计算
• 2.2.1 等离子体裂解煤体系中是否考虑固相碳C（S）
• 2.2.2 组分的选择
• 2.2.3 热力学数据的选择
• 2.2.4 C-H多相体系
• 2.2.5 C-H单相相体系
• 2.3 小结
• 3. 等离子体裂解煤制乙炔工艺中水淬冷过程的模拟
• 3.1 淬冷过程数学模型的建立
• 3.1.1 淬冷器内气液流动的数学模型
• 3.1.2 网格划分
• 3.1.3 边界条件
• 3.2 模拟结果分析
• 3.2.1 淬冷器内的流场分布
• 3.2.2 淬冷剂液滴粒径的影响
• 3.3 小结
• 4. 新型淬冷器的设计及优化
• 4.1 现有淬冷器存在的问题
• 4.2 新型淬冷器的设计
• 4.3 环隙式淬冷器的结构优化
• 4.3.1 环隙式淬冷器的模拟
• 4.3.2 结果分析
• 4.3.3 环隙式淬冷器的结构优化
• 4.4 小结
• 5. 水淬冷过程的中试研究
• 5.1 工艺路线
• 5.1.1 部分主要设备
• 5.1.2 工艺流程
• 5.2 淬冷水用量的计算
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 环隙式淬冷器的实验结果
• 5.3.2 单介质淬冷与双介质淬冷
• 5.4 中试实验中发现的问题及解决方案
• 5.5 小结
• 6. 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 对后续工作的建议
• 参考文献
• 作者简介