煤的部分气化及半焦燃烧系统集成研究

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煤的部分气化及半焦燃烧系统集成研究

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类　型: 博士论文

年　份: 2009年

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内容摘要

煤炭是我国的主要一次能源,目前大部分通过燃烧的单一方式加以利用。煤的分级转化技术是根据煤在不同阶段反应特性不同的特点,从分级利用的角度提高煤炭资源的利用率,不仅技术简单可行,投资较低,而且有效解决了所面临的资源与环境问题。本文在对国内外主要的部分气化及半焦燃烧技术进行了评述基础上,提出了煤部分气化和燃烧的的多联产技术。为了深入了解煤在不同阶段的不同反应特点,在热天平试验台上进行了煤的热解、气化、燃烧的动力学试验研究,分析了各物理因素对热解、气化、燃烧过程的影响,研究表明:相比热解和燃烧,气化反应发生的相对速率较低,发生的条件需要高温和长停留时间;随着升温速率的增加,煤热解和气化反应速率加快;煤灰对气化的影响较大,随着灰/煤比的增加,反应速率先增加后减小,这说明存在一个最佳的煤/灰比。为了研究运行条件对煤气化和半焦特性的影响,建立了煤燃烧气化多功能试验装置,并进行了不同煤种、不同粒径、不同气氛下的煤的热解气化试验,得出了各运行条件对气化过程的影响,并研究了运行条件对半焦孔隙特性的影响。试验表明:煤热解过程中,随着密相区温度的升高,煤气中H2、CO、CO2、CH4的含量升高,而在研究煤的空气/水蒸汽部分气化时,增加风煤比,煤气产量增加,增加汽煤比,煤气质量显著改善;采用空气/氧气/水蒸汽进行气化时,煤气的质量又有了以进一步的提高。在此基础上,在多功能试验台上进行了半焦的燃烧特性试验,研究发现:部分气化半焦可以在流化床内稳定的燃烧,其污染物排放量很小。为了验证煤部分气化及半焦燃烧技术的工艺可行性,建立了1MW煤热电气多联产试验装置,并进行空气部分气化及半焦燃烧和再循环煤气热解及半焦燃烧两种方案试验,试验研究显示:空气部分气化及半焦燃烧方案得到的煤气热值较低,气化炉的床温较高,碳转化率随温度的升高而增大。再循环煤气热解及半焦燃烧方案虽然生产的煤气热值较高,但气化炉内碳转化率较低,煤气产率较低。在总结前人建立的流化床燃烧、气化模型的基础上,结合试验研究结果,建立了煤部分热解气化及半焦燃烧系统的数学模型。模型主要考虑了流化床流体动力学特性模型、煤热解气化模型、分离器模型、煤焦的磨损扬析模型、流化床换热模型以及气化炉、燃烧炉之间的物质平衡和能量平衡关系。并利用模型对1MW多联产试验台上进行试验工况的模拟计算与对比,分析显示该模型计算结果与试验结果基本吻合,该模型可以为煤部分气化和半焦燃烧工艺设计提供依据。

全文目录

致谢  5-6

摘要  6-8

Abstract  8-15

1 绪论  15-29

1.1 研究背景  15-21

1.2 煤炭气化的意义  21-24

1.3 煤部分气化技术  24-28

1.3.1 煤部分气化技术与完全气化技术对比  24-26

1.3.2 煤部分热解气化和半焦燃烧方案  26-28

1.4 本文研究内容  28-29

2 煤部分气化及半焦燃烧技术综述  29-59

2.1 前言  29

2.2 美国Foster Wheeler公司的煤部分气化技术  29-38

2.2.1 第二代增压循环流化床联合循环发电技术  29-34

2.2.2 燃煤型高性能发电系统(HIPPS)  34-35

2.2.3 “展望21”计划中部分气化模块  35-38

2.3 英国三井煤部分气化技术  38-39

2.3.1 工艺流程  38-39

2.3.2 主要研究成果  39

2.4 日本煤炭利用中心的部分气化技术  39-41

2.5 清华大学的热电气多联产技术  41-44

2.5.1 以循环灰为热载体的多联产工艺  41-43

2.5.2 以半焦为热载体的多联产工艺  43

2.5.3 主要研究成果  43-44

2.6 山西煤化所煤部分气化利用技术研究进展  44-46

2.6.1 试验系统  44-45

2.6.2 主要研究成果  45-46

2.7 东南大学煤部分气化利用技术研究进展  46-47

2.7.1 试验系统  46

2.7.2 主要研究成果  46-47

2.8 浙江大学煤部分气化技术研究进展  47-50

2.8.1 煤空气/水蒸汽部分气化联合循环发电  47-48

2.8.2 再循环煤气部分气化热电气三联产技术  48-50

2.9 大连理工大学多联产工艺  50-52

2.9.1 工艺流程  50

2.9.2 主要研究成果  50-52

2.10 前苏联开发的粉煤干馏多联产工艺  52-55

2.10.1 工艺流程  52-54

2.10.2 系统设计及试验研究  54-55

2.11 鲁奇鲁尔公司的煤干馏多联产工艺  55-57

2.11.1 工艺流程  55-56

2.11.2 系统设计及试验研究  56-57

2.12 本章小结  57-59

3 煤热解、气化、燃烧分级转化的动力学研究  59-75

3.1 试验目的  59

3.2 实验方法  59-60

3.3 煤热解、气化、燃烧热重实验  60-66

3.3.1 气氛对煤热解、气化、燃烧的影响  60-61

3.3.2 升温速率对热解、气化、燃烧的影响  61-63

3.3.3 煤种对热解、气化、燃烧的影响  63-65

3.3.4 煤/灰比对热解、气化、燃烧的影响  65-66

3.4 部分气化煤焦燃烧与完全气化的热重实验  66-68

3.5 煤的热解、气化、燃烧表观动力学模型  68-72

3.6 本章小结  72-75

4 流化床煤部分气化的试验研究  75-101

4.1 前言  75

4.2 循环流化床气化实验台简介  75-78

4.3 实验方法及步骤  78-80

4.3.1 冷态实验  78-79

4.3.2 热态实验方法及步骤  79-80

4.3.3 燃料特性分析  80

4.4 煤热解气化实验及其结果分析  80-99

4.4.1 煤热解实验结果与分析  80-84

4.4.2 煤空气/水蒸汽部分气化实验结果与分析  84-92

4.4.2.1 空气部分气化实验及其结果分析  84-88

4.4.2.2 空气/水蒸汽气化实验分析  88-92

4.4.3 空气/氧气/水蒸汽气化结果与分析  92-99

4.4.3.1 空气/氧气部分气化实验及其结果分析  93-96

4.4.3.2 空气/氧气/水蒸汽气化实验分析  96-99

4.5 本章小结  99-101

5 半焦特性研究  101-119

5.1 前言  101

5.2 半焦孔隙结构特性实验研究  101-115

5.2.1 实验方法  101-102

5.2.2 试验用煤的孔隙特性  102-103

5.2.3 N_2热解半焦的孔隙特性  103-106

5.2.4 空气气化半焦孔隙特性  106-109

5.2.5 空气/氧气气化半焦孔隙特性  109-111

5.2.6 空气/氧气/水蒸汽气化半焦孔隙率特性  111-115

5.3 半焦燃烧特性研究  115-118

5.3.1 试验台介绍  115-116

5.3.2 半焦燃烧特性  116-118

5.4 本章小结  118-119

6 煤气化及半焦燃烧试验  119-133

6.1 前言  119

6.2 工艺性验证试验台介绍  119-122

6.2.1 工艺性验证试验台系统介绍  119-121

6.2.2 试验过程介绍  121-122

6.3 工艺性验证试验  122-131

6.3.1 给料特性分析  122-123

6.3.2 空气部分气化工艺性验证试验  123-126

6.3.3 再循环煤气部分气化工艺性验证试验  126-131

6.4 本章小结  131-133

7 煤的流化床部分气化及半焦燃烧数学模型  133-173

7.1 前言  133

7.2 数学模型综述  133-140

7.2.1 气化模型  133-138

7.2.2 半焦燃烧模型  138-140

7.3 煤部分气化及半焦燃烧的系统数学模型  140-163

7.3.1 流化床的流体动力学模型  141-143

7.3.2 流化床气化炉气化反应模型  143-148

7.3.3 循环流化床锅炉数学模型  148-153

7.2.4 旋风分离器模型及循环倍率的确定  153-155

7.2.5 炉内颗粒磨损、扬析夹带数学模型  155-158

7.2.6 系统物质和能量平衡数学模型  158-162

7.2.7 模型计算步骤和条件  162-163

7.4 模型计算结果与试验值的比较  163-167

7.4.1 燃料特性  163

7.4.2 模型计算结果与试验值对比分析  163-167

7.4.2.1 再循环煤气热解时模型计算结果与试验值的对比  163-166

7.4.2.2 空气气化时模型计算与试验结果的对比  166-167

7.5 模型计算结果及分析  167-169

7.5.1 煤种变化对运行的影响  167-168

7.5.2 气化炉运行温度对煤气化过程的影响  168-169

7.6 部分气化与完全气化的对比分析  169-171

7.6.1 部分气化联合循环与IGCC联合循环系统参数分析  169-170

7.6.2 成本分析  170-171

7.7 本章小结  171-173

8 全文总结及展望  173-177

8.1 结论  173-174

8.2 主要创新点  174-175

8.3 不足之处和今后的设想  175-177

参考文献  177-193

作者简历及在学期间所取得的科研成果  193-194

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