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加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟研究

作　者: 李旭升
导　师: 何伯述
学　校: 北京交通大学
专　业: 工程热物理
关键词: 加氢气化加压流化床数值模拟热力学平衡
分类号: TQ546
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国之一,在我国能源结构中,化石燃料占到了77.8%,煤炭资源更是占到了其中的94.3%,而且在今后很长一段时间内煤炭资源仍会占据主导地位。但是在传统的煤炭利用过程中,煤炭资源不能得到有效利用,而且会造成严重的污染,对环境造成巨大的破坏,所以开发新型煤炭利用系统对节能减排具有积极、重要的意义。近零排放煤利用(ZEC)系统是一种先进的洁净煤发电技术,其发电效率可达到70%以上,并且对环境基本无危害。煤加氢气化技术是ZEC系统中的关键技术。立足于ZEC系统的煤加氢气化过程,主要开展了以下三个方面的工作：加压流化床内气固两相流化特性的数值模拟研究,基于化学平衡热力学模型的加氢气化过程理论研究,加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟研究。以颗粒动力学为理论基础,采用欧拉双流体模型,对加压流化床不同压力、温度下的典型工况进行了数值模拟。模拟结果表明,随着压力增大,最小流化速度逐渐减小,并且在相同速度差之下床层膨胀比明显增大。随着温度的升高,最小流化速度也逐渐减小。利用化学平衡热力学模型,分别从压力、温度、氢煤质量比等因素着手,对煤加氢气化进行了热力学预测。结果表明,随着反应压力的升高甲烷的体积分数先是迅速升高,在压力达到3MPa后,该值几乎不再发生变化。随着反应温度的升高,甲烷体积分数先是变化不明显,在温度达到800℃后,该值迅速降低。随着氢煤比的增加,碳转化率先是迅速升高,在氢煤比达到0.3后,该值不再发生变化,而在此过程中甲烷体积分数保持下降。对影响煤加氢气化的关键因素,如温度、压力及氢煤比等进行了CFD模拟研究。模拟结果表明,压力对煤加氢气化的作用非常显著,提高气化反应压力,可以增大反应物浓度,增加气化剂在床内的停留时间,明显提高甲烷产率；而进一步提高压力,由于气化剂的扩散受到抑制,从而反应也会得到抑制,使得出口处甲烷体积分数的增长速度降低。提高气化温度对煤加氢气化的作用不是很明显,这是因为加氢气化反应是放热反应,提高温度会抑制反应的进行。提高氢煤质量比可以明显提高碳转化率,并提高甲烷产量,但是由于系统中气体总量明显增多,所以甲烷体积分数反而降低。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 引言  11-21
  1.1 课题来源及选题背景  11
  1.2 国内外研究现状及发展  11-17
    1.2.1 ZEC技术  12-14
    1.2.2 加氢气化的国内外研究现状  14-15
    1.2.3 煤气化工艺  15-17
  1.3 本文主要研究内容及方法  17-21
    1.3.1 加压流化床气固两相流动特性的数值模拟  17-18
    1.3.2 加氢气化的热力学模型研究  18-19
    1.3.3 加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟  19-21
2 欧拉双流体模型的基本方程及实现方法  21-29
  2.1 欧拉双流体模型的基本方程  21-22
    2.1.1 连续性方程  21-22
    2.1.2 动量守恒方程  22
  2.2 颗粒动能理论相关方程  22-24
  2.3 气固相间封闭关系  24-26
  2.4 湍流模型的选择  26-27
  2.5 计算流体力学的实现方法  27-28
    2.5.1 有限差分法  27
    2.5.2 有限元法  27-28
    2.5.3 有限体积法  28
    2.5.4 三种方法的比较分析  28
  2.6 本章小结  28-29
3 加压流化床气固两相流动特性的数值模拟  29-53
  3.1 实体模型的建立与网格划分  29-31
  3.2 计算方法  31-32
  3.3 计算条件  32-34
    3.3.1 时间步长及最大颗粒堆积率的选择  32
    3.3.2 松弛因子的选择  32-33
    3.3.3 初始及边界条件的设置  33-34
  3.4 加压流化床气固两相流模拟  34-50
    3.4.1 颗粒分类法  34-35
    3.4.2 最小流化速度的模拟  35-47
      3.4.2.1 压力对最小流化速度影响的冷态模拟  35-38
      3.4.2.2 压力对最小流化速度影响的热态模拟  38-44
      3.4.2.3 温度对最小流化速度的影响  44-47
    3.4.3 膨胀高度比的模拟  47-50
  3.5 本章小结  50-53
4 加氢气化的热力学模型研究  53-65
  4.1 Aspen Plus简介  53-55
    4.1.1 气化炉Aspen Plus建模  53-54
    4.1.2 化学反应平衡热力学计算方法  54-55
  4.2 流化床中煤加氢气化热力学模型  55-56
  4.3 压力、温度、氢煤质量比对CH4产率的影响  56-63
    4.3.1 氢煤比对产物的影响  57-58
    4.3.2 反应压力对产物的影响  58-60
    4.3.3 反应温度对产物的影响  60-63
  4.4 本章小结  63-65
5 加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟  65-87
  5.1 控制方程  65-67
    5.1.1 连续性方程  65-66
    5.1.2 动量方程  66
    5.1.3 能量方程  66-67
    5.1.4 组分输运方程  67
  5.2 化学反应模型  67-72
    5.2.1 煤热解模型  67-68
    5.2.2 焦炭气固非均相反应  68-71
      5.2.2.1 焦炭燃烧反应  69-70
      5.2.2.2 焦炭气化反应  70-71
    5.2.3 气体均相反应  71-72
  5.3 加压煤部分气化过程的模拟  72-77
    5.3.1 实体模型的建立与网格划分  73
    5.3.2 边界条件  73-74
    5.3.3 模型基本假设  74-75
    5.3.4 模拟初始条件  75-76
    5.3.5 计算结果及对比分析  76-77
  5.4 煤加氢气化计算结果及预测  77-85
    5.4.1 实体模型的建立与网格划分  78
    5.4.2 边界条件  78-79
    5.4.3 模型基本假设  79
    5.4.4 计算结果  79-85
  5.5 本章小结  85-87
6 全文总结与展望  87-91
  6.1 全文总结  87-88
  6.2 论文不足之处及今后需要开展的工作  88-91
参考文献  91-95
作者简历  95-99
学位论文数据集  99

加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟研究

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