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加压喷动流化床煤部分气化试验研究和数学模型

作　者: 肖屹东
导　师: 金保昇；肖睿
学　校: 东南大学
专　业: 热能工程
关键词: 喷动流化床煤加压部分气化煤气成分与热值数学模型
分类号: TK229.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

本文在内径89mm, 高4.2m的喷动流化床气化炉试验装置上对煤部分气化进行了系统的试验研究和理论分析。试验采用高度预热的空气和水蒸汽作为气化介质,并利用加压气化技术,以减少飞灰可燃物带出量,提高煤的利用效率。试验重点考察了气化炉压力、床层温度、空煤比和汽煤比等因素对干煤气成分和热值的影响,并对其气化机理进行了分析。结果表明,床层温度的提高有利于CO2还原反应和水蒸气分解反应的进行,提高了煤气的质量,但过高的温度会使散热损失增加,还会造成炉内结焦;空煤比过大,炉内燃烧反应份额增加,反而对煤气的热值提高不利;汽煤比增加后煤气中H2和CH4浓度显著增加,煤气质量有明显的改善,但过量的蒸汽会导致气化温度的降低和煤气质量的下降;随着气化炉压力的增加,反应速度增加,煤气中CO增加,CO2和H2减少,蒸汽分解率下降,干煤气热值有所提高。在试验工况下,加压喷动流化床煤部分气化炉存在较佳试验工况:气化炉适宜运行温度区间为910℃～940℃;空煤比在2.5～3.3之间;汽煤比在0.36左右。炉内温度是反映气化反应速率最主要标志之一,加上喷动流化床内气化反应的本质是通过固体颗粒再循环和气体扩散将中心燃烧区的热量带至环形还原区,因此本文建立了加压喷动流化床煤部分气化炉的一维非等温模型。模型考虑了喷动流化床内煤脱挥发分过程、床内气固两相流动情况、煤部分气化特性和物料质量及能量平衡等,引入了挥发分析出子模型、两相流动子模型、气化子模型和质量及能量守恒子模型。模型将整个气化炉沿床高按流动状态分为三个区:炉栅区、鼓泡区和悬浮区。对各区域进行合理的假设后,采用变步长、多次循环迭代的方法对加压喷动流化床气化过程的一维非等温数学模型进行求解,并在此基础上模拟整个气化炉的温度场。模型计算结果基本反映气化炉内气体各组分分布的规律,对H2和CO2的模拟结果与试验较吻合;但对CO和CH4的模拟能够反映其变化趋势,尚存在一定误差。模型模拟的床层温度沿床高分布与试验所测结果相比,在炉栅区和炉膛出口的模拟结果与试验结果吻合较好;在悬浮区内模拟结果能反映床温的变化趋势,但在数值上存在一定的误差。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-18
  1.1 研究工作的背景  8-13
    1.1.1 引言  8
    1.1.2 煤气化工艺研究历程和发展方向  8-12
    1.1.3 煤部分气化的特点  12
    1.1.4 煤部分气化联合循环发电的实现方案  12-13
  1.2 喷动流化床数学模型研究现状  13-17
    1.2.1 流动模型  13-14
    1.2.2 流化床内射流研究现状  14-15
    1.2.3 喷动床一维等温和非等温数学模型  15-16
    1.2.4 射流流化床气化模型  16
    1.2.5 压力的影响  16-17
  1.3 课题主要来源和本文的主要研究工作  17-18
    1.3.1 课题来源  17
    1.3.2 论文主要工作  17-18
第二章试验装置和测量方法  18-25
  2.1 试验系统与装置  18-21
    2.1.1 试验装置系统图  18
    2.1.2 水蒸汽和空气预热系统  18-19
    2.1.3 给煤和排渣系统  19-20
    2.1.4 气化炉本体系统  20-21
    2.1.5 尾部系统  21
  2.2 试验材料  21-23
    2.2.1 床料  22
    2.2.2 试验用煤  22-23
  2.3 测点分布  23
    2.3.1 温度测点布置  23
    2.3.2 压差及压力测点布置  23
  2.4 测量方法  23
    2.4.1 煤气成分测量  23
    2.4.2 底渣和飞灰含碳量测量  23
  2.5 试验过程  23-25
    2.5.1 热态启动  23-24
    2.5.2 蒸汽发生器系统的启动与运行  24
    2.5.3 热态试验  24
    2.5.4 停炉  24-25
第三章加压喷动流化床煤部分气化特性试验研究  25-40
  3.1 引言  25
  3.2 冷态试验  25-29
    3.2.1 螺旋加料器与加料量的关系  25-26
    3.2.2 锥形布风板阻力特性  26
    3.2.3 总风量与床层压降的关系  26-29
  3.3 喷动流化床煤气化反应机理  29-30
  3.4 温度对气化的影响  30-32
    3.4.1 床层温度沿床高的分布  30-31
    3.4.2 射流区与环形区温差  31
    3.4.3 床层温度对煤气成分的影响  31-32
    3.4.4 床层温度对煤气热值的影响  32
  3.5 空煤比对气化的影响  32-35
    3.5.1 空煤比对床层温度的影响  33
    3.5.2 空煤比对煤气成分的影响  33-34
    3.5.3 空煤比对煤气热值的影响  34-35
  3.6 汽煤比对气化的影响  35-37
    3.6.1 汽煤比对床层温度的影响  35-36
    3.6.2 汽煤比对煤气成分的影响  36
    3.6.3汽煤比对煤气热值的影响  36-37
  3.7 压力对气化的影响  37-39
    3.7.1 压力对煤气成分的影响  37-38
    3.7.2 压力对煤气热值的影响  38-39
  3.8 本章小结  39-40
第四章加压喷动流化床煤部分气化数学模型  40-63
  4.1 引言  40
  4.2 流动子模型  40-50
    4.2.1 炉栅区  41-45
    4.2.2 鼓泡区  45-48
    4.2.3 悬浮区  48-50
  4.3 挥发分析出子模型  50-52
    4.3.1 煤的脱挥发分过程概述  50
    4.3.2 影响煤挥发分析出的因素  50-51
    4.3.3 描述挥发分析出过程的主要参数  51
    4.3.4 本文的挥发分析出子模型  51-52
  4.4 燃烧子模型  52-54
    4.4.1 焦炭燃烧子模型  52-54
    4.4.2 气化均相反应  54
  4.5 气化子模型  54-57
    4.5.1 碳与水蒸汽的反应  55
    4.5.2 二氧化碳的还原反应  55-56
    4.5.3 水气置换反应  56
    4.5.4 碳与氢气的反应  56-57
  4.6 气固质量平衡子模型  57-60
    4.6.1 炉栅区气固质量平衡  57-59
    4.6.2鼓泡区气固质量平衡  59
    4.6.3 悬浮区气固质量平衡  59-60
  4.7 能量平衡子模型  60-62
    4.7.1 炉栅区气固能量平衡  60-62
    4.7.2 鼓泡区气固能量平衡  62
    4.7.3 悬浮区气固能量平衡  62
  4.8 本章小结  62-63
第五章加压喷动流化床数值模拟和分析  63-70
  5.1 模型的求解  63-65
  5.2 数值模拟与试验结果对比  65-69
    5.2.1 炉栅区  65-67
    5.2.2 鼓泡区  67-68
    5.2.3 悬浮区  68
    5.2.4 炉膛出口煤气成分试验值与模拟值的比较  68-69
  5.3 本章小结  69-70
第六章总结与建议  70-71
附录气化过程中碳的基本反应  71-72
主要符号  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-78

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