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加压双流化床煤热解-半焦燃烧分级转化的实验及数值模拟

【摘要】:以煤热解半焦燃烧为核心的加压双流化床煤分级转化技术具有工艺设备简单、反应条件温和、能源转化率高、对环境友好等特点,可用于煤炭资源的高效清洁利用。然而目前对于双流化床煤热解及半焦燃烧过程复杂的流体动力学规律以及化学反应规律掌握不够,其加压热解特性、半焦燃烧特性、反应机理及热解与燃烧反应耦合机理尚不明确,因此该项技术在工业上的应用存在焦油、煤气产率低,污染物排放高等问题。这些问题的存在为加压双流化床煤分级转化的反应器设计、放大、优化以及操作参数的选择和调整增加了难度。本文提出了一种流化床燃烧反应器和喷动流化床煤低温快速热解反应器耦合的加压双流化床煤分级转化装置,并在此基础上开展双流化床中加压煤热解及半焦燃烧特性研究。首先选取了三种煤,对比了不同煤种和半焦的基础物性,并对实验原料进行了分析与评价,依据着火点、粘结性指数、含油量、煤岩成分和灰渣特性等评价指标,选定了黑龙沟煤作为本课题的原料煤。在此基础上,采用热重质谱联用和加压热重等方法分析了煤热解与半焦燃烧过程,研究了热解气体组分在煤裂解过程中的析出规律及半焦燃烧过程中的相关燃烧特性,并进一步地研究了压力范围为0.1~0.5MPa下煤加压热解及半焦加压燃烧反应动力学特性。建立了加压煤分级转化的机理实验系统,并以选定的黑龙沟煤为研究对象,开展了不同热解温度(500~700℃)、压力(0.1~0.5MPa)、气氛(氮气与煤气)和粒径(0~3mm与0~6mm)下的加压煤分级转化机理实验。并利用煤气分析仪、烟气分析仪、气相色谱分析仪、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、N_2吸附和扫描电镜(SEM)测试及X射线衍射分析仪研究了上述参数对加压煤分级转化过程的油气特性、半焦燃烧的污染物排放规律以及相关固体产物如半焦、灰渣等的表面形貌和组成结构特性的影响规律。通过实验研究,发现在煤气气氛下,加压有助于提高焦油和半焦的产量,同时提高焦油和煤气的品质,且随着压力的增加,CO和CO_2排放量增多,NO和SO_2的排放量减少。设计并搭建了给煤量为50kg/h的加压煤分级转化中试试验平台,研究了煤在不同温度、不同压力和不同粒径等条件下热解产物(焦油、燃气和半焦)的产率及成分,考察了半焦在不同温度、不同压力、不同一二次风配比及不同粒径下污染物排放等特性,并以中试试验装置为依据,基于多相流质点网格(MP-PIC)法建立了加压喷动流化床煤热解和带有提升管的加压流化床半焦燃烧过程的欧拉-拉格朗日三维数理模型。基于所建立的模型,开展了加压煤分级转化反应器数值放大研究。初步设计了煤处理量为50万吨/年的喷动流化床煤热解反应器和半焦燃烧反应器,通过结构参数的影响规律研究,确定了两个反应器的最终结构尺寸,并在此基础上,开展了操作参数的影响规律研究,考察了操作压力、半焦与煤的质量比、燃烧器初始床高和粒径分布等参数对反应器运行特性的影响,为加压煤分级转化技术的工业应用提供了指导性建议。

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