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煤的部分气化及半焦燃烧系统集成研究

【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H_2、CO、CO_2、CH_4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。

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