间歇式煤气化技术的数值研究.pdf

At h e s i ss u b m i t t e dt o Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y f o r t h ed e g r e eo fM a s t e r N u m e r i c a lS t u d yo fI n t e r m i t t e n tC o a lG a s i f i c a t i o n T e c h n o l o g y B y K eL i S u p e r v i s o r P r o f ．D i n g b i a oW a n g 一 ‘ ‘，”o ’’ E n g i n e e r i n glh e r m o p h y s l c s 一一 一 一 S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n e r g yE n g i n e e r i n g M a y 2 0 11 学位论文原创性声明 l U I II EI IIII III l fll lIIIl Y 19 2 9 0 5 5 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者 李斜 日期2 t ，∥年9 月力留日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑9 、I l 大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者铆 日期弘／7 年} 月≯＆日 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献 保障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务 院学位办、国家科技部的委托，对全国博／硕士学位论文、博士后研究工作报告 进行全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博／硕士论文已经达到1 0 0 多万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成 果的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资 源，为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专 家学者提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并 开发建设了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文 全文进行数字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息 服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相 关情况，本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和 北京万方数据股份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数 据库，并进行信息服务 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等 ， 同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 论文题目 毕业院校 毕业时间 论文类型 间亟基堪氢丝撞苤数麴笪婴究 塑趔太堂 垒Q 堡鱼旦 博士论文 口硕士论文 博士后研究报告口同等学力论文 团 口 授权人签字耆辱斗 日期7 , o ／f 年9 月 摘要 摘要 本文根据某公司间歇式煤气化炉生产工况，从设备结构、操作工艺等方面 进行研究。运用计算机技术，通过对煤气化工艺设备进行数值模拟，将实际的 工艺过程在计算机上虚拟实现，获得可视化的生产工况。通过分析模型内部各 物理量的分布规律来调整模型的设计参数，主要进行了以下工作 1 1 根据化学反应动力学原理对炉膛内各种反应进行了模拟，阐明了影响煤 气化炉制气效率的主要因素是炉膛蓄热量的波动。对于间隙式煤气化炉的热态 模拟研究表明制气效率与炉膛内的蓄热量有着密切的联系，炉膛无法提供持 续的热量导致制气效率不高。 2 运用F l u e n t 软件中的多空介质模型对煤气化炉炉膛进行冷态模拟，将结 果与生产数据进行比较，证明多空介质模型模拟间歇式煤气化炉的可行性。研 究表明，炉膛内填充介质空隙率的变化会对气化剂的分配产生影响。气化剂的 分配有趋中现象，最大布风区域随填充介质的空隙率不同而发生变化，这是引 起煤气化炉工况波动的主要原因之一。 3 本文提出采用数值模拟方法研究间歇式煤气化炉。通过对不同结构的煤 气化炉在不同工况下的数值模拟，可以直观地和精确地看出煤气化炉内的温度 场、速度场和各组分分布状况，为煤气化炉的设计与优化提供强大技术支持， 这是实验所无法实现的。针对现有炉箅的不足进行了新型炉箅的开发，参照国 内外最新研究技术，对炉箅的优化改进做了定性研究。改变炉箅各种参数进行 模拟，对结果中有效气体C O 和H 2 含量进行对比，确定了炉箅四个优化方向分 别为增加炉膛绝热壁、采用直边炉箅、增加每层炉炉箅倾斜角度、调整炉箅 布风间隙。研究表明综合运用这四种措施可以使制气效率提高3 8 ．1 ％。 4 通过对炉箅净化下行气的研究， 外折边在炉箅流道内产生三个减速区， 阐明了炉箅净化的机理。每层炉箅的内 这是颗粒沉降的主要区域，且炉箅内折 边阻挡了沉降下来的颗粒被气流吹到炉算内。通过这一研究，确定了每层炉箅 的最优化倾斜角度为2 0 0 。应用三区域布风理论重新调整了炉箅的布风间隙，实 现了几何结构对进口气化剂的分布优化，同时改善炉膛内的流场，温度场，从 而有效提高间歇式造气工艺的效率。对改进型炉箅和原炉箅进行了对比性试验 摘要 _ 一 生产，采用改进型炉箅可以缩短蓄热时间，增大炉膛蓄热量，降低炉壁热损和 气体带出热损；通过实际生产证明改进型炉箅使产品气体中有效气体含量增加 了2 ．9 ％，明显提高了蒸汽利用率，达到节约能源、提高产品竞争力的目的。 关键词间歇式煤气化；炉箅；气化剂分配；数值模拟 H A b s t r a c t A b s t r a c t A c c o r d i n g t ot h ew o r k i n gc o n d i t i o no fa ni n t e r m i t t e n tc o a lg a s i f i e ri nac o m p a n y , t h ep a p e rg a v ea l li n v e s t i g a t i o no nt h ed e v i c es t r u c t u r e ，p r o c e s sa n do t h e ra s p e c t so f o p e r a t i o nb yc o m p u t e rt e c h n o l o g y ．T h ea c t u a lp r o d u c t i o nc o n d i t i o n sw e r ev i s u a l i z e d b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h ed e s i g n p a r a m e t e r sw e r ea d j u s t e dt h r o u g h t h e d i s t r i b u t i o no fp h y s i c a lq u a n t i t i e si n s i d et h em o d e l ，a n dt h em a i nw o r kW a sa s f o l l o w s 1 A c c o r d i n gt ot h ec h e m i c a lk i n e t i c sp r i n c i p l e ，t h i sp a p e rh a ss i m u l a t e dt h e v a r i o u sr e a c t i o n si nt h ef u r n a c ea n de l u c i d a t e dt h a tt h em a i nf a c t o ri m p a c t i n gt h e g a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw a sf l u c t u a t e di nt h ef u r n a c eh e a ts t o r a g e ．I ts h o w e dU St h a t t h eg a s i f i e re f f i c i e n c yW a sl i n k e dt ot h eh e a ts t o r a g ec l o s e l y , a n di tc o u l d n ’tp r o v i d e s u s t a i n e dh e a t ，w h i c hl e dt ol o we f f i c i e n c yi nt h ef u r n a c e ． 2 T h ep a p e ru s e dp o r o u sm e d i a m o d e lo fF l u e n tf o rs i m u l a t i n gc o l df l o wf i e l d i nt h ec o a lg a s i f i c a t i o nf u r n a c e ．C o m p a r e dw i t ht h ep r o d u c t i o nd a t a ，i ts h o w e dt h a ti t W a sf e a s i b l et oa d o p tp o r o u sm e d i am o d e li ni n t e r m i t t e n tc o a lg a s i f i e rs i m u l a t i o n ． M o r e o v e ri td e m o n s t r a t e dt h a tt h ec h a n g e so fm e d i ac l e a r a n c er a t e sw o u l da f f e c tt h e d i s t r i b u t i o no fg a s i f i c a t i o na g e n t ．T h ed i s t r i b u t i o no fa i rh a v et e n d e n c yt of o c u so nt h e c e n t e ro fg r a t e ．A n di ft h ev o i df r a c t i o nc h a n g e d ，t h er e g i o no ft h el a r g e s ta i r d i s t r i b u t ew o u l da l s oc h a n g e ，w h i c hw a so n eo ft h em a i nr e a s o n sl e a d i n gt ot h e f l u c t u a t i o no fs t a t u s ． 3 N u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r et a k e no nd i f f e r e n ts t r u c t u r e su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sS Ot h a td e s i g n e r sc o u l do b v e r s et h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o no fC O ，H Ea n dw a t e rv a p o ri n t u i t i v e l ya n dp r e c i s e l yi nt h eg a s i f i c a t i o n f u r n a c e ，w h i c hc o u l dp r o v i d es t r o n gt e c h n i c a ls u p p o r tf o rd e s i g n i n ga n do p t i m i z i n g c o a lg a s i f i e r s ．B u ti tw a sf a n t a s t i cf o re x p e r i m e n t s ．F o rt h ed e f i c i e n c i e so fe x i s t i n g g r a t e ，a n e wg r a t eW a sd e v e l o p e d ，a n dq u a l i t a t i v er e s e a r c hW a sm a d eo ng r a t e o p t i m i z a t i o nw i t hr e f e r e n c et ot h el a t e s tr e s e a r c ht e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ． C h a n g i n gt h eg r a t e ’Sv a r i o u sp a r a m e t e r sf o rs i m u l a t i o na n dc o m p a r i n gt h ec o n t e n to f e f f i c i e n tg a s e sa b o u tC Oa n dH Ei nt h er e s u l t s ，t h ef o u ro p t i m i z a t i o nm e a s u r e sw e r ea s I I I A b s t r a c t f o l l o w s i n c r e a s i n gt h ef u r n a c ew a l li n s u l a t i o n ，u s i n gs t r a i g h te d g eg r a t e ，i n c r e a s i n g e a c ht i l ta n g l ef o re a c hg r a t e ，a d j u s t i n gt h ea i rd i s t r i b u t i o n ．A n dt oi n t e g r a t ew i t ht h e f o u rm e a s u r e sc o u l di n c r e a s et h eg a se f f i c i e n c yo f3 8 ．1 ％． 4 B ys t u d y i n gt h ed o w nc l e a na i r , t h ep u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mw a si l l u s t r a t e do n t h ef u r n a c eg r a t e ．F o l d i n gi n s i d ea n do u t s i d eo fe a c h g r a t ep r o d u c e d t h r e e d e c e l e r a t i o nz o n e si nt h ef l o wc h a n n e l sw h i c hw e r et h em a i na r e a so fp a r t i c l e d e p o s i t i o na n dt h es e n i n gd o w np a r t i c l e ss t o p p e db yf o l d i n gi n s i d ew e r eb l o w ni n t o t h eg r a t eb ya i rf l o w ．B yt h er e s e a r c h ，i tw o u l do p t i m i z et h eb e s td i pa n g l ea t2 0 。f o r e a c hg r a t e ．T oi m p r o v et h ef i n a lo p t i m i z e df o rt h eg r a t ep a r a m e t e r s ，a p p l y i n gt h et h r e e r e g i o n a ld i s t r i b u t i o nt h e o r yt or e - a d j u s tt h ea i rd i s t r i b u t i o no ft h eg r a t eg a p ，W ew o u l d a c h i e v et h ed i s t r i b u t i o no fg a s i f y i n ga g e n ta tt h eg r a t ei n l e t ．A tt h es a m et i m ew e c o u l dr a i s et h e e f f i c i e n c y o ft h e g a s i f i c a t i o np r o c e s sb yi m p r o v i n gf l o wf i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l di nt h ef u r n a c e ．C o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lg r a t e ，i tw a si n d i c a t e d t h a tt h en e wc o u l dr e d u c et h et i m ei nh e a ts t o r a g e ，t h eh e a tl o s so ff u r n a c ew a l la n d t h ea i rf l o w , a n db e s i d e si n c r e a s et h eh e a ts t o r a g ei nt h ef u r n a c e ．I tc o u l dc o n f i r mt h a t t h en e wg r a t ei n c r e a s e dt h ee f f e c t i v eg a sb y2 ．9 ％i nt h ep r o d u c tg a sa n di m p r o v e dt h e s t e a mu t i l i z a t i o ns i g n i f i c a n t l y ．S oi tc o u l ds a v ee n e r g ya n di n c r e a s et h ep r o d u c t i o n c o m p e t i t i v ef o r c e s ． K e yw o r d s I n t e r m i t t e n tc o a lg a s i f i c a t i o n ；G r a t e ；G a s i f i c a t i o na g e n t d i s t r i b u t i o n N u m e r i c a ls i m u l a t i o n I V 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 我国的能源现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 我国开展煤气化技术的必要性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．3 本论文研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 煤气化技术综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 煤气化技术原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 煤气化工艺类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．1 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．2 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 本论文的研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 间歇式煤气化技术介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 ．2 煤种及特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 ．3 间歇式煤气化技术的机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 反应动力学⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 ．1 动力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 ．2 吹风阶段的模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．4 - 3 制气阶段的模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．5 关键设备的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．6 工艺指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．7 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 间歇式煤气化炉膛冷态数值研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．1 几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．2 多空介质模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 V 目录 3 ．2 ．3 数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．4 边界条件及参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．1 空隙率变化对压力场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．2 空隙率变化对气化剂总的进口流量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．3 ．3 空隙率变化对每层气化剂进口流量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 间歇式煤气化炉膛热态数值研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 ．1 几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 ．2 数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2 ．3 多空介质传热传质方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．4 边界条件及参数设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．3 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．1 模拟结果云图分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．3 ．2 炉算变参数模拟结果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 炉箅的优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 炉箅倾斜角度的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．1 几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．2 数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 9 5 ．2 ．3 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．3 炉箅各层布风面积的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 - 3 ．1 气化剂分配原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．3 ．2 数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 ．3 结果对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 5 ．4 炉箅最优化改进方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．4 ．1 最终参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．4 ．2 生产验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 V I 目录 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 个人简历及在校期间学术成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 V I l 1 绪论 1 ．1 研究的目的和意义 1 ．1 ．1 我国的能源现状 1 绪论 随着我国经济的高速发展，对能源的需求越来越多，能源日益成为维持我 国经济持续发展的动力。目前，世界能源格局仍旧是以化石燃料为主，风能、 水能、核能等新兴能源共同发展。根据世界能源署的统计，截至2 0 0 8 年化石燃 料在世界能源需求中的比重仍高达8 1 ％，其中石油3 1 ．7 8 ％、天然气2 6 ．2 5 ％、煤 炭2 4 ．1 4 ％1 1 】。但是化石燃料是不可再生能源，全世界已探明的石油可开采储量 为8 7 9 亿吨，还能使用1 3 0 年；天然气2 8 1 亿立方米，煤炭1 4 0 0 0 亿吨，可开 采2 0 0 年。国际能源署预计到2 0 3 5 年我国能源消费占世界能源消费比重将由现 在的1 7 ％上升至2 2 ％。目前，中国的能源结构的主要矛盾是急速上升的消费趋 势和相对贫乏的能源储量。中国的能源存量总量并不丰富，煤炭占世界储量的 1 1 ％，原油仅占2 ．4 ％，天然气占到1 ．2 ％f 2 】；由于中国人口众多，人均占有量不 足世界平均水平的5 0 ％。尽管近几年水能、核能、风能等新兴能源的比重不断 增大，但还是不能满足我国的能源需求。加之近几年国际政治格局变幻莫测， 我国的能源输入区域和运输途径存在潜在的威胁，所以必须大力发展一种能够 使我国能源战略不受外界干扰和限制的技术。 1 ．1 ．2 我国开展煤气化技术的必要性 中国能源储量的特点是“富煤、缺油、少气“ ，在我国常规能源资源探明储 量中，煤炭占8 7 ．4 ％，石油占0 ．3 ％，水能占9 ．5 ％t 3 】；近几年大力发展新能源但 还是没有形成规模，这就决定了我国的能源消费主要是以煤炭为主。据统计2 0 0 8 年我国煤炭消费量占世界煤炭消费总量的4 2 ．6 ％；占国内能源消费比例的 6 8 ．7 ％t 4 1 。煤炭消费比例远远高于世界平均水平。如此巨大的煤炭消费带来了诸 如环境、交通运输等一系列社会问题。 煤炭中含有硫，燃烧过程中生成大量的二氧化硫，造成酸雨。近几年来， 酸雨问题在我国越来越严重了，中国已经成为继欧洲和北美之后的世界第三大 1 1 绪论 酸雨区。我国的酸雨主要是因为大量燃烧含硫量高的煤而形成的，多为硫酸雨， 少量为硝酸雨。其中西南区、华中区、华东区是主要三大酸雨区，华中地区由 于是主要的煤炭能源应用区，所以酸雨现象最为严重。根据统计，1 9 9 5 年我国 由于酸雨和S 0 2 污染而造成的损失达到1 1 0 0 1 0 8 亿元【5 1 。而且，由于煤炭燃烧 产物中含有大量的粉尘颗粒，直接排入大气中，会导致空气质量大幅下降。虽 然在煤炭燃烧产物方面进行了大量的科学研究，排放产物中的S 0 2 等有害成分 减少，但是没有从根本上解决污染问题。 另外，由于我国煤炭分布极不均匀，产煤区多集中在北方地区和西部地区， 而消费市场主要在东部地区，这种错位性的布局在短时间内不会消除，从而形 成规模大、距离长、跨区域的煤炭运输格局。2 0 1 0 年，铁路运输每吨成本9 ．3 元／吨公里【6 】，公路运输成本更高。这样进一步增加了煤炭消费区的用煤成本， 对我国经济有较大的影响。目前，我国煤炭格局的薄弱环节在于交通运输领域， 随着煤炭生产重心的西移，这一不利因素将会更为明显。 1 ．1 ．3 本论文研究的目的和意义 对于以上诸多问题，大力发展以煤气化为代表的原煤加工产业是十分必要 的。煤气化技术是煤炭洁净、高效和综合利用的基础技术和关键技术，其应用 领域极为广泛。目前已实现工业化应用的煤气化技术尽管各有优势，但存在的 缺点也相当明显。 在我国的煤炭气化工艺中，使用最多的是间歇式固定床煤气发生炉。对于 间歇式固定床煤气发生炉，其气化过程的循环时间和各阶段的时间分配过去多 凭经验判断，当煤种及条件变化时，要进行较长时间的摸索和试验。而且普遍 存在制气效率低，煤炭和水蒸气的利用率低、能耗大、对设备要求高等一系列 的不利因素。本论文通过对间歇式煤气化技术的探索，采用理论分析和数值模 拟手段，以期建立更加完善的数学模型和理论，实现对间歇式煤气化工艺的优 化改造。 在中小型煤化工企业中，煤耗的成本占到企业运行总成本的4 0 ％左右，因 此对间歇式煤气化技术进行研究，提高生产效率、降低煤耗，符合我国节能减 排的大战略。 本论文课题选自河南省重大公益性科研项目“合成氨生产节能降耗共性关 2 1 绪论 键技术研究及示范“ 0 8 11 0 0 9 1 0 1 0 0 。 1 ．2 煤气化技术综述 煤气化是洁净煤技术的主要工艺方式，是指将固体煤颗粒在高温条件下通 过化学反应转化为气体燃料的过程。在制气过程中，煤中的有害成分和固体残 渣被清除，煤中的可燃成分有效利用。煤的气化类型可归纳为五种基本类型 自热式的水蒸气气化、外热式水蒸气气化、煤的加氢气化、煤的水蒸气气化和 加氢气化结合制造代用天然气、煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然 气。 1 ．2 ．1 煤气化技术原理 我们常用的煤主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素构成，其中最主要的元素 是碳。不同的煤种含碳量不同，无烟煤最高，其次是烟煤，最少的是褐煤。 煤的气化是就是用煤和水蒸气进行反应，生成C O 和H 2 的过程，但是实际 的过程是由很多种反应组成的，因此，煤气化就是指一系列煤的反应的综合过 程，其中最主要的反应过程包括以下几个方面 1 干燥过程，这一过程主要是利用热量来蒸发煤炭中的水分。 2 干馏过程 热解过程 ，主要是在高温环境下煤炭中的挥发份如甲烷、焦 油、硫化氢等挥发出来的过程。 3 1 还原过程，在高温环境下，水蒸气与焦炭发生反应，产生氢气和一氧化 碳的过程。 4 氧化过程，在这一过程中，氧气与碳反应，生产二氧化碳，还有少部分 的一氧化碳，释放大量的热量。这一过程是主要的蓄热过程。 1 ．2 ．2 煤气化工艺类型 煤炭气化工艺可按压力、气化剂、气化过程供热方式等分类，常用的是按 气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有 固定床气化在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部 1 绪论 通过炉箅加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的流动速度，煤颗粒的移 动速度很缓慢，甚至可以认为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上， 煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，所以又称其为移动床气化。这 种工艺的优点是技术成熟，初期投资小，对煤种的适应性强，我国的大部分煤 种都可以用，因此在我国中小型氮肥企业中应用的最为广泛。 1 1 l l l t d M - 化区 图1 ．1 固定床煤气化炉示意图 F i g ．1 ．1S c h e m a t i cd i a g r a mo ff i x e db e dc o a lg a s i f i e r 流化床气化它的工作原理和固定床类似，但是原料煤颗粒当量直径小于 固定床，由下而上的气流推动使其悬浮分散在炉膛中，煤粒在流化状态进行气 化反应，这样就使得炉膛内的温度、气化状态易于控制，提高气化效率。 4 雠气 一● l 绪论 图1 ．2 流化床煤气化炉示意图 F i g ．1 ．2S c h e m a t i cd i a g r a mo ff l u i d i z e db e d c o a lg a s i f i e r 气流床气化。它是一种并流气化，使用的原料煤颗粒比流化床更小，处于 细小的粉煤状态，也有用煤粉和水先混合成水煤浆作为原料的，然后泵入气化 炉内。这种工艺的特点是技术先进，生产连续，煤的利用率高，排渣流畅，适 合大规模的气化生产，是未来煤气化的发展方向；缺点是对煤种的选择比较挑 剔，我国大部分煤种不适宜这种工艺，因而限制了其发展。 图1 ．3 气流床煤气化炉示意图 F i g ．1 ．3S c h e m a t i cd i a g r a mo fe n t r a i n e df l o wc o a lg a s i f i e r 最近几年，地下煤气化技术 U C G 发展迅猛，这种技术类似于固定床煤气化 工艺，在煤矿区钻两个孔，一个向地下煤层通入氧化剂，使之在开发前进行就 地转化，另一个供煤气排出。与传统的气化方式相比，由于不需要将固体废弃 物挖出地面 粉煤灰仍留在地下 ，不需要井下矿工，对地表的破坏小，因此地下 煤气化技术成本低，所需设备简单。 l 绪论 图1 ．4 地下煤气化示意图 F i g ．1 ．4S c h e m a t i cd i a g r a mo fu n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o n 1 ．3 国内外研究现状 1 ．3 ．1 国内研究现状 体 目前，对于煤燃烧的热力学机理和模型方面有较多的研究。傅维标等【7 J 提出 了煤焦燃烧反应动力学的新思想，认为煤焦反应动力学参数与煤质无关，只是 反应温度的函数，但是反应频率因子受煤质和燃烧状态影响；项友谦【8 】采用直接 测试动力学数据，考虑扩散，导出了孔效率，认为气化过程主要在固相气孔内 进行，不同的反应时段气固之间有不同的传热矢量；刘广建等1 9 ] 从 火用 平衡理