CO2和H2O混合氣氛條件下煤焦氣化機(jī)理及數(shù)值模擬研究.pdf

1、煤氣化被認(rèn)為是一種具發(fā)展前景的潔凈煤利用技術(shù)之一，國內(nèi)外各國政府和研究機(jī)構(gòu)都對煤氣化技術(shù)給予了極大的關(guān)注。在單一CO2或H2O氣氛條件下的煤焦氣化機(jī)理研究較多，基于Langmuir-Hinshelwood吸附氣化機(jī)理的氣化速率方程得到了較廣泛的應(yīng)用。但是在CO2和H2O混合氣氛條件下煤焦氣化機(jī)理的研究存在爭議。最主要的爭議在于：①煤焦-CO2和煤焦-H2O反應(yīng)的活性位是否相同；②CO2吸附和 H2O吸附之間如何相互作用。其中反應(yīng)活性位最

2、主要的影響因素是熱解條件，煤種和催化劑等；CO2和H2O吸附關(guān)系的最主要影響因素是反應(yīng)條件，包括氣體分壓和溫度等。
　　本文建立了一套基于微型流化床的粉煤焦氣化動力學(xué)測試方法，與熱天平反應(yīng)器測試對比，實(shí)驗(yàn)研究不同影響因素對CO2和H2O混合氣氛條件下煤焦氣化機(jī)理的影響，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出一種可能的煤焦氣化機(jī)理，并將該氣化機(jī)理運(yùn)用于實(shí)際氣化爐的數(shù)值模擬中。主要展開了如下幾個方面的工作。
　　基于微型流化床的粉煤焦氣化動力學(xué)測試

3、方法能盡量避免流化床中的流體動力學(xué)特性對本征反應(yīng)的干擾，使煤焦的氣化反應(yīng)動力學(xué)測量更接近其本征反應(yīng)過程。并與傳統(tǒng)熱天平條件下得到的氣化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，流化床測量得到的煤焦氣化反應(yīng)速率較相同條件下熱天平反應(yīng)器測量的氣化速率高。由于流化床內(nèi)的氣固相耦合更均勻，氣化反應(yīng)的機(jī)理函數(shù)更接近于均相反應(yīng)模型，而熱天平中由于堆積效應(yīng)的存在，氣化反應(yīng)的機(jī)理函數(shù)更接近于相界面收縮核模型。
　　通過沉降爐和水平管式爐分別制備快速熱解和

4、慢速熱解條件下的煤焦樣品，在不同CO2和H2O分壓條件下，分別使用熱天平反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器測量恒溫1273K條件下煤焦的氣化速率，研究熱解條件對CO2和H2O混合氣氛條件下的煤焦氣化機(jī)理的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熱解條件對煤焦氣化反應(yīng)速率有顯著的影響，快速焦的反應(yīng)速率高于慢速焦的反應(yīng)速率；但是不管對快速焦還是慢速焦來說，在CO2和H2O混合氣氛條件下的煤焦氣化反應(yīng)速率均低于單獨(dú)CO2和H2O分壓下的速率之和，而高于各自單獨(dú)分壓下的反應(yīng)速率

5、。煤焦-H2O的反應(yīng)獨(dú)立于煤焦-CO2反應(yīng)，但煤焦-CO2的反應(yīng)會受煤焦-H2O反應(yīng)的抑制。
　　使用四種不同煤階的原煤以及兩種酸洗后的煤在沉降爐快速熱解條件下制得六種煤焦樣品，在不同CO2和H2O分壓條件下，分別使用熱天平反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器測量恒溫1273K條件下煤焦的反應(yīng)速率。研究煤種對CO2和H2O混合氣氛條件下的煤焦氣化機(jī)理的影響。并對其中一種煤焦分別在1173K，1223K和1273K三個溫度條件下測量煤焦氣化速率，研

6、究溫度對CO2和 H2O混合氣氛條件下氣化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在1173-1273K溫度條件下，煤焦-CO2反應(yīng)與煤焦-H2O的反應(yīng)更多的發(fā)生在相同的反應(yīng)活性位，H2O相對于CO2更優(yōu)先吸附于煤焦表面。煤種，溫度和煤中礦物質(zhì)對氣體的優(yōu)先吸附順序影響較小?；诖私Y(jié)論推導(dǎo)了一種新的煤焦氣化速率方程，在熱天平和流化床反應(yīng)器內(nèi)的計算結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)測量值吻合較好。
　　使用模擬軟件，建立了氣化爐熱平衡模型，計算進(jìn)口原料組分的相對量變化對合成

7、氣的氣體組分及溫度的影響。并使用商業(yè)CFD軟件，建立了氣化爐三維數(shù)值模擬模型，全面計算爐內(nèi)的流動、傳熱和氣化過程，得到了氣化爐內(nèi)的溫度分布，流場分布，組分濃度分布和顆粒軌跡等。此外為了更準(zhǔn)確計算氣化爐內(nèi)的碳轉(zhuǎn)化率，完善非均相氣固反應(yīng)子模型，本文嘗試通過Fortran編程軟件建立一個簡單的一維煤氣化模型，應(yīng)用本文實(shí)驗(yàn)得到的CO2和H2O混合氣氛條件下的氣化反應(yīng)速率方程計算煤焦的整體反應(yīng)速率，并將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)報道的實(shí)際氣化爐運(yùn)行結(jié)果對比。