加压循环湍动流化床煤气化试验和模型的研究

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1、摘要煤炭是我国的主要能源，煤气化是煤炭高效清洁利用的主要技术之一。相对于粉煤高温气化，流化床温和气化的反应温度较低，因此对气化设备、耐火材料以及氧耗等方面的要求不高。该气化技术特别适用于我国储量丰富的高灰熔点煤的气化，但也存在气化效率较低以及不易大型化等难题。本文提出了一种加压循环湍动流化床煤气化新工艺，通过实验研究、理论分析和数值模拟等手段对其气化行为进行了系统研究。从4个层面依次开展研究工作，包括：基于小波模极大值的鼓泡流态化到湍动流态化流型转变特性研究，循环流化床的流型辨识与循环通量研究、加压循环湍动流化床煤气化热态

2、试验研究以及加压循环湍动流化床煤气化数学修正模型和数值试验研究。在提升管直径为60ram，高度为5．5m的不循环的冷态流化床试验装置上，使用基于信号奇异性检测的小波模极大值法，研究鼓泡流态化到湍动流态化的流型转变特性，获得相应的流型转变初始速度。使用压力波动平均振幅法和标准偏差法对压力波动信号进行分析，得到的转变初始速度相互之间最大标准偏差为10，8％，说明这三种方法均能正确判断鼓泡流态化到湍动流态化的流型转变初始速度。与后两种方法相比，小波模极大值法有使用数据量少、分析速度快的优点。使用该方法对鼓泡流态化到湍动流态化的流

3、型转变特性的研究未见报道。在上述冷态试验装置上增加循环返料系统，构建循环流化床冷态试验装置。根据鼓泡流态化到湍动流态化的流型转变特性研究成果，使用小波模极大值法和理论分析相结合的方法对循环流化床流型进行辨识。研究表明：使用宽筛分的床料参与循环，有助于形成“下部湍动，上部快速环核”的流型结构。在该装置上对熟态试验使用的宽筛分床料进行循环通量研究，结果表明：表观风速由3．4提高到4．4rids时，固体循环通量由16．6增加到47．4k∥(m2s)，但风速继续增加，循环通量的增大速度会减缓。根据上述研究成果，构建了最大熟输入O．

4、1MWth、气化压力O．卜一o．5MPa、提升管高度6．8m、下部内径70Inl]B以及上部内径60mln的变直径小型加压循环湍动流化床煤气化试验装置。成功进行了系统联动试验，试验结果表明，此工艺系统设计基本合理，整个系统能够协调稳定运行。首次将气化剂高温预热技术应用于加压循环湍动流化床煤气化工艺，气化剂预热温度由400℃提高到700℃时，煤气热值提高2l％：加压试验中碳转化率由常压的57．52％增加到0．5MPa的80．48％；在空气．煤化学当量比为0．35以及蒸汽煤比为O．38kg／kg时，煤气热值、碳转化率等达到最大

5、值。采用吉布斯自由能最小化法建立煤气化反应平衡模型，该模型能够预测气化反应基本规律，但是计算准确性较差。回归热态试验获得的碳转化率和甲烷产率，将其用于平衡模型的动力学修正，建立界于热态试验操作参数范围之内的加压循环湍动流化床煤气化数值计算核心模型。修正后的模型计算结果和试验结果非常吻合。煤气化试验众多操作参数之间会相互产生影响，通过数值试验对热态试验无法完成的单一影响因素的影响效果进行研究。数值试验结果表明：空气．煤化学当量比和蒸汽煤比分别存在适宜操作区域，在此区域内，气化参数最优。煤气热值最大时空气．煤化学当量比为O．3

6、3，接近热态试验最佳操作值0．35：蒸汽煤比为0．38kg／kg，与热态试验结论相同。数值试验计算所得的最大煤气热值均低于试验值。关键词：加压；湍动：循环流化床：煤气化；化学平衡；数值计算东南大学博士学位论文AbstractCoalisthemajor锄e卿$our∞inChina．Coalgasificationisoneofthemaintechniquesineffjcient峨ofcleancoal．ComparedwithontraineA-bedcoalgasification,thetemperatureof

7、mildgasificationonfluidizedbedreactorisrelativelylow．neadvantageliesinlessdemandingofgasificationequipment,materialofrefractory,oxygenconsul／lptionandsoon．Fluidizodcoalgasificationisespeciallysuitableforhigh-ash-fusioncoal．whichisabundantinChina,butalsohasalotofdi

8、fficultyproblemstobesolved,suchaslowgasificatione伍cieneyandhardlarge．∞ale．Anewprocessofpressurizedturbulentcirculatingfluidizedbed(CFB)coalgasificationi