工程热物理专业优秀论文工程热物理专业优秀论文 黑液水煤浆催化气化机理以及气流床气黑液水煤浆催化气化机理以及气流床气化数值模拟研究化数值模拟研究关键词：造纸黑液关键词：造纸黑液 水煤浆水煤浆 催化气化催化气化 气流床气化气流床气化 数值模拟数值模拟 气相色谱气相色谱摘要：水煤浆气化技术是一种洁净的煤利用技术。黑液水煤浆气化是在水煤浆 气化基础上发展起来的，属于加压气流床气化工艺。黑液水煤浆是由造纸黑液 和煤配制而成。造纸黑液的资源化利用已经成为造纸生产及相关行业能否生存 和发展的关键因素。黑液水煤浆较之水煤浆气化不同点在于：黑液中含有大量 的有机物和无机物，有机物主要为木质素及纤维素和半纤维素的碱性降解产物； 无机物包括游离的钠盐和含硅，铝的化合物等，如氢氧化钠等。有机物中的木 质素和纤维素在黑液水煤浆气化反应时能一定程度上提高气化的热值，尤为重 要的是无机物中的钠盐在黑液水煤浆气化反应过程中起到催化剂的作用。 本 文主要就黑液水煤浆催化气化反应的机理进行研究，主要开展了以下几个方面 的工作。 利用气相色谱研究了黑液水煤浆和新汶煤热解气体成分，发现热解 气体的主要成份有 CO、COlt;,2gt;、Hlt;,2gt;和 CHlt;,4gt;，而黑液水煤浆热解气体中 COlt;,2gt;析出 量远高于新汶煤热解时 COlt;,2gt;的析出量，这说明在含有碱金属 及其化合物的条件下，热解时煤中的含氧基团如羧酸基团更容易形成 COlt;,2gt;析出。热分析试验显示，黑液水煤浆在 400500区间 的热解产物释放集中，从而使黑液水煤浆在该区间着火能力增强，极大地改善 黑液水煤浆燃烧状况。 通过对黑液水煤浆焦气化热重试验，发现气化温度对 黑液水煤浆焦气化碳转化率影响较大，1200时黑液水煤浆焦碳转化率接近最 高。常压气化反应时，黑液水煤浆焦 C-COlt;,2gt;气化反应的活化 能为 181.12KJ/mol；普通水煤浆焦气化反应活化能为 206.71KJ/mol。随着气化 反应压力的升高，气化反应的活化能也出现一定程度的下降，说明提高气化反 应压力有利于提高煤焦气化反应特性。 通过固定床气化反应试验，发现内扩 散仍然影响到黑液水煤浆焦气化反应特性。减小煤焦粒径客观上可以消除气化 反应过程中的内扩散现象。 在对黑液水煤浆气化制氢试验中发现，当添加 CaO 比例为 5时，Hlt;,2gt;生成浓度最高。由于催化效果的作用， 黑液水煤浆焦在添加 5CaO 时生成的氢气浓度明显高于相同条件下普通水煤浆 焦生成的氢气浓度。 本文提出了利用液态二氧化碳提高水煤浆煤水配比，强 化水煤浆气化过程、提高水煤浆气化碳转化率和冷煤气效率的方法。在黑液水 煤浆焦 C 一 Hlt;,2gt;O-COlt;,2gt;固定床气化反应的 试验中，发现当添加的 COlt;,2gt;比例增加到 8时，有效气 (CO+Hlt;,2gt;)总量增加，Hlt;,2gt;的体积数没有大幅 下降。对工业气化炉数值模拟分析结果得知，当液态 COlt;,2gt;浓 度为 7即煤水配比为 69时，水煤浆气化反应的碳转化率和冷煤气效率分别 达到最大值 98.58和 76.74，比原工况分别提高了 3.7和 6.1。对黑液 水煤浆焦和普通水煤浆焦气化后残渣进行 XRD 分析，发现其成分主要是氧铁化 钙、黝方石、霞石。同时黑液水煤浆焦的残渣中生成了完全不同于普通水煤浆 焦的黝方石和氧铁化钙，主要原因是由于黑液中含有碱金属钠盐等无机物和木 质素、纤维素等有机物。对不同煤种配制的黑液水煤浆焦进行 C-Hlt;,2gt;O 气化反应试验，发现催化剂对不同煤阶的煤种催化反应 的效果是不一样的。当碳含量 Cdaf 在 72-82的区间上，黑液水煤浆焦 C- Hlt;,2gt;O 气化反应生成的有效气含量(CO+Hlt;,2gt;) 较高。原因可能是由于低煤阶煤含有更多的含氧官能团，其充当气化反应的活 性点。 最后，本文采用数值模拟的方法对气流床气化炉冷态流场特性、热态 流场特性、气化喷嘴头部受热和气化炉渣生成特性进行了数值模拟分析。通过 对粉煤气化炉冷态流场特性分析可知，由于颗粒相与连续相之间存在着速度滑 移，所以颗粒相的最大速度只有连续相的 0.83 左右。在转动力矩的作用下，颗 粒相沿高度方向上螺旋上升，切圆直径逐步增大，在气化炉出口处切圆直径约 为出口直径的 2/3 左右。从气化炉的热态流场特性可以看出气化炉的高温区区 域主要集中在切圆附近；在 4 股射流束上碳燃烬速率最高；高温烟气沿高度方 向螺旋上升，在气化炉出口处粗煤气成分与设计值基本一致。对喷嘴头部受热 进行的数值计算显示，喷嘴头部高温区主要集中在头部倒角和突肩处。要降低 喷嘴头部温度，必须采取有效的措施强化传热，如增加冷却水旋流效果等。 通过对气化炉渣层模型的数值计算显示，非稳态条件下沿气化炉高度方向上不 同区域渣层的厚度和温度有较大变化，燃烧区域固态渣层和液态渣层厚度大幅 减薄；负荷增加，炉内温度升高，渣层厚度也会减薄。本文的模型结果有助于 人们对气流床气化炉反应过程的理解；对气化炉内生成气成分变化和温度对渣 层特性影响规律有更理性的认识；同时对气化炉热态运行时喷嘴的受热状况有 更直观的了解，有针对性采取措施提高喷嘴的使用寿命。正文内容正文内容水煤浆气化技术是一种洁净的煤利用技术。黑液水煤浆气化是在水煤浆气 化基础上发展起来的，属于加压气流床气化工艺。黑液水煤浆是由造纸黑液和 煤配制而成。造纸黑液的资源化利用已经成为造纸生产及相关行业能否生存和 发展的关键因素。黑液水煤浆较之水煤浆气化不同点在于：黑液中含有大量的 有机物和无机物，有机物主要为木质素及纤维素和半纤维素的碱性降解产物； 无机物包括游离的钠盐和含硅，铝的化合物等，如氢氧化钠等。有机物中的木 质素和纤维素在黑液水煤浆气化反应时能一定程度上提高气化的热值，尤为重 要的是无机物中的钠盐在黑液水煤浆气化反应过程中起到催化剂的作用。 本 文主要就黑液水煤浆催化气化反应的机理进行研究，主要开展了以下几个方面 的工作。 利用气相色谱研究了黑液水煤浆和新汶煤热解气体成分，发现热解 气体的主要成份有 CO、COlt;,2gt;、Hlt;,2gt;和 CHlt;,4gt;，而黑液水煤浆热解气体中 COlt;,2gt;析出 量远高于新汶煤热解时 COlt;,2gt;的析出量，这说明在含有碱金属 及其化合物的条件下，热解时煤中的含氧基团如羧酸基团更容易形成 COlt;,2gt;析出。热分析试验显示，黑液水煤浆在 400500区间 的热解产物释放集中，从而使黑液水煤浆在该区间着火能力增强，极大地改善 黑液水煤浆燃烧状况。 通过对黑液水煤浆焦气化热重试验，发现气化温度对 黑液水煤浆焦气化碳转化率影响较大，1200时黑液水煤浆焦碳转化率接近最 高。常压气化反应时，黑液水煤浆焦 C-COlt;,2gt;气化反应的活化 能为 181.12KJ/mol；普通水煤浆焦气化反应活化能为 206.71KJ/mol。随着气化 反应压力的升高，气化反应的活化能也出现一定程度的下降，说明提高气化反 应压力有利于提高煤焦气化反应特性。 通过固定床气化反应试验，发现内扩 散仍然影响到黑液水煤浆焦气化反应特性。减小煤焦粒径客观上可以消除气化 反应过程中的内扩散现象。 在对黑液水煤浆气化制氢试验中发现，当添加 CaO 比例为 5时，Hlt;,2gt;生成浓度最高。由于催化效果的作用， 黑液水煤浆焦在添加 5CaO 时生成的氢气浓度明显高于相同条件下普通水煤浆 焦生成的氢气浓度。 本文提出了利用液态二氧化碳提高水煤浆煤水配比，强 化水煤浆气化过程、提高水煤浆气化碳转化率和冷煤气效率的方法。在黑液水 煤浆焦 C 一 Hlt;,2gt;O-COlt;,2gt;固定床气化反应的 试验中，发现当添加的 COlt;,2gt;比例增加到 8时，有效气 (CO+Hlt;,2gt;)总量增加，Hlt;,2gt;的体积数没有大幅 下降。对工业气化炉数值模拟分析结果得知，当液态 COlt;,2gt;浓 度为 7即煤水配比为 69时，水煤浆气化反应的碳转化率和冷煤气效率分别 达到最大值 98.58和 76.74，比原工况分别提高了 3.7和 6.1。对黑液 水煤浆焦和普通水煤浆焦气化后残渣进行 XRD 分析，发现其成分主要是氧铁化 钙、黝方石、霞石。同时黑液水煤浆焦的残渣中生成了完全不同于普通水煤浆 焦的黝方石和氧铁化钙，主要原因是由于黑液中含有碱金属钠盐等无机物和木 质素、纤维素等有机物。对不同煤种配制的黑液水煤浆焦进行 C- Hlt;,2gt;O 气化反应试验，发现催化剂对不同煤阶的煤种催化反应 的效果是不一样的。当碳含量 Cdaf 在 72-82的区间上，黑液水煤浆焦 C- Hlt;,2gt;O 气化反应生成的有效气含量(CO+Hlt;,2gt;) 较高。原因可能是由于低煤阶煤含有更多的含氧官能团，其充当气化反应的活性点。 最后，本文采用数值模拟的方法对气流床气化炉冷态流场特性、热态 流场特性、气化喷嘴头部受热和气化炉渣生成特性进行了数值模拟分析。通过 对粉煤气化炉冷态流场特性分析可知，由于颗粒相与连续相之间存在着速度滑 移，所以颗粒相的最大速度只有连续相的 0.83 左右。在转动力矩的作用下，颗 粒相沿高度方向上螺旋上升，切圆直径逐步增大，在气化炉出口处切圆直径约 为出口直径的 2/3 左右。从气化炉的热态流场特性可以看出气化炉的高温区区 域主要集中在切圆附近；在 4 股射流束上碳燃烬速率最高；高温烟气沿高度方 向螺旋上升，在气化炉出口处粗煤气成分与设计值基本一致。对喷嘴头部受热 进行的数值计算显示，喷嘴头部高温区主要集中在头部倒角和突肩处。要降低 喷嘴头部温度，必须采取有效的措施强化传热，如增加冷却水旋流效果等。 通过对气化炉渣层模型的数值计算显示，非稳态条件下沿气化炉高度方向上不 同区域渣层的厚度和温度有较大变化，燃烧区域固态渣层和液态渣层厚度大幅 减薄；负荷增加，炉内温度升高，渣层厚度也会减薄。本文的模型结果有助于 人们对气流床气化炉反应过程的理解；对气化炉内生成气成分变化和温度对渣 层特性影响规律有更理性的认识；同时对气化炉热态运行时喷嘴的受热状况有 更直观的了解，有针对性采取措施提高喷嘴的使用寿命。 水煤浆气化技术是一种洁净的煤利用技术。黑液水煤浆气化是在水煤浆气化基 础上发展起来的，属于加压气流床气化工艺。黑液水煤浆是由造纸黑液和煤配 制而成。造纸黑液的资源化利用已经成为造纸生产及相关行业能否生存和发展 的关键因素。黑液水煤浆较之水煤浆气化不同点在于：黑液中含有大量的有机 物和无机物，有机物主要为木质素及纤维素和半纤维素的碱性降解产物；无机 物包括游离的钠盐和含硅，铝的化合物等，如氢氧化钠等。有机物中的木质素 和纤维素在黑液水煤浆气化反应时能一定程度上提高气化的热值，尤为重要的 是无机物中的钠盐在黑液水煤浆气化反应过程中起到催化剂的作用。 本文主 要就黑液水煤浆催化气化反应的机理进行研究，主要开展了以下几个方面的工 作。 利用气相色谱研究了黑液水煤浆和新汶煤热解气体成分，发现热解气体 的主要成份有 CO、COlt;,2gt;、Hlt;,2gt;和 CHlt;,4gt;，而黑液水煤浆热解气体中 COlt;,2gt;析出 量远高于新汶煤热解时 COlt;,2gt;的析出量，这说明在含有碱金属 及其化合物的条件下，热解时煤中的含氧基团如羧酸基团更容易形成 COlt;,2gt;析出。热分析试验显示，黑液水煤浆在 400500区间 的热解产物释放集中，从而使黑液水煤浆在该区间着火能力增强，极大地改善 黑液水煤浆燃烧状况。 通过对黑液水煤浆焦气化热重试验，发现气化温度对 黑液水煤浆焦气化碳转化率影响较大，1200时黑液水煤浆焦碳转化率接近最 高。常压气化反应时，黑液水