煤炭的高效清洁利用——煤气化技术.pdf

第3 0 卷繁l l 赣 2 0 0 7 年l l 胃 颇轰幺工 孙王3 0 } 融l l N o v ．2 0 0 7 煤炭的高效清洁利用煤气化技术 张斑慧 西北化■研究院，陕黼西安7 1 0 6 0 0 ￡攘要】麓述了煤气纯技零燕当今煤炭赛效涪净群鬻鳇关键接寒之一。运过对霹懿惩释工盈纯的煤气诧技术戆分舞魄较， 指出了煤气化技术的发展方向，并针对陕北能源基地的建设和煤化工的发展提出了一些建议。． C 关键词】煤气化技术；赫效浩净；发展方向 【孛鼙分类弩】鼹鞋￡文麸檬谖鹂】焘 【交耄编号】l 鼬3 一弱筠≤2 ∞蛰l l 喝笼鳓3 煤炭是地球上辖量最率富、努带簸广泛盼纯看燃 料，中国富煤贫油少气，糯之油价的上涨，能源消费更 依赖煤炭。陕西省是煤炭资源储藏量较大的主要省 蘅，褥陕毒芝煤炭探鹱贮爨超过2 ∞O 证专，占陕嚣省 煤炭资源酶9 隔，储量大、易开采、质优价廉，可供开 采几酉年。为此，国家和陕西省政府决定在陕北地区 建设大型煤炭能源重他芏基遣，充分黎魇获魏的煤炭 资源优势带动陕西经济的发展。 从能源供应现状看，会成氨、甲酵和未来的煤直 接液偬及醇醚燃料夫都以煤气诧裁合成气秀基础，在 全圈范围内，融前仅氨合成和甲醇合成的气伐煤量已 达40 0 0 万t ／a 以上；预计今后煤制油所需气化煤量 每年将达裂纪吨；工监壹接燃媒莲亿t 盎跌上，为解 决污染问题，其中相当部分须采用先进的煤气化方 案，嚣气化煤量上千万吨每年；炼油工业为提高油品 质蠢每年需耗氢圭一2 0 0 亿藏煤气诧是经济可靠 的制氢方案，油品加氢需气化煤爨l0 0 0 万t ／a ；在 未来2 0 年内，煤钊油产爨将达数千万吨，需增加l 亿 鞣娃上嚣装祝容量，藏采耀先进酌煤气纯技术秀基 础的联合循环发电系统，需气化煤量总计约l 一2 亿t ／a 。因此，煤的气化是实现煤炭综合利用翱洁净 攥技术翦重要技术单元和主要手毅，是发震现代煤证 工、煤造油、燃料煤气等熊要工业化生产的龙热。 11 煤气。化技誊发袅瑗；状 { ，l 煤气袍技术的分类秘特点 按煤在气化炉内移动方式分成固定床 移动床 、 流化床、气流床，表l 列毽了各类气纯技术的主要特 点。 【收稿日期】2 0 0 7 啪一1 5 【童簟骜簿贫】张晓慧 1 翦3 - ，女，工程烬，主簧麸事攥气他工 艺磺究工作． 表1 气毒艺技零憋生簧特性 气诧技术辫定床藏诧藤气流臻 茎壅垄爨王苤鳖堕王苤壅垦蕉堕戆 甄辩媒特性’块煤块煤粉煤耪煤挽潆／水璃漩 嚣F 麈矗聪 1 3 一器e 螽一5 0 O 一80 8氇2 灰含量腭 2 0 1 5 举限 不黻 l2 ∞13 ∞举限不臌 j 13 5 0 攘藤秀触 乏拦袅2 4薹．O建辩一美S 墨器一在洗涤冷却室内加入构件能促进气体在液池中的扩散，并可有效抑制液面的波动；随着池内表观气速的增加，液池内局部 气含率、气泡尺寸以及气液界面面积呈增大的趋势，并趋于平缓。将数值模拟结果与实验结果进行对比，两者吻合较好，从而验证了所建数学模型的适 用性及其计算结果的合理性。 为研究洗涤冷却室内含渣气体在穿越液池过程中的气液固三相流动及分布规律，在本文前面所开展的气液两相流动研究的基础上，引入离散颗粒相，在 Euler-Lagrange框架下，将计算气液两相流动的欧拉模型、追踪自由界面的气液界面计算模型和跟踪离散颗粒运动碰撞的确定性颗粒轨道模型三者相结 合，建立适于描述含渣气体穿越液池过程中气液固三相流动的CFD-VOF-DSMC数学模型。与相关实验研究结果进行对比，在验证所建立数学模型及其计算 结果适用性和合理性的基础上，对洗涤冷却室内含渣气体穿越液池过程中的气液固三相流动过程作深入的数值模拟研究，得到了洗涤冷却室内气液连续 相和离散颗粒相的流动形态、流动特征及分布规律。直观的揭示出了该洗涤过程中离散颗粒在洗涤冷却室内沉降、悬浮、被气体夹带及被飞溅液滴捕获 的机理和过程。研究发现在沿洗涤冷却室高度方向，颗粒浓度分布总体呈下降趋势；在液池内，颗粒浓度分布呈现波动形式；粒径较大的颗粒在液池 中易于沉降，对其具有较好的洗涤分离效果，而粒径较小的颗粒沉降生较差，易在液池中悬浮；颗粒级配的改变对液池内的颗粒浓度分布影响较大，而 对液面以上空间的颗粒浓度分布影响较小。 为研究洗涤冷却室内气液固三相体系中的相间分离特性，基于本文前面所建立并得到相关实验验证的CFD-VOF-DSMC数学模型，建立适于描述洗涤冷却室 内含渣气体穿越液池过程中多相间分离行为的数学模型。首次对洗涤冷却室内含渣气体穿越液池过程中所存在的相间分离过程及行为进行了数值模拟研 究，定量揭示并分析了其中的相间分离特性，得到了不同操作参数对气固分离性能的影响规律。研究结果表明含渣气体穿越液池的洗涤净化过程对颗 粒具有较高的捕集效率，依据本文的计算条件，计算得到的颗粒捕集效率可达97％以上；颗粒捕集效率随着颗粒粒径的增大而提高；随着气流速度以及 冷却管浸没液池深度的增加，颗粒捕集效率相应提高，但其对颗粒捕集效率的影响逐渐减弱。 压力波动是影响设备稳定运行的重要因素之一。基于本文以上所建立的CFD-VOF-DSMC数学模型，采用数值模拟的技术手段，对洗涤冷却室内气体穿越液 池的非定常流动过程进行数值实验研究，从中测得室内压力信号。研究发现在洗涤冷却室内气体穿越液池的过程中存在着具有一定周期性的压力波动 。通过快速傅里叶变换，分析了气流速度、液池静态液位等重要操作参数对室内压力波动特性的影响。将计算结果与实验结果进行对比，两者取得一致 。研究还发现随着气流速度及液池静态液位的增加，压力波动幅度增大，主频能量提高，频率改变不明显，主要集中在3～4Hz范围;相对于液池静态液 位，气流速度对压力波动的影响更加显著。 洗涤冷却室内存在的气体带液问题是干扰系统稳定运行的关键问题之一。在分析气体带液及气液分离机理的基础上，将流体力学和液滴动力学理论相结 合，在三维Euler-Lagrange框架下建立气体-液滴流动分离数学模型。基于该模型定量揭示并分析了洗涤冷却室气液分离空间内的气体-液滴流动及分离 特性。模型中考虑了液滴的碰撞聚并行为。将实验数据与数值模拟计算结果进行对比验证，二者符合较好。发挥数值实验的优势，研究了洗涤冷却室气 液分离空间内的气液流动分离过程，全面考察了液滴的运动规律，揭示了气液分离空间高度、气流速度和液滴速度等重要因素对液滴分离效率的影响规 律。研究结果表明液滴在飞溅进入气液分离空间后作减速运动；气液分离空间高度对液滴分离效率的影响是有限的，当分离空间增加到一定高度后其 对液滴分离效率的影响减弱;随着液滴初始飞溅速度的提高，获得最大液滴分离效率所需的分离空间高度增大；在相同表观气速下，对于具有不同初始速 度的液滴，其稳定后的分离效率几乎一致。 在气化炉洗涤冷却室内，经冷却环、冷却管激冷降温后的合成气在随后穿越液池的流动过程中，仍然存在着与冷却水之间的直接接触热质传递现象。基 于本文前面气液两相流动的研究成果，建立适用于洗涤冷却室液池内气液两相间流动与热质传递体系的数学模型，对洗涤冷却室液池内的传热传质机理 作了细致的分析。建立了单个高温气泡与冷却水之间的传热传质理论模型，从微观层面对洗涤冷却室液池内高温气泡与冷却水之间的传热传质规律进行 了数值实验研究。获得了高温气泡在液池内上升冷却过程中的传热传质特性。探讨了气液间传热传质过程中的气泡尺寸、气泡温度、冷却水蒸发速率以 及冷却水蒸发量等参数的变化规律；利用所建立的气液两相间动量、热量及质量同时传递数学模型，对高温、高压条件下气体穿越液池过程中的传热传 质进行了数值模拟，从宏观层面揭示了洗涤冷却室液池内多气泡与液体间热质传递特征及规律。分析了高温气体在穿越液池的过程中，液池内气液两相 的温度分布规律。探讨了不同气速、气泡尺寸、入口气体温度等因素对液池内气液两相温度分布特性的影响。通过体积传热系数表征了洗涤冷却室液池 内多相流动与传热体系的相间传热效率，揭示了关键操作参数的影响规律。 4.期刊论文 张占涛.王黎.孙雪莲.Zhang Zhantao.Wang Li.Sun Xuelian 第三代煤气化技术研究开发进展 -煤化工 2005,333 回顾了煤气化技术发展历程,重点分析了煤的催化气化及其他新型煤气化技术的研究开发进展.针对我国能源消费结构以煤炭为主的状况,论述了我国 大力发展以煤气化为核心的煤炭高效、洁净和综合利用技术的重要意义,并对我国煤气化技术的发展方向进行了展望. 5.学位论文 赵晓 基于ASPEN PLUS仿真模拟煤基醇-醚-电多联产系统 2009 煤炭资源的开发与利用带来了严重的资源与环境问题，并已经成为国民经济可持续发展的制约因素。以煤气化技术为“龙头”的多联产煤炭转化系 统不仅可以实现煤炭资源的合理、高效、洁净、经济利用而且将促进社会、经济、能源、环境的协调发展。 本文基于ASPENPLUS平台，以兖矿集团榆林能化公司一期60万吨甲醇项目作为参考，利用图形化建模工具，建立了以煤的气化为源头生产合成气，合 成气经过净化和水煤气变换反应生成甲醇，甲醇脱水生产二甲醚的煤基多联产流程的仿真模型，流程中主要包括煤气化模块，煤气净化模块，甲醇工段 模块，二甲醚工段模块，并伴随了空分，废热利用和硫回收等模块。 通过ASPENPLUS流程模拟软件根据实际生产工艺选择相应的单元操作模型，严格准确的建立整个煤基多联产工艺的仿真模型，利用ASPENPLUS强大的 物料衡算和能量衡算功能，对所建立的工艺模型进行核算，将模拟结果与实际生产数据对比发现两者基本吻合，说明该模型可以较好地预测整个流程的 生产性能，并且可以利用ASPENPLUS中的灵敏度分析和优化功能对模型整体和部分重点单元模块进行分析调优最终达到优化整个流程的目的。 6.会议论文 徐振刚 煤气化技术发展中的几个问题探讨 2006 煤气化技术是洁净煤技术的重点领域，是煤炭深度转化从而实现合理、高效、洁净利用的关键环节.目前，煤气化技术在我国正面临着前所未有的发 展机遇.然而，人们对煤气化技术发展的一些相关问题的认识尚未完全统一，甚至还存在一些争议，这将严重影响煤气化技术在我国的健康、快速、持续 发展.本文拟对煤气化技术发展中的几个问题进行分析探讨，提出一些建设性意见供参考。 7.学位论文 陈伟 煤气化特性实验研究 2006 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上仅有的几个以煤为主要能源的国家之一。传统的煤炭利用大都采用直接燃烧方式，不仅利用 效率低而且带来高污染问题。提高我国煤炭利用效率，减少煤炭利用带来的环境污染的根本途径是研制和推广应用煤炭优化利用技术，即将目前利用方 式下的煤炭这种不洁净、效率低、使用不方便的能源转化为洁净、高效、方便的能源加以利用。 大规模加压气流床煤气化技术，具有高效、洁净的特点，是国际上先进的煤炭气化技术，也是解决我国能源与环境协调发展问题的重要途径。 煤气化反应机理与规律是选择煤气化工艺、设计和运行气化工业装置的基础，本文运用热失重仪、便携式红外气体分析仪及加压热重分析仪对典型 煤种的燃烧、热解以及二氧化碳气化的反应特性进行研究。主要包括以下几个方面的内容 考察了反应过程中不同因素对反应的影响。升温速率越大，所产生的热滞后现象越严重，往往导致热重曲线上的起始温度和终止温度偏高；样品量 大会影响吸热或放热，也会对逸出气体和温度梯度产生影响，从而使TG 曲线产生偏差。 研究了反应过程中气态产物的逸出释放特性。同一煤样不同气氛下其气态产物差异较大， CH4的逸出大致呈高斯分布，分布范围宽， CO2气氛下 CH4含量和氩气气氛基本相近，都显著高于空气气氛;CO的逸出与其反应过程紧密相关。 对比分析了煤热解和气化过程中N、S元素的转化迁移规律。 8.期刊论文 于广锁.牛苗任.王亦飞.梁钦锋.于遵宏 气流床煤气化的技术现状和发展趋势 -现代化工2004,245 气流床煤气化是煤高效洁净利浆气化的主要因素,如烧嘴、耐火砖、激冷环等,分析了干煤粉气化的技术优势和存在的问题,并阐述了发展趋势.水煤 浆气化已积累丰富经验,而干煤粉气化的实践较少,应用于化工领域还有待工程检验.基于国内煤气化技术的研究开发现状和工业运行情况的分析,提出了 发展我国煤气化技术的战略. 9.学位论文 李伟力 煤气化炉激冷室内气液固三相热质传递规律研究 2006 煤气化技术是燃煤高效、洁净利用的有效手段。Texaco水煤浆气化技术是目前世界上最先进的煤气化方法之一。水煤浆和氧化剂在气化室内燃烧后 产生高温的合成气和熔融态的灰渣，合成气主要成分包括H2、CO和CO，另外还有少量的HS等其它气体。从气化室出来的合成气要经激冷室冷却增 湿。高温合成气和熔融态灰渣，在激冷室内与水直接接触骤冷，同时发生相变和传热，即熔融态灰渣冷凝固化，高温合成气急剧降温并增湿，过程中气 、液、固三相间的热质同时传递规律研究是至关重要的相关环节。从理论上对气液固三相系统中不同相间的热质同时传递进行分析和研究，寻求合理解 决和处理不同相间热质传递的方法与途径，建立描述气液固三相系统中存在热质同时传递的数学模型，针对气液固三相系统中热质同时传递相关的科学 问题的研究，采用数值实验的方法研究和探索高温、高压条件下气液固三相系统热质同时传递的特征与规律是文的主要研究内容。 本文以Texaco气化炉激冷室为研究对象，针对激冷室内部的气、液、固多项复杂流动和传热传质过程建立数学模型，对激冷室中下降管内的流动状 况、热量传递和质量传递进行了模拟计算。包括对下降管内壁水膜流动、下降管内部合成气与激冷水之间的热量传递、激冷水受热后相变蒸发以及灰渣 颗粒在激冷室内部的流动状况进行模拟研究。模拟结果揭示激冷室内部的热、质传递的一些规律，提出了影响下降管内壁水膜覆盖的因素，影响下降管 内部的换热因素以及灰渣的在激冷室内的流动特性。 10.期刊论文 李小红.姚润生.李凡.LI Xiao-hong.YAO Run-sheng.LI Fan 适宜“三高“煤利用的煤气化技术探讨 - 现代化工2009,29z1 我国煤炭资源中高灰、高硫、高灰熔点煤简称“三高“煤所占比例较高,开发高效、洁净的“三高“煤加工技术对我国煤炭资源的可持续发展和利用有 重要意义.本文通过对“三高“煤煤质特点进行分析,结合国内外发展较快的粉煤气化技术,综述了“三高“粉煤气流床气化的可行性,为促进“三高“煤高效、 洁净利用提出了积极的建议. 本文链接 授权使用中国石油大学北京bjsydx，授权号6c6b6250-279f-4cf2-9eaa-9e990162c2bc 下载时间2011年3月1日