黑液水煤漿催化氣化機理以及氣流床氣化數值模擬研究.pdf

1、水煤漿氣化技術是一種潔凈的煤利用技術。黑液水煤漿氣化是在水煤漿氣化基礎上發(fā)展起來的，屬于加壓氣流床氣化工藝。黑液水煤漿是由造紙黑液和煤配制而成。造紙黑液的資源化利用已經成為造紙生產及相關行業(yè)能否生存和發(fā)展的關鍵因素。黑液水煤漿較之水煤漿氣化不同點在于：黑液中含有大量的有機物和無機物，有機物主要為木質素及纖維素和半纖維素的堿性降解產物；無機物包括游離的鈉鹽和含硅，鋁的化合物等，如氫氧化鈉等。有機物中的木質素和纖維素在黑液水煤漿氣化反應時能

2、一定程度上提高氣化的熱值，尤為重要的是無機物中的鈉鹽在黑液水煤漿氣化反應過程中起到催化劑的作用。 本文主要就黑液水煤漿催化氣化反應的機理進行研究，主要開展了以下幾個方面的工作。 利用氣相色譜研究了黑液水煤漿和新汶煤熱解氣體成分，發(fā)現(xiàn)熱解氣體的主要成份有CO、CO<,2>、H<,2>和CH<,4>，而黑液水煤漿熱解氣體中CO<,2>析出量遠高于新汶煤熱解時CO<,2>的析出量，這說明在含有堿金屬及其化合物的條件下，熱解時煤

3、中的含氧基團如羧酸基團更容易形成CO<,2>析出。熱分析試驗顯示，黑液水煤漿在400～500℃區(qū)間的熱解產物釋放集中，從而使黑液水煤漿在該區(qū)間著火能力增強，極大地改善黑液水煤漿燃燒狀況。 通過對黑液水煤漿焦氣化熱重試驗，發(fā)現(xiàn)氣化溫度對黑液水煤漿焦氣化碳轉化率影響較大，1200℃時黑液水煤漿焦碳轉化率接近最高。常壓氣化反應時，黑液水煤漿焦C-CO<,2>氣化反應的活化能為181.12KJ/mol；普通水煤漿焦氣化反應活化能為206

4、.71KJ/mol。隨著氣化反應壓力的升高，氣化反應的活化能也出現(xiàn)一定程度的下降，說明提高氣化反應壓力有利于提高煤焦氣化反應特性。 通過固定床氣化反應試驗，發(fā)現(xiàn)內擴散仍然影響到黑液水煤漿焦氣化反應特性。減小煤焦粒徑客觀上可以消除氣化反應過程中的內擴散現(xiàn)象。 在對黑液水煤漿氣化制氫試驗中發(fā)現(xiàn)，當添加CaO比例為5％時，H<,2>生成濃度最高。由于催化效果的作用，黑液水煤漿焦在添加5％CaO時生成的氫氣濃度明顯高于相同條件下

5、普通水煤漿焦生成的氫氣濃度。 本文提出了利用液態(tài)二氧化碳提高水煤漿煤水配比，強化水煤漿氣化過程、提高水煤漿氣化碳轉化率和冷煤氣效率的方法。在黑液水煤漿焦C一H<,2>O-CO<,2>固定床氣化反應的試驗中，發(fā)現(xiàn)當添加的CO<,2>比例增加到8％時，有效氣(CO+H<,2>)總量增加，H<,2>的體積數沒有大幅下降。對工業(yè)氣化爐數值模擬分析結果得知，當液態(tài)CO<,2>濃度為7％即煤水配比為69％時，水煤漿氣化反應的碳轉化率和冷煤氣

6、效率分別達到最大值98.58％和76.74％，比原工況分別提高了3.7％和6.1％。對黑液水煤漿焦和普通水煤漿焦氣化后殘渣進行XRD分析，發(fā)現(xiàn)其成分主要是氧鐵化鈣、黝方石、霞石。同時黑液水煤漿焦的殘渣中生成了完全不同于普通水煤漿焦的黝方石和氧鐵化鈣，主要原因是由于黑液中含有堿金屬鈉鹽等無機物和木質素、纖維素等有機物。對不同煤種配制的黑液水煤漿焦進行C-H<,2>O氣化反應試驗，發(fā)現(xiàn)催化劑對不同煤階的煤種催化反應的效果是不一樣的。當碳含量

7、Cdaf在72％-82％的區(qū)間上，黑液水煤漿焦C-H<,2>O氣化反應生成的有效氣含量(CO+H<,2>)較高。原因可能是由于低煤階煤含有更多的含氧官能團，其充當氣化反應的活性點。 最后，本文采用數值模擬的方法對氣流床氣化爐冷態(tài)流場特性、熱態(tài)流場特性、氣化噴嘴頭部受熱和氣化爐渣生成特性進行了數值模擬分析。通過對粉煤氣化爐冷態(tài)流場特性分析可知，由于顆粒相與連續(xù)相之間存在著速度滑移，所以顆粒相的最大速度只有連續(xù)相的0.83左右。在轉

8、動力矩的作用下，顆粒相沿高度方向上螺旋上升，切圓直徑逐步增大，在氣化爐出口處切圓直徑約為出口直徑的2/3左右。從氣化爐的熱態(tài)流場特性可以看出氣化爐的高溫區(qū)區(qū)域主要集中在切圓附近；在4股射流束上碳燃燼速率最高；高溫煙氣沿高度方向螺旋上升，在氣化爐出口處粗煤氣成分與設計值基本一致。對噴嘴頭部受熱進行的數值計算顯示，噴嘴頭部高溫區(qū)主要集中在頭部倒角和突肩處。要降低噴嘴頭部溫度，必須采取有效的措施強化傳熱，如增加冷卻水旋流效果等。 通過