黑液水煤漿催化氣化機(jī)理以及氣流床氣化數(shù)值模擬研究.pdf

1、水煤漿氣化技術(shù)是一種潔凈的煤利用技術(shù)。黑液水煤漿氣化是在水煤漿氣化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(jīng)成為造紙生產(chǎn)及相關(guān)行業(yè)能否生存和發(fā)展的關(guān)鍵因素。黑液水煤漿較之水煤漿氣化不同點(diǎn)在于：黑液中含有大量的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，有機(jī)物主要為木質(zhì)素及纖維素和半纖維素的堿性降解產(chǎn)物；無(wú)機(jī)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(jī)物中的木質(zhì)素和纖維素在黑液水煤漿氣化反應(yīng)時(shí)能

2、一定程度上提高氣化的熱值，尤為重要的是無(wú)機(jī)物中的鈉鹽在黑液水煤漿氣化反應(yīng)過(guò)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(yīng)的機(jī)理進(jìn)行研究，主要開(kāi)展了以下幾個(gè)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(yuǎn)高于新汶煤熱解時(shí)CO<,2>的析出量，這說(shuō)明在含有堿金屬及其化合物的條件下，熱解時(shí)煤

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

4、.71KJ/mol。隨著氣化反應(yīng)壓力的升高，氣化反應(yīng)的活化能也出現(xiàn)一定程度的下降，說(shuō)明提高氣化反應(yīng)壓力有利于提高煤焦氣化反應(yīng)特性。 通過(guò)固定床氣化反應(yīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)擴(kuò)散仍然影響到黑液水煤漿焦氣化反應(yīng)特性。減小煤焦粒徑客觀上可以消除氣化反應(yīng)過(guò)程中的內(nèi)擴(kuò)散現(xiàn)象。 在對(duì)黑液水煤漿氣化制氫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加CaO比例為5％時(shí)，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(shí)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(qiáng)化水煤漿氣化過(guò)程、提高水煤漿氣化碳轉(zhuǎn)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(yīng)的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加的CO<,2>比例增加到8％時(shí)，有效氣(CO+H<,2>)總量增加，H<,2>的體積數(shù)沒(méi)有大幅下降。對(duì)工業(yè)氣化爐數(shù)值模擬分析結(jié)果得知，當(dāng)液態(tài)CO<,2>濃度為7％即煤水配比為69％時(shí)，水煤漿氣化反應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣

6、效率分別達(dá)到最大值98.58％和76.74％，比原工況分別提高了3.7％和6.1％。對(duì)黑液水煤漿焦和普通水煤漿焦氣化后殘?jiān)M(jìn)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(shí)黑液水煤漿焦的殘?jiān)猩闪送耆煌谄胀ㄋ簼{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(wú)機(jī)物和木質(zhì)素、纖維素等有機(jī)物。對(duì)不同煤種配制的黑液水煤漿焦進(jìn)行C-H<,2>O氣化反應(yīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)催化劑對(duì)不同煤階的煤種催化反應(yīng)的效果是不一樣的。當(dāng)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(yīng)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(tuán)，其充當(dāng)氣化反應(yīng)的活性點(diǎn)。 最后，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)氣流床氣化爐冷態(tài)流場(chǎng)特性、熱態(tài)流場(chǎng)特性、氣化噴嘴頭部受熱和氣化爐渣生成特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。通過(guò)對(duì)粉煤氣化爐冷態(tài)流場(chǎng)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(zhuǎn)

8、動(dòng)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(chǎng)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?zé)煔庋馗叨确较蚵菪仙?，在氣化爐出口處粗煤氣成分與設(shè)計(jì)值基本一致。對(duì)噴嘴頭部受熱進(jìn)行的數(shù)值計(jì)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(qiáng)化傳熱，如增加冷卻水旋流效果等。 通過(guò)