循环流化床混烧石油焦脱硫特性数值模拟和实验研究

摘要

石油焦是炼油工艺的副产品.与煤相比,石油焦是一种灰分较低,具有一定挥发份的高热值燃料.石油焦着火迟、燃烧困难,属于劣质燃料.随着世界石油重质化、劣质化和原油深度加工的发展,石油焦产量不断上升.如何经济、高效和清洁利用石油焦是各国共同关注的问题.硫含量在2％~5％的高硫石油焦通常认为是燃料级石油焦,由于大多数石油焦都属于高硫石油焦,所以在石油焦的利用上,通过燃烧回收热量是主导方向.目前,利用循环流化床技术将煤石油焦和煤混烧是一种高效、清洁利用石油焦的有效方法.石油焦和煤燃烧产生的二氧化硫排放导致了严重的酸雨污染和人类健康问题,这种状况将随着我国能源需求的增加和石油焦产量的扩大而日益严重.为了研究石油焦和煤混合燃料在循环流化床中二氧化硫的排放特性,本文首次对循环流化床混烧石油焦和煤的脱硫特性进行了数值模拟.为了能够精确地模拟和预测循环流化床脱硫过程,本文首先建立了一个可靠的单颗粒脱硫模型.该单颗粒脱硫模型建立在比较成熟的SURE2模型基础上,并充分考虑到反应温度、反应物浓度以及脱硫剂孔闭塞等因素对脱硫效率的影响.由于单颗粒脱硫模型需要耦合到循环流化床整体动态数学模型中,才能对循环流化床锅炉的脱硫特性和脱硫效率进行模拟和验证.本文的第二项工作就是建立循环流化床整体动态数学模型,主要是建立燃烧系统的数学模型.燃烧系统数学模型主要包括气固流动模型、煤和石油焦燃烧模型、传热模型以及固体颗粒物磨耗模型等若干子模型.本文建立的循环流化床锅炉炉内环核结构的气固流动模型,不仅可以反映炉内气固浓度沿轴向的分布,还可以体现气固浓度分布的径向不均匀性.建立了完整的煤和石油焦燃烧过程数学模型,包括煤干燥、挥发分析出和燃烧,以及焦炭和石油焦的燃烧模型.建立了循环流化床锅炉受热面传热的完整数学模型,包括密相区传热、稀相区传热以及炉膛上部悬挂受热面的传热.在建立循环流化床锅炉燃烧系统子模型时,考虑到了循环流化床内物料的宽筛分特性,根据颗粒的粒径将各种物料划分为若干档,分别建立各档物料的模型,然后根据各档颗粒的尺寸分布叠加得到锅炉的各种实际参数.在整体动态模型的基础上,通过耦合单颗粒脱硫模型,以东南大学热能工程研究所0.6MWth循环流化床热态试验装置为模拟对象,对循环流化床锅炉的脱硫特性进行模拟.对该试验装置的二氧化硫排放浓度以及各种运行参数,如钙硫比、一次风率、床温以及过量空气系数对脱硫效率的影响进行了仿真计算.仿真结果与试验结果在数值和变化趋势上获得一致,基本反映了本文模型建立的准确性和可信性.

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1洁净燃烧技术在我国的发展状况

1.1.1 世界及我国的能源、环境现状

1.1.2洁净燃烧技术

1.2循环流化床技术

1.2.1 流化床锅炉技术的特点

1.2.2 循环流化床锅炉技术的发展状况

1.2.3 循环流化床混烧石油焦的应用和研究现状

1.3循环流化床锅炉建模与仿真

1.3.1 建立循环流化床锅炉数学模型的意义

1.3.2 一维模型

1.3.3环核结构模型

1.3.4 三维CFD模型

1.4本文的工作任务及内容安排

参考文献

第二章 单颗粒脱硫剂脱硫模型

2.1单颗粒脱硫剂的脱硫反应过程

2.2典型的脱硫模型

2.2.1 结构模型

2.2.2 经验模型

2.3 SURE2模型

2.4 SURE2模型的计算过程

2.4.1 方程的离散化

2.4.2 SURE2模型计算

2.5本章小结

参考文献

第三章 循环流化床气固流动数学模型

3.1循环流化床气固流动特性及典型数学模型

3.2循环流化床气固流动环核结构模型

3.2.1 密相区流动模型

3.2.2稀相区流动模型

3.3炉膛出口布置对流动模型的影响

3.4旋风分离器模型

3.5固体物料回送装置

3.6本章小结

参考文献

第四章 循环流化床燃烧数学模型

4.1混合燃料燃烧过程

4.2混合燃料的干燥模型

4.3挥发分析出模型

4.4石灰石煅烧模型

4.5焦炭燃烧模型

4.5.1焦炭燃烧模型

4.5.2 焦炭颗粒的燃烧速度

4.6气体均相反应

4.7本章小结

参考文献

第五章循环流化床传热数学模型

5.1循环流化床密相区传热

5.2循环流化床稀相区传热

5.2.1 稀相区对流传热系数

5.2.2 稀相区内的辐射传热

5.3炉内悬挂受热面的传热

5.4本章小结

参考文献

第六章循环流化床物料平衡模型

6.1循环流化床内物料宽筛分分布

6.2循环流化床固体颗粒粒径分布变化模型

6.2.1 破碎模型

6.2.2 颗粒磨损模型

6.2.3 缩核对固体颗粒粒径的影响

6.2.4 飞灰量的计算

6.3循环流化床物料总体平衡模型

6.4本章小结

参考文献

第七章循环流化床整体数学模型

7.1循环流化床锅炉整体模型概述

7.2循环流化床锅炉燃烧系统建模方法

7.2.1 气体质量平衡

7.2.2 固体质量平衡

7.3能量平衡

7.4旋风分离器的质量和能量平衡模型

7.5返料机构的质量和能量平衡模型

7.6本章小结

参考文献

第八章 仿真计算和分析

8.1东南大学0.6MW热态循环流化床试验装置

8.2仿真结果和测量值的比较

8.3不同参数对脱硫效率的影响

8.3.1 钙硫比对脱硫效率的影响

8.3.2 过量空气系数对脱硫效率的影响

8.3.3 床温对脱硫效率的影响

8.3.4 一次风率对脱硫效率的影响

本章小结

参考文献

第九章结论和展望

致 谢