利用烧结矿净化、重整焦炉荒煤气的研究

摘要

焦炉荒煤气是炼焦过程中的副产物，是一种优质的燃料与化工原料。然而，由于焦油的存在，焦炉煤气在使用过程中会出现堵塞管道、腐蚀设备、污染环境等一系列问题。传统的氨水洗涤法去除焦油，不仅浪费了焦炉煤气携带的热量，而且污染了大量的水资源。催化裂解焦油一直是国内外的研究热点，在去除焦炉煤气中焦油的同时，对焦炉煤气进行改质，提升煤气热值。然而焦油裂解过程中会产生大量的沉积炭，沉积在催化剂表面使之失活，给催化裂解焦油带来了困难。本文采用钢铁企业中常见的烧结矿作为焦炉煤气中焦油裂解的催化剂，沉积在烧结矿表面的炭可以作为炼铁阶段的还原剂，催化焦油裂解可以提升焦炉煤气热量，并且充分利用了焦炉荒煤气与烧结矿携带的热量。本文主要内容如下:
　　(1)通过自行搭造固定床反应器，对烧结矿催化焦油裂解的效果进行分析。在控制烧结矿床层高度不变的情况下，主要考察反应温度、单位时间焦油加入量、烧结矿粒径以及加入水对焦油裂解的影响。其中烧结矿床层高度为7cm，质量为90g左右;反应温度为500℃，600℃，700℃，800℃;单位时间焦油加入量分别为0.3g/min，0.5g/min以及0.7g/min;烧结矿粒径取2-4mm与4-7mm;在考虑水的加入对焦油裂解影响时，水的加入量固定为0.35g/min。实验结果表明，随着反应温度的提高，单位质量焦油裂解生成气体量显著增加，700-800℃之间增加迅速，表明高温有利于焦油裂解。随着焦油加入量的不断增加，单位时间内焦油裂解产生的气体量增加，而单位质量焦油裂解产生的气体量减少。烧结矿粒径越小，单位时间焦油裂解与单位质量焦油裂解的气体量增多，但是并不明显。加入水后，单位时间焦油裂解与单位质量焦油裂解产生的气体显著增加，并且CO、H2的含量增加明显。
　　(2)运用Aspen Plus对烧结矿净化、重整焦炉荒煤气过程进行热力学分析。热力学分析假设焦炉煤气重整与焦油裂解所需要的热量由外界无限提供。热力学分析过程主要考察反应温度、水碳比、铁碳比与反应压力对烧结矿净化焦炉煤气平衡时最终成分的影响。计算结果表明，高温有利于H2与CO的生成，反应温度越高，平衡时焦炉煤气携带的总热量越多。反应时，水碳比的增加有利于焦炉煤气中CH4转换为CO与H2，并可以有效的减少沉积炭，通过改变水碳比可以有效调节焦炉煤气重整平衡时煤气的成分。铁碳比对重整后焦炉煤气中CH4的含量影响较大，并且铁碳比越大，平衡时焦炉煤气的热值与携带的总热量均减少。增加反应压力能提升焦炉煤气热值，但不利于甲烷与焦油的转化。
　　(3)运用Aspen Plus对烧结矿净化、重整焦炉煤气的热平衡过程进行模拟分析。热平衡分析假设焦炉荒煤气重整与焦油裂解过程中反应热量全部由其自身携带物理显热提供。热平衡分析主要考察烧结矿加入量、烧结矿初始温度、焦炉煤气加入初始温度、水碳比以及反应压力对平衡时焦炉煤气成分的影响。计算结果表明，烧结矿加入量增加有利于CH4转换，并可以有效降低沉积炭的含量。烧结矿与焦炉煤气加入的初始温度越高，平衡时系统的温度就越高，有利于CO与H2的生成，提升焦炉煤气总热量。高水碳比可以有效减少沉积炭的生成，水碳比越高，H2生成量越多，在沉积炭未完全转化时，增加水碳比会大幅增加焦炉煤气总热量。反应压力越大，平衡温度越高，CO与H2含量越低，高的反应压力可以提升焦炉煤气热值。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 课题背景

1．2 常见焦炉煤气除焦油方法

1．2．1 物理性方法除焦油

1．2．2 化学性方法除焦油

1．3 焦油催化裂解的催化剂

1．3．1 天然矿物类催化剂

1．3．2 碱金属类催化剂

1．3．3 木炭催化剂

1．3．4 镍基金属类催化剂

1．4 含铁催化剂的研究进展

1．5 焦炉煤气重整的意义

1．6 本课题的研究内容与创新点

第2章 烧结矿催化焦油裂解的实验研究

2．1 引言

2．2 焦油催化裂解实验系统

2．2．1 实验设备及原料

2．2．2 实验流程

2．2．3 实验设计与考察指标

2．3 实验结果分析

2．3．1 温度对焦油裂解的影响

2．3．2 焦油加入量对焦油裂解的影响

2．3．3 水对焦油裂解的影响

2．3．4 烧结矿粒径对焦油裂解的影响

2．4 本章小结

第3章 烧结矿净化、重整焦炉煤气的热力学分析

3．1 Aspen Plus简介

3．2 热力学分析原理

3．3 热力学模型建立

3．3．1 模型基本假设

3．3．2 热力学模拟流程的建立

3．3．3 热力学分析基本参数确定

3．4 结果分析

3．4．1 反应温度对焦炉煤气成分影响

3．4．2 水碳比对焦炉煤气成分的影响

3．4．3 铁碳比对焦炉煤气成分的影响

3．4．4 反应压力对平衡状态的影响

3．5 本章小结

第4章 烧结矿净化、重整焦炉煤气的热平衡分析

4．1 热平衡分析基础

4．1．1 焦炉煤气所提供的热量

4．1．2 水蒸气所提供的热量

4．1．3 焦油所提供的热量

4．1．4 烧结矿所提供的热量

4．1．5 热力学平衡关系式

4．2 模型建立

4．2．1 模型基本假设

4．2．2 热平衡分析模型建立

4．2．3 热平衡分析基本参数确定

4．3 结果分析

4．3．1 烧结矿加入量对系统平衡的影响

4．3．2 烧结矿加入温度对系统平衡的影响

4．3．3 焦炉煤气加入温度对系统平衡的影响

4．3．4 水碳比对系统平衡的影响

4．3．5 反应压力对系统平衡的影响

4．4 焦炉煤气净化、重整系统举例

4．4．1 基本数据选择

4．4．2 系统流程建立

4．4．3 计算结果

4．4．4 经济性分析

4．5 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文