IGCC合成气换热设备的设计与传热研究及油页岩灰的综合利用

摘要

本文结合“整体煤气化联合循环(IGCC)合成气回热设备的传热研究与校核计算”和“油页岩高效清洁综合利用系统关键技术的研究”两个863项目，对合成气换热器中的净燃气过热器进行了总体设计，并采用手算结合Aspen B-JAC软件计算对其进行了热工设计。采用Fluent软件对设计结果的简化模型进行了数值模拟，并提出了强化传热实验台的设计方案。针对油页岩灰的综合利用，对页岩灰的物理化学特性、循环流化床燃烧过程中重金属迁移转化规律及潜在毒性评估、页岩灰吸附特性、页岩灰熔融特性四方面进行了研究，得到如下结论：
　　 (1)在对净燃气过热器的设计中，安排合成气走管程，水走壳程。管程合成气的流速选取在5～30m/s，壳程水的流速控制在0.2～1.5m/s。选用Ф25×2.5较高级冷拔传热管(碳钢)作为材料，选用直管段为6m长，U型管换热器型式并选用正三角形的布管方式。选用圆缺高度为壳体内径的25％的弓形折流板，水平装配。
　　 (2)采用Aspen B-JAC程序设计和优化的U型管式换热器和手算结果基本吻合，可用来进行合成气换热器的计算。手算和Aspen B-JAC计算的结果表明：净燃气过热器的合成气侧(管侧)换热系数可达1678.6～1871 W/m2·K，水侧(壳侧)换热系数可达2951.6～3060.8W/m2·K;净燃气过热器的合成气侧(管侧)压降可达0.377～0.489bar，水侧(壳侧)压降不低于0.007～0.014bar。
　　 (3)用Fluent对U型管式净燃气过热器的简化模型进行数值模拟的结果表明多孔介质模型结合分布阻力和分布源项可成功应用于对U型管式合成气换热器的模拟。
　　 (4)在设计的强化传热试验系统上选用光管、横纹管、旋流管进行强化传热试验研究。该试验台可实现对净燃气过热器和燃气冷却器的传热试验。
　　 (5)油页岩灰颗粒细小，含有大量的SiO2、Al2O3、CaO，是熔融合成微晶玻璃的良好材料。在油页岩循环流化床燃烧过程中，重金属(Cu、Cd、Pb、Zn)在飞灰中出现了富集现象，总体上呈向不稳定形态迁移的趋势。重金属Cu、Pb、Zn均未超标，但Cd含量严重超标，未经处理不适于直接填埋。页岩灰熔融温度较高，经酸化处理后的页岩灰具有一定的吸附能力。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.2.1对换热器的试验研究现状

1.2.2对换热器的数值模拟现状

1.2.3对油页岩灰利用的研究现状

1.3主要研究工作

第2章 合成气换热器的选型及总体设计

2.1引言

2.2管壳式换热器

2.2.1固定管板式

2.2.2浮头式

2.2.3 U型管式

2.2.4填料函式

2.3管壳式换热器选用时应考虑的问题

2.3.1流体流动空间的选择

2.3.2流体流速的选择

2.3.3管子规格及排列

2.3.4管心距

2.3.5折流板

2.3.6管子与管板的连接

2.3.7壳体直径

2.3.8换热器面积裕度

2.4换热器核算

2.4.1传热能力核算

2.4.2传热管和壳体壁温核算

2.4.3换热器内流体阻力计算

2.5换热器的总体设计

2.5.1换热器的位置及参数

2.5.2确定设计方案

2.5.3对其他换热器的考虑

2.6本章小结

第3章 合成气换热器的热工设计

3.1引言

3.2换热器的手算计算

3.2.1计算对象

3.2.2手算方法的步骤

3.2.3手算方法的核算

3.3用Aspen B-JAC设计合成气换热器

3.3.1设计步骤

3.3.2模拟设计的几何及物性参数

3.3.3模拟结果

3.3.4 Aspen B-JAC进行优化

3.4数据对比及分析

3.5本章小结

第4章 合成气换热器的Fluent数值模拟

4.1引言

4.2多孔介质模拟方法

4.3对净燃气过热器的计算方案及参数选择

4.3.1计算对象

4.3.2计算方案

4.3.3模型选择

4.4结果分析

4.4.1流场分析

4.4.2温度场分析

4.4.3压降分析

4.5本章小结

第5章 合成气换热器强化传热试验台的设计

5.1引言

5.2不同管型的强化传热效果

5.2.1螺旋槽管

5.2.2横纹管

5.2.3旋流管

5.2.4缩放管

5.2.5波纹管

5.2.6翅片管

5.3合成气换热器试验台设计方案

5.3.1试验台系统

5.3.2试验方案

5.4数据处理方法

5.5本章小结

附图

第6章 油页岩灰综合利用的基础研究

6.1引言

6.2油页岩灰的基础特性

6.3重金属迁移转化规律及潜在毒性评估

6.3.1循环流化床燃烧过程中重金属迁移转化规律

6.3.2重金属潜在毒性评估

6.4页岩飞灰吸附特性研究

6.4.1吸附时间对吸附的影响

6.4.2吸附温度对吸附的影响

6.4.3 Ni(Ⅱ)的初始浓度对吸附的影响

6.4.4 pH值对吸附的影响

6.4.5吸附剂颗粒粒径对吸附的影响

6.4.6页岩灰吸附模型的建立

6.5页岩灰熔融特性研究

6.6本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

致谢

博士生期间发表的学术论文，专著

博士后期间发表的学术论文，专著

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