基于Aspen Plus的低阶煤液态CO2煤浆气化系统模拟研究

摘要

在我国努力寻求稳定、丰富的能源以及低碳排放的背景下，水煤浆气化作为一种高效的清洁煤技术得到了广泛研究和应用。而我国现有煤储量中占总量过半为低阶煤，在运用水煤浆气化技术上存在成浆浓度和气化效率低的困难。相比于水煤浆，液态CO2煤浆的优势在于液态CO2气化潜热低、能改善炉内煤粉的分散性、煤浆浓度高等，因此液态CO2煤浆气化是一种有效的低阶煤利用技术。
　　本文基于Aspen Plus软件对液态CO2煤浆气化反应进行模拟研究，从而为其应用提供一定的理论基础。首先利用Aspen Plus软件建立了液态CO2煤浆的气化模型，并根据实验结果对该模型进行了验证。本文利用该模型重点研究了煤种、氧煤比、煤浆浓度、压力等因素对低阶煤液态CO2煤浆气化过程的影响，并研究了在CO2和H2O共同存在的气氛下，不同气化剂比例对气化反应的影响。本文还在煤气化系统的模型基础上建立IGCC系统模型，进一步对比分析了液态CO2煤浆和水煤浆对IGCC系统整体性能的影响。
　　研究发现，不同操作条件下的低阶煤液态CO2煤浆气化结果有较大的差异。气化温度会随着氧煤比的增加而升高，氧煤比对于粗煤气的成分影响较大，CO和H2的含量均随着氧煤比的增加而先增后减，拐点出现在氧煤比为0.72时，即在该氧煤比下粗煤气的有效气体含量最高；随着液态CO2煤浆浓度的增加，CO和H2的含量均持续增大，气化温度也相应升高，最佳煤浆浓度约为60％。综合考虑氧煤比和煤浆浓度影响时，在氧煤比为0.74、煤浆浓度60%条件下，H2含量达到最大，CO含量也较高。气化压力的改变会引起气化炉内温度的改变从而影响煤气化反应，但模拟结果显示压力的改变对煤气化过程的影响不大。H2O取代CO2作为部分气化剂时，H2O/CO2越大，CO含量越少，H2含量越高，但CO含量的减少速度要高于H2含量的增加速度；用H2O部分取代CO2，得到的煤气中CO和H2的比例范围较广，能够灵活适应煤气化工艺的不同下游需求，并且降低CO2的排放。
　　在对IGCC系统的模拟研究中发现，使用液态CO2煤浆能比水煤浆更好的发挥低阶煤的潜力。使用液态CO2煤浆的IGCC系统表现出更高的碳转化率和发电厂净效率，并可降低IGCC系统的用水量、CO2排放量以及煤耗量。

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第1章 绪 论

1.1 低阶煤特性及其应用现状

1.2 煤气化技术

1.2 液态CO2煤浆技术的特点及国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 论文结构

第2章 煤气化原理与理论概述

2.1 煤气化过程原理

2.2 煤气化反应动力学

2.3 CO2作为气化剂的煤气化技术

2.4 本章小结

第3章 煤气化过程的Aspen Plus建模

3.1 Aspen Plus软件简介

3.2 Aspen Plus软件模拟煤气化过程的原理

3.3 煤气化系统流程简述

3.4 建模

3.5 模型验证与分析

3.6 本章小结

第4章 低阶煤液态CO2煤浆气化特性的模拟研究

4.1 煤质对于煤气化过程的影响

4.2 氧煤比对于煤气化过程的影响

4.3 煤浆浓度对于煤气化过程的影响

4.4 压力对煤气化过程的影响

4.5 H2O的引入对煤气化过程的影响

4.6 本章小结

第5章 IGCC系统性能模拟与分析

5.1 IGCC系统简介

5.2 IGCC系统建模

5.3 IGCC系统运行模拟分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 展望

致谢

参考文献