氧热法复合床电石反应器热解区的设计

摘要

我国“富煤、贫油、少气”的能源结构特点，决定了我国的能源生产结构和消费结构必然长期以煤为主。电石被誉为“有机化工之母”，是重要的传统煤化工产品之一。虽然我国在上世纪五十年代就已有电石工业，但长期使用电热法制造电石，使得能源利用率低。为此，北京化工大学从2007年开始研究氧热法制电石的生产工艺，并提出了复合床反应器。本文主要研究复合床反应器的热解区内的复合颗粒热解行为。
　　本文主要从三个尺度研究固体的热解行为。第一个尺度是反应动力学的尺度。在这个尺度下，本文首先利用Stieltjes级数的Padé近似给出了温度积分和m为整数的广义温度积分近似式统一的获得方法和具体表达式，并通过误差分析将m的取值范围扩展到实数范围。与文献中报道的表达式相比，本文的表达式提高了温度积分表达式的扩展性，并且提高了广义温度积分的计算精度。其次，通过将分布活化能模型转化为Fermi积分，本文给出了在线性升温，抛物升温和指数升温这三种不同的升温条件下分布活化能模型的模型参数反演的统一方法。相比于传统的方法，本文的方法可用较少的实验数据获得精度更高的连续的反演结果，更有利于后续的热解行为的预测。
　　以第一个尺度为子模型，本文研究了第二个尺度，即颗粒尺度。在这个尺度下，本文建立和验证了球形颗粒的一维非定态热解模型，确定了复合颗粒是以氢氧化钙为钙源的拟均相结构;在热源对热解过程的影响方面，氢氧化钙的热解吸热作用大于烟煤的热解吸热作用大于挥发分蒸发吸热作用，且挥发分蒸发吸热作用可以忽略;在热解过程控制步方面，内热阻对于热解过程的影响大于外热阻，外热阻对于热解过程的影响大于反应动力学。
　　以第二个尺度为子模型，本文考察了复合颗粒在第三个尺度，即床层尺度中的热解行为。在此尺度下，本文建立了气固逆流接触的一维定态移动床的热解模型，估算了在年产1万吨电石的热解任务下的气相能量流率不低于3MJ·s-1，阐明了固相完全热解时所需要能量流率和气相为热解提供的能量流率，决定了热解区的临界高度。并考察了气相能量流率对热解区临界高度的影响，即:增加气相的能量流率虽然能降低热解区的临界高度，但会增加相应的设备费和操作费，需要综合考量，使总费用达到最小。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．2．2 电石生成机理

1．2．3 电石生成的影响因素

1．2．4 电石的生产方式

1．3 固体热解研究现状

1．3．1 固体热解的类型

1．3．2 温度积分

1．3．3 动力学方程参数求取方法

1．4 课题研究的主要内容

第二章 煤热解的动力学研究

2．1 温度积分和广义温度积分近似表达式的导出

2．1．1 分布活化能模型和温度积分的导出

2．1．2 Stieltjes积分与Padé近似

2．1．3 温度积分和广义温度积分的近似表达式

2．1．4 误差分析

2．1．5 m为实数的情况

2．1．6 小结

2．2 分布活化能模型的反演

2．2．1 一种Fermi体系的反演方法

2．2．2 线性升温条件下活化能分布f(E)的反演

2．2．3 典型非线性升温条件下活化能分布f(E)的反演

2．2．4 小结

2．3 本章小结

第三章 复合颗粒的热解

3．1．2 数学模型

3．1．3 数值求解

3．2 热解模型的验证

3．2．1 热解源项与热分解反应模型

3．2．2 物性参数与操作条件

3．2．3 结果与讨论

3．3 钙源的选择

3．3．1 热解源项与热分解反应模型

3．3．2 物性参数与操作条件

3．3．3 结果与讨论

3．4 复合颗粒的热解

3．4．1 复合颗粒的结构的选择

3．4．2 热源対复合颗粒热解的影响

3．4．3 复合颗粒热解的控制步骤

3．5 本章小结

第四章 反应器热解区的模拟

4．1 热解区模型的建立

4．1．2 数学模型

4．1．3 数值求解

4．2 物料衡算与能量估算

4．2．2 能量估算

4．3 结果与讨论

4．3．1 热解区的临界高度

4．3．2 气相质量流率和温度对临界高度的影响

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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