氧热法制备电石过程中复合原料颗粒的热质传递和反应性能研究

摘要

电石，在工业上用于生产需求量极大的乙炔，对有效利用各种碳源有重要意义。氧热法合成电石工艺针对目前工业上电热法高消耗低产能的弊端进行改进，取得了较显著的进步。本文依托北京化工大学提出的氧热法电石工艺中的复合床反应器，提出使用煤和熟石灰粉末制成粒状复合颗粒的造粒工艺。考察了其在复合床反应器中的热质传递和化学反应行为，分别为氧热法工艺造粒及反应器设计的几何、操作参数提供参考。
　　复合原料的组成之一为煤，该物质热质传递及反应行为较为复杂，直接影响到后续复合颗粒的燃烧及反应。故本文研究了煤热解过程适用性最广的分布活化能模型(DAEM)，并对其进行了简化近似。
　　通过改进后的高斯-埃尔米特求积公式对外层积分近似后，分别讨论了在典型的线性升温和非线性升温条件下对内层温度积分的近似。得到的DAEM的近似解，在一定的条件下能够耦合在CFD程序中，有较广的适用范围，大大减少了计算量，且相比于前人的近似方法，提高了精确度。
　　其次考察了反应器密相段，复合颗粒原料与燃烧区生成的高温CO换热，有效吸收热量后热解的过程。研究了不同颗粒结构、组成及气速下复合颗粒热解过程中的热质传递行为，结果表明:
　　(1)枕形、球形、蛋壳形三种结构的复合颗粒，在1280K下热解完成时的反应时间分别为115s、180s、350s。均相复合颗粒更有利于其热解过程。枕形结构颗粒热解性能最优。
　　(2) Ca(OH)2分解是复合颗粒热解的控制步。煤中大量的水会明显延迟热解反应时间。
　　(3)增大气速，对流换热效应增强，但其增大幅度随着气速的增大而逐渐减小。
　　最后研究了复合颗粒热解后的固相产物在下落床段与高温氧气发生燃烧反应，为电石合成反应提供热量的过程。考察了辐射、颗粒结构、组分及操作温度的影响:
　　(1)通过对比计及辐射模型和不计及辐射模型的计算结果，表明热辐射对燃烧过程传热有较大的影响，辐射传热不能忽略。
　　(2)枕形、球形、蛋壳形颗粒在1400K下含碳量降至电石反应的需求时所需时间分别为155s、476s、110s，说明复合颗粒的结构对其燃烧过程有较大影响。反应结束时蛋壳形结构炭钙接触面温度未达到电石生成反应温度。枕形颗粒的燃烧性能也最优。
　　(3)1400K的操作温度下，孔隙率是影响反应速率的主要因素。综合考虑，含水量少，孔隙率大的煤种有利于复合颗粒的热解及燃烧过程。
　　(4)1600K和1400K时，燃烧反应为扩散控制。1200K下，反应初期为反应控制，20s以后，颗粒内部O2已消耗完全，为扩散控制。故推测转折温度在1200K左右。1200K的操作温度不能满足电石合成温度，1600K和1400K操作温度下，反应速率相差不大，故最优操作温度为1400K。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

引言

1．1 电石概述

1．1．1 CaC2生成机理研究

1．1．2 影响CaC2生成因素

1．2 生产CaC2工艺

1．2．1 电热法工艺

1．2．2 氧热法工艺

1．2．3 其他工艺

1．3 生产CaC2原料

1．3．1 煤

1．3．2 Ca(OH)2

1．4 研究方法

1．4．1 MATLAB求解

1．4．2 CFD

1．5 研究意义和内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究内容

第二章 煤热解模型化研究

2．1 煤热解模型化发展

2．2 DAEM建立及近似求解

2．2．1 DAEM建立

2．2．2 DAEM近似求解

2．2．3 结果与讨论

2．3 本章小结

第三章 复合床反应器移动床段复合颗粒热解模拟

3．1 物理模型

3．1．1 研究对象

3．1．2 模型假设

3．2 数学模型

3．2．1 模型

3．2．2 反应动力学

3．2．3 边界条件

3．2．4 物性参数

3．3 数值求解

3．4 结果与讨论

3．4．1 颗粒结构的影响

3．4．2 颗粒组成的影响

3．4．3 气速的影响

3．5 本章小结

第四章 复合床反应器下落床段复合颗粒燃烧模拟

4．1 物理模型

4．1．1 研究对象

4．1．2 模型假设

4．2 数学模型

4．2．1 模型

4．2．2 反应动力学

4．2．3 边界条件

4．2．4 物性参数

4．3 数值求解

4．4 结果与讨论

4．4．1 辐射的影响

4．4．2 颗粒结构的影响

4．4．3 颗粒组成的影响

4．4．4 温度的影响

4．5 本章小结

第五章 结论与建议

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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