加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟研究

摘要

我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国之一，在我国能源结构中，化石燃料占到了77.8％，煤炭资源更是占到了其中的94.3％，而且在今后很长一段时间内煤炭资源仍会占据主导地位。但是在传统的煤炭利用过程中，煤炭资源不能得到有效利用，而且会造成严重的污染，对环境造成巨大的破坏，所以开发新型煤炭利用系统对节能减排具有积极、重要的意义。近零排放煤利用(ZEC)系统是一种先进的洁净煤发电技术，其发电效率可达到70％以上，并且对环境基本无危害。煤加氢气化技术是ZEC系统中的关键技术。
　　立足于ZEC系统的煤加氢气化过程，主要开展了以下三个方面的工作:加压流化床内气固两相流化特性的数值模拟研究，基于化学平衡热力学模型的加氢气化过程理论研究，加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟研究。
　　以颗粒动力学为理论基础，采用欧拉双流体模型，对加压流化床不同压力、温度下的典型工况进行了数值模拟。模拟结果表明，随着压力增大，最小流化速度逐渐减小，并且在相同速度差之下床层膨胀比明显增大。随着温度的升高，最小流化速度也逐渐减小。
　　利用化学平衡热力学模型，分别从压力、温度、氢煤质量比等因素着手，对煤加氢气化进行了热力学预测。结果表明，随着反应压力的升高甲烷的体积分数先是迅速升高，在压力达到3MPa后，该值几乎不再发生变化。随着反应温度的升高，甲烷体积分数先是变化不明显，在温度达到800℃后，该值迅速降低。随着氢煤比的增加，碳转化率先是迅速升高，在氢煤比达到0.3后，该值不再发生变化，而在此过程中甲烷体积分数保持下降。
　　对影响煤加氢气化的关键因素，如温度、压力及氢煤比等进行了CFD模拟研究。模拟结果表明，压力对煤加氢气化的作用非常显著，提高气化反应压力，可以增大反应物浓度，增加气化剂在床内的停留时间，明显提高甲烷产率;而进一步提高压力，由于气化剂的扩散受到抑制，从而反应也会得到抑制，使得出口处甲烷体积分数的增长速度降低。提高气化温度对煤加氢气化的作用不是很明显，这是因为加氢气化反应是放热反应，提高温度会抑制反应的进行。提高氢煤质量比可以明显提高碳转化率，并提高甲烷产量，但是由于系统中气体总量明显增多，所以甲烷体积分数反而降低。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题来源及选题背景

1．2 国内外研究现状及发展

1．2．1 ZEC技术

1．2．2 加氢气化的国内外研究现状

1．2．3 煤气化工艺

1．3 本文主要研究内容及方法

1．3．1 加压流化床气固两相流动特性的数值模拟

1．3．2 加氢气化的热力学模型研究

1．3．3 加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟

2 欧拉双流体模型的基本方程及实现方法

2．1 欧拉双流体模型的基本方程

2．1．1 连续性方程

2．1．2 动量守恒方程

2．2 颗粒动能理论相关方程

2．3 气固相间封闭关系

2．4 湍流模型的选择

2．5 计算流体力学的实现方法

2．5．1 有限差分法

2．5．2 有限元法

2．5．3 有限体积法

2．5．4 三种方法的比较分析

2．6 本章小结

3 加压流化床气固两相流动特性的数值模拟

3．1 实体模型的建立与网格划分

3．2 计算方法

3．3 计算条件

3．3．1 时间步长及最大颗粒堆积率的选择

3．3．2 松弛因子的选择

3．3．3 初始及边界条件的设置

3．4 加压流化床气固两相流模拟

3．4．1 颗粒分类法

3．4．2 最小流化速度的模拟

3．4．3 膨胀高度比的模拟

3．5 本章小结

4 加氢气化的热力学模型研究

4．1 Aspen Plus简介

4．1．1 气化炉Aspen Plus建模

4．1．2 化学反应平衡热力学计算方法

4．2 流化床中煤加氢气化热力学模型

4．3 压力、温度、氢煤质量比对CH4产率的影响

4．3．1 氢煤比对产物的影响

4．3．2 反应压力对产物的影响

4．3．3 反应温度对产物的影响

4．4 本章小结

5 加压流化床中煤加氢气化过程的数值模拟

5．1 控制方程

5．1．1 连续性方程

5．1．2 动量方程

5．1．3 能量方程

5．1．4 组分输运方程

5．2 化学反应模型

5．2．1 煤热解模型

5．2．2 焦炭气固非均相反应

5．2．3 气体均相反应

5．3 加压煤部分气化过程的模拟

5．3．1 实体模型的建立与网格划分

5．3．2 边界条件

5．3．3 模型基本假设

5．3．4 模拟初始条件

5．3．5 计算结果及对比分析

5．4 煤加氢气化计算结果及预测

5．4．1 实体模型的建立与网格划分

5．4．2 边界条件

5．4．3 模型基本假设

5．4．4 计算结果

5．5 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 论文不足之处及今后需要开展的工作

参考文献

作者简历

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