煤基近零排放系統(tǒng)建模分析及系統(tǒng)內(nèi)煤加氫氣化機(jī)理研究.pdf

1、依靠電力運(yùn)行的載運(yùn)工具，動(dòng)力大多來(lái)自燃煤電站，對(duì)于以氣為動(dòng)力源的載運(yùn)工具，若能利用煤制合成氣，也能夠充分適應(yīng)我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。因此，研究開(kāi)發(fā)新型高效潔凈煤利用與轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)我國(guó)而言意義重大。本文以一種煤基近零排放發(fā)電系統(tǒng)(ZEC: Zero Emission Coal)為研究對(duì)象，首先分析了系統(tǒng)的整體運(yùn)行特性，然后對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的煤加氫氣化模塊進(jìn)行了深入分析研究。
　　首先，根據(jù)ZEC系統(tǒng)的思想，本文建立了ZEC系統(tǒng)

2、整體模型，并對(duì)系統(tǒng)的主要運(yùn)行單元進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了氫氣循環(huán)率Rh，鈣碳摩爾比Rctc以及燃料電池的燃料利用率Uf等主要參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能量效率Een、(火用)效率Eex、總能量效率Eten和總炯效率Etex以及CO2捕集效率Rcs的影響，提出所建系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)為Rh=0.75，Rctc=1.5以及Uf=0.8。在該運(yùn)行參數(shù)下，系統(tǒng)的Een為36.2％，Eten為46.8％，Eex為35.7％，Etex為46.2％，Rcs為87.4％。隨后

3、，計(jì)算分析了系統(tǒng)中各個(gè)單元的能量和(火用)的平衡關(guān)系，對(duì)比了系統(tǒng)各單元能量和炯損失的大小，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)中的能量損失最大，而燃料電池中的(火用)損失最大，由此指出為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率需要降低燃料電池內(nèi)高品質(zhì)能量的過(guò)大損失。
　　在對(duì)ZEC系統(tǒng)整體性能進(jìn)行了全面研究后，本文著重對(duì)其中的煤加氫氣化模塊從零維熱力學(xué)平衡模型、零維化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型、三維數(shù)值模擬以及試驗(yàn)研究等方面進(jìn)行了深入探析。首先，考慮到熱力學(xué)平衡模型良好的通用性以

4、及采用熱力學(xué)平衡模型對(duì)煤加氫氣化的研究仍不充分，本文建立了煤加氫氣化熱力學(xué)平衡模型，驗(yàn)證了模型的可靠性，并利用該模型對(duì)煤的加氫氣化特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。若對(duì)氣化溫度進(jìn)行控制，則當(dāng)壓力pt為7 MPa，反應(yīng)溫度T為1000 K時(shí)，氫煤質(zhì)量比Rh/c為0.25左右可以使氣化產(chǎn)物中甲烷具有較高的摩爾分?jǐn)?shù)。若不控制氣化溫度，則當(dāng)pt為7 MPa時(shí)，Rh/c為約0.5時(shí)，煤中的碳才能夠完全轉(zhuǎn)化。
　　其次，鑒于煤加氫氣化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型尚不完

5、善，本文建立了煤加氫氣化動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證了模型的可靠性，并利用該模型對(duì)煤加氫氣化特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。當(dāng)pt為13 MPa，反應(yīng)時(shí)間t為10 s，其他運(yùn)行參數(shù)保持和基準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)一致時(shí)，煤粉整體轉(zhuǎn)化率CCR可達(dá)90％，合成氣中CH4的摩爾分?jǐn)?shù)MMF可達(dá)32％，H2摩爾分?jǐn)?shù)HMF約占60％。當(dāng)其他運(yùn)行參數(shù)保持和基準(zhǔn)運(yùn)行參數(shù)一致時(shí)，如果T不超過(guò)1273 K，則增加T可以從整體上促進(jìn)煤加氫氣化反應(yīng)的進(jìn)行。如果T高于1273 K，增加T會(huì)對(duì)煤的加氫

6、氣化反應(yīng)起到抑制作用。
　　由于鮮見(jiàn)國(guó)內(nèi)外對(duì)煤的加氫氣化爐三維數(shù)值模擬結(jié)果的報(bào)道，本文完善了煤的加氫氣化動(dòng)力學(xué)模型，提出了針對(duì)氣固異相反應(yīng)的“帶有壓力修正的聯(lián)合隨機(jī)孔隙-未反應(yīng)碳縮核模型(CRPSC-PC: Combined Random Pore and Shrinking CoreModel with Pressure Correction)”，在此基礎(chǔ)上針對(duì)氣流床煤加氫氣化爐建立了帶有化學(xué)反應(yīng)的氣固兩相流三維數(shù)學(xué)模型，并借助

7、商業(yè)軟件Fluent對(duì)該模型進(jìn)行求解，在所用的模擬方法得到驗(yàn)證后，利用該模型對(duì)某氣化爐的加氫氣化特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。經(jīng)過(guò)綜合分析發(fā)現(xiàn)，該氣化爐的最佳運(yùn)行工況組合為pt=7 MPa，Rh/c=0.4，氧氫質(zhì)量比Ro/h=1.5。在這一運(yùn)行條件組合下，Rchar為96.78％，MMF為17.42％，冷氣效率CGE為76.4％。
　　最后，考慮到煤加氫熱解和氣化的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)尚不完善，本文對(duì)一種褐煤、一種煙煤進(jìn)行了加壓熱重分析，研究了