煤在高炉渣中气化特性的实验研究

论文摘要

随着我国经济的高速增长,能源短缺已成为限制我国经济进一步发展的瓶颈,如何提高我国的能源效率,以解决我国能源短缺和环境污染问题,成为我国面临的首要问题。钢铁工业是国家经济发展的主要基础产业,同时也是高能耗、高污染的产业。其中炼铁工序的能耗约占整个钢铁综合能耗的60%,并且该比值呈现了逐年上升的趋势,钢铁企业能耗的降低越来越受到炼铁工序的制约。尽管随着TRT、CDQ等一系列技术的普遍使用,炼铁工序的能耗有所改善,但钢铁企业熔渣所含的高温显热仍没得到的有效回收利用,随着我国节能减排形势的日益严峻,如何高效高品位的回收冶金熔渣的高温显热已成为亟待解决的问题。本文从我国的能源形势、钢铁企业炼铁领域余热余能的利用情况以及我国的节能减排的现状出发,兼顾我国煤气化技术的发展,紧密围绕钢铁企业高温熔渣余热余能的回收利用以及钢铁企业可持续发展的客观要求,提出了利用冶金炉渣进行煤气化的技术路线,并开展了相关的基础研究,研究结果如下：（1）本文提出了冶金熔渣煤气化系统,为了实现对高温熔渣的能量的梯级回收利用,该系统主要分为三个部分：熔渣气化炉（液态热载体气化炉）、二次气化炉（颗粒热载体气化炉）和余热锅炉（固水换热锅炉）。熔渣气化炉、二次气化炉及余热锅炉利用熔渣的温度分别范围为1773-1573K、1573K-1073K及1073K-473K。（2）利用综合热分析仪采用程序升温法对担载高炉渣情况下煤热解特性进行了研究,验证了高炉渣在一定程度上可提高煤热解的活性,并对其相关的动力学参数进行了求解,推算其机理函数。（3）利用综合热分析仪,采用等温恒重和程序升温两种技术对担载高炉渣下煤焦气化反应活性进行了研究,根据气化实验所得的煤焦失重曲线,对高炉渣添加量、煤种、升温速率、高炉渣化学成分以及气化反应温度等因素对气化反应的影响进行了分析,以了解担载高炉渣下煤焦气化过程中基本的变化规律。（4）根据综合热分析仪程序升温法所得的实验数据,以现有的气-固反应机理函数为基础,结合Li Chung-Hsiung积分法,根据不同的气固反应机制函数的拟合线性程度来判断担载高炉渣情况下煤焦-CO2反应机理函数,并利用Satava-Sestak积分法对反应动力学参数进行求算,由此建立了担载高炉渣情况下煤焦的气化反应动力学机理模型,以期为进一步的理论研究提供参考依据。（5）自行设计并搭建的一套小型的高炉熔渣煤气化实验装置,并对熔渣煤气化反应特性进行了深入的研究,得出以下结论：高炉熔渣煤气化系统对煤种有广泛的适应性,大同煤、沈南煤在该系统中都有较高的碳转化率和反应速率,尤其作为高灰分、低固定碳含量为代表的沈南煤,其在该反应系统中气化反应性较强,反应速率、所产煤气的热值与优质的大同烟煤相差不大；不同粒径的煤样在相同条件下反应所得气化指标相差不大,这说明此系统对于煤粉的粒度有较强的适应性；气化反应温度对熔渣气化反应影响显著,温度升高在一定程度上有利于提高碳的转化率和气化效率,对于该系统,温度存在一个最优值为1623K；气化剂作为载气将煤粉吹入反应器内,对于反应器内的流场和煤粉颗粒起到了扰动作用,并直接影响了煤粉颗粒在反应器内的停留时间,其对于熔渣煤气化反应影响十分显著,在所研究实验工况下,气化剂的流量存在一个最适宜值为0.14m3/h；通过研究气煤比对熔渣气化反应的影响可知,随着气煤比的增加,煤气组分中cO浓度呈现下降的趋势,H2浓度呈现先升高而后下降的趋势,煤气中的CO/H2体积比随着气煤比的增加呈现先下降而后升高的趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 我国的能源状况
• 1.3 炼铁领域余热余能回收现状
• 1.3.1 钢铁企业的节能情况
• 1.3.2 炼铁领域余热余能的利用技术
• 1.4 煤热解机理和影响因素
• 1.4.1 煤热解过程的分析
• 1.4.2 煤热解过程中的发生的化学反应
• 1.4.3 煤热解的影响因素
• 1.5 煤焦气化反应机理和影响因素
• 1.5.1 煤焦气化基本反应
• 1.5.2 煤焦气化的反应历程
• 1.5.3 煤焦气化的影响因素
• 1.6 煤热解气化的热分析及表观动力学的研究方法
• 1.6.1 热分析方法和热分析动力学的介绍
• 1.6.2 煤热解气化反应动力学方程
• 1.6.3 气固反应机理函数
• 1.6.4 热分析动力学数据处理方法
• 1.6.5 煤气化反应的动力学机理模型
• 1.7 本文的主要研究内容、目的及意义
• 1.7.1 本文研究内容及目的
• 1.7.2 本文的研究路线
• 1.7.3 本文的研究意义
• 第2章 担载高炉渣下煤热解特性热重分析及其动力学研究
• 2.1 主要实验装置和仪器
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验样品的制备与分析
• 2.2.2 高炉渣与煤粉的混合方式
• 2.2.3 热重实验的基本原理
• 2.2.4 实验程序设定
• 2.2.5 实验流程图
• 2.2.6 实验操作步骤
• 2.2.7 实验工况
• 2.2.8 实验的评价指标
• 2.3 实验结果分析与讨论
• 2.3.1 煤粉与高炉渣的质量配比对煤热解特性的影响
• 2.3.2 煤种对煤热解特性的影响
• 2.4 担载高炉渣情况下煤热解动力学的研究
• 2.4.1 担载高炉渣情况下煤热解动力学机理函数的建立
• 2.4.2 担载高炉渣情况下煤热解动力学参数的求解结果及分析
• 2.4.3 担载高炉渣情况下煤样热解动力学模型的建立
• 2.5 担载高炉渣情况下煤热解动力学计算结果的检验
• 2.6 本章小结
• 第3章 担载高炉渣下煤焦气化反应特性的热重实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验样品的制备与分析
• 3.2.2 高炉渣成分配比
• 3.2.3 煤样担载高炉渣的方法及步骤
• 3.2.4 热分析实验程序的设定
• 3.2.5 内外扩散影响消除实验
• 3.2.6 热分析实验的误差来源及本实验工况
• 3.2.7 煤焦气化实验数据的处理方法
• 3.3 煤焦气化热重实验结果及分析
• 3.3.1 煤样与高炉渣的质量配比对煤焦气化反应活性的影响
• 3.3.2 煤种对煤焦气化反应活性的影响
• 3.3.3 升温速率对煤焦气化反应活性的影响
• 3.3.4 高炉渣中化学成分对煤焦气化反应活性的影响
• 3.3.5 气化反应温度对煤焦气化反应活性的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 担载高炉渣下煤焦气化反应动力学机理模型的研究
• 4.1 引言
• 4.2 担载高炉渣下煤焦气化反应机理函数的建立
• 4.2.1 选择气-固反应模型时应考虑的问题
• 4.2.2 热分析动力学数据处理方法的介绍
• 4.2.3 气化反应动力学机理模型建立的基本思想
• 4.2.4 动力学机理函数F（X）的推断
• 4.3 担载高炉渣下煤焦气化动力学参数的求解
• 4.4 担载高炉渣下煤焦气化动力学机理模型的建立
• 4.5 担载高炉渣下煤焦气化反应动力学机理模型的校验
• 4.6 建立担载炉渣下煤焦气化反应动力学机理模型的特点
• 4.7 担载高炉渣下煤焦气化反应中的补偿效应
• 4.7.1 担载高炉渣下煤焦气化动力学参数间的补偿效应
• 4.7.2 补偿效应的理论分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 熔渣煤气化系统产气特性的实验研究
• 5.1 实验仪器和设备
• 5.2 实验原料制备和分析
• 5.2.1 煤粉的制备与分析
• 5.2.2 高炉渣的制备与分析
• 5.3 熔渣煤气化系统实验台设计
• 5.3.1 给料系统
• 5.3.2 气化主反应器
• 5.3.3 产气成分分析系统
• 5.4 实验操作过程
• 5.5 实验工况
• 5.6 实验调试关键的问题
• 5.6.1 气化剂流量的校正
• 5.6.2 最小气化剂流量的确定
• 5.6.3 稳定状态下实验参数的测定
• 5.7 实验的考察指标
• 5.8 高炉熔渣煤气化系统反应特性的研究
• 5.8.1 煤种对熔渣气化反应的影响
• 5.8.2 煤粉粒度对熔渣气化反应的影响
• 5.9 高炉熔渣煤气化系统操作参数的考察
• 5.9.1 气化反应温度对熔渣气化反应的影响
• 5.9.2 气化剂流量对熔渣气化反应的影响
• 5.9.3 气煤比对熔渣煤气化反应的影响
• 5.10 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文
• 附录