神华煤液化残渣及水煤浆的燃烧特性研究与数值模拟

论文摘要

在石油消费量和进口量不断增加的形势下，大力开展以煤代油和以煤造油技术，保证能源安全，是我国一项重要而紧迫的任务。在这一精神的指导下，1997年神华集团提出建设煤炭液化项目的设想。2001年3月，国家批准神华煤直接液化项目建议书。2002年9月，国家批准项目可行报告。该项目首条生产线将于2007年7月建成，2010年左右建成第二条生产线。 与此同时，煤液化工艺产生的液化残渣是一种高炭、高灰和高硫的物质，在某些工艺中占到液化原煤总量的30％左右，如此多的煤液化残渣对液化过程的热效率和经济性所产生的影响是不可低估的。因此，处于经济和环保两方面的考虑，本文对煤液化残渣的清洁利用进行了充分的研究。本文以神华煤液化残渣为研究依据，详细进行了煤液化残渣燃料特性、制浆特性的研究，同时还进行了神华煤液化残渣和液化残渣水煤浆的热解特性、燃烧特性以及燃烧过程中硫化物和氮氧化物的排放特性研究，最后对液化残渣水煤浆锅炉的动力和燃烧特性进行了数值模拟，研究结果为煤液化残渣的清洁利用提供了丰富的理论依据。 首先，在对三种煤样的岩相对比研究的基础上，详细分析了神华煤液化残渣的微观组分，并利用沉降法和旋转式粘度计研究了神华煤液化残渣水煤浆的浓度和粘度特性。 燃烧系统的设计和运行都必须以燃料的自身特性为基础，用热重差热同步分析仪研究了神华煤液化残渣和液化残渣水煤浆的热解以及燃烧特性。神华煤液化残渣的燃烧在低温段非常强烈，在150℃区间内迅速挥发完毕，试验样品的质量迅速下降，燃烧产物的50％以上是在这个阶段进行，说明神华煤液化残渣前期燃烧反应能力很强。在高温段，由于神华煤液化残渣含碳量较高，神华煤液化残渣的工业分析固定碳的含量为37.69％，其在高温段的分解量较高，占总重量的70％左右，但是相对于低温段的燃烧速率相对较低，半峰宽较大，燃烧不够集中。 其次，在失重分析的基础上，本文研究了神华煤液化残渣和水煤浆燃烧过程中硫化物的排放特性，着重从分析化学的角度对煤液化残渣及固硫添加剂的煅烧和烧结进行了XRD晶相组成分析及SEM表面形态分析，深入探讨了温度、时间及气氛变化对其燃烧及烧结特性的影响规律。神华煤液化残渣水煤浆燃烧时的硫析出量及析出速率均低于液化残渣燃烧时的析出量，添加6％电石馇配制而成的脱硫型水煤浆在1100℃和1200℃时的燃烧固硫效果分别可达65％和35％。当炉温由1100℃升高到1300℃时，神华煤液化残渣与液化残渣水煤浆及脱硫型水煤浆的硫析出量以及析出速率都相应的提高，但三者之间的差别很小。 对神华煤液化残渣水煤浆的燃料氮析出规律进行了试验研究，主要研究了温

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 液化技术发展过程
• 1.2.1 煤间接液化
• 1.2.2 直接液化
• 1.2.3 共同液化
• 1.3 煤液化工艺原理对比分析
• 1.3.1 F-T合成
• 1.3.2 加氢液化
• 1.4 煤液化残渣的研究现状
• 1.4.1 煤液化残渣的形成和性质
• 1.4.2 煤直接液化残渣气化制氢
• 1.4.3 集成的煤液化过程
• 1.4.4 煤液化残渣中残留催化剂对其挥发分测定的影响
• 1.5 本章小节
• 第二章 神华煤液化残渣及水煤浆的燃料特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 三种国外煤液化残渣岩相对比研究的综述
• 2.2.1 试验的介绍
• 2.2.2 制备液化残渣的方法
• 2.2.3 Beulah-Zap煤样的结果和分析
• 2.2.4 Stockton煤样的结果与分析
• 2.2.5 Pocahontas No.3煤样的结果和分析
• 2.3 神华煤液化残渣水煤浆的特性研究
• 2.3.1 制备水煤浆的可行性分析
• 2.3.2 水煤浆的制备
• 2.3.3 神华煤液化残渣水煤浆稳定性实验研究
• 2.3.4 水煤浆流变特性概述
• 2.3.5 流体按流变学特性的分类
• 2.3.6 流变特性的测量方法
• 2.3.7 神华煤液化残渣水煤浆的流变特性测量
• 2.3.8 神华煤液化残渣水煤浆表观粘度随温度的变化规律
• 2.3.9 神华煤液化残渣水煤浆表观粘度随浓度的变化规律
• 2.3.10 剪切速率对神华煤液化残渣水煤浆表观粘度的影响
• 2.3.11 神华煤液化残渣渣浆的流体类型
• 2.4 本章小节
• 第三章 神华煤液化残渣及水煤浆的热解及燃烧特性
• 3.1 引言
• 3.2 热重差热同步分析仪
• 3.3 神华煤液化残渣的热解特性研究
• 3.3.1 燃料的选取
• 3.3.2 热天平试验
• 3.3.3 热重试验参数
• 3.3.4 试验结果及分析
• 3.4 神华煤液化残渣的燃烧特性
• 3.5 神华煤液化残渣与褐煤混煤燃烧特性的实验研究
• 3.5.1 试验样品的制备
• 3.5.2 TGA试验仪器和实验参数
• 3.5.3 试验结果与数据分析
• 3.6 神华煤液化残渣水煤浆的热解特性
• 3.6.1 试验样品的制备
• 3.6.2 试验结果与数据分析
• 3.7 神华煤液化残渣水煤浆的燃烧特性
• 3.7.1 试验工况与结果
• 3.7.2 加热速率的影响
• 3.7.3 浆浓度的影响
• 3.8 本章结论
• 第四章 神华煤液化残渣及水煤浆燃烧过程中硫化物排放特性
• 4.1 引言
• 4.2 煤液化残渣燃烧过程中硫化物排放特性研究
• 4.2.1 实验装置和煤种
• 4.2.2 神华煤液化残渣硫动态析出量
• 4.2.3 神华煤液化残渣硫动态析出速率
• 4.2.4 添加剂粒径对神华煤液化残渣硫析出的影响
• 4.3 神华煤液化残渣与褐煤燃烧过程中硫化物排放特性研究
• 4.3.1 实验装置和煤种
• 4.3.2 单煤及混煤燃烧时硫的动态排放特性
• 4.3.3 炉温对混煤燃烧时硫动态排放特性的影响
• 4.3.4 掺混比对混煤燃烧时硫动态特性的影响
• 4.4 神华煤液化残渣自身同硫的微观特性分析
• 4.4.1 试验材料与试验方法
• 4.4.2 神华煤液化残渣灰的自身固硫特性
• 4.4.3 自身固硫渣样的晶相分
• 4.4.4 自身固硫渣样的孔隙分析
• 4.4.5 自身固硫渣样的表面形态分析
• 4.5 煤液化残渣水煤浆燃烧过程中硫化物排放特性研究
• 4.5.1 炉温的影响
• 4.5.2 水分的影响
• 4.5.3 添加剂配方的影响
• 4.5.4 添加剂钙硫比的影响
• 4.6 本章小节
• 第五章 神华煤液化残渣和水煤浆燃料氮热解特性
• 5.1 引言
• 5.2 燃料氮的生成机理
• 5.3 煤中燃料氮的析出及存在形态的研究概况
• 5.3.1 煤中氮的主要存在形式
• 5.3.2 煤燃料氮析出时氮的分布
• x生成的关系'>5.3.3 燃料氮析出过程中氮与NO_x生成的关系
• 5.4 神华煤液化残渣燃料氮析出特性的实验研究
• 5.4.1 燃料氮试验装置与试验方法
• 5.4.2 硝酸银滴定法（氰化物的测定）
• 5.4.3 次氯酸钠—水杨酸分光光度法（GB／T14679-93）
• 5.5 神华煤液化残渣水煤浆燃料氮析出特性的实验研究
• 5.5.1 焦氮析出特性
• 5.5.2 HCN-N析出特性
• 3-N析出特性'>5.5.3 NH₃-N析出特性
• 5.5.4 加热速率的影响
• 5.6 本章小节
• x生成特性'>第六章 神华煤液化残渣燃料氮分布神经网络模型及燃料NO_x生成特性
• 6.1 挥发份析出动力模型
• 6.1.1 单方程模型
• 6.1.2 两个平行的反应模型
• 6.1.3 无限个平行反应模型
• 6.1.4 多组分单方程模型
• 6.1.5 FLASHCHAIN模型
• 6.1.6 FG-DVC模型
• 6.1.7 煤粒热解通用模型
• 6.1.8 神经网络模型
• 6.2 神经网络的反向传播模型和算法
• 6.2.1 人工神经网络的数学描述
• 6.2.2 误差反播（BP）算法介绍
• 6.2.3 利用BP神经网络预测神华煤液化残渣燃料氮的析出分布
• x生成特性研究'>6.3 神华煤液化残渣燃料型NO_x生成特性研究
• 6.3.1 试验装置介绍
• 6.3.2 检测方法与试验煤种
• 6.3.3 燃烧时燃料氮的转化率
• 6.3.4 温度对燃料氮转化的影响
• 6.3.5 过量空气系数对燃料氮转化率的影响
• 6.4 焦燃烧时燃料氮的转化率
• 6.4.1 温度对焦炭氮转化的影响
• 6.4.2 过量空气系数对焦炭氮转化率的影响
• 6.5 挥发份燃烧时燃料氮的转化率
• 6.5.1 温度对挥发份氮转化率的影响
• 6.5.2 过量空气系数对挥发份氮转化率的影响
• x生成贡献的对比'>6.6 焦炭氮和挥发份氮对NO_x生成贡献的对比
• x生成特性'>6.7 神华煤液化残渣水煤浆的燃料型NO_x生成特性
• 6.7.1 神华煤液化残渣燃料氮转化率
• 6.7.2 神华煤液化残渣水煤浆焦炭氮的转化率
• 6.7.3 神华煤液化残渣水煤浆挥发份氮的转化率
• 6.8 本章小节
• 第七章 神华煤液化残渣及水煤浆灰样烧结熔融特性
• 7.1 烧结概述
• 7.1.1 烧结机理及过程
• 7.1.2 烧结过程中物质的迁移途径
• 7.1.3 灰渣的烧结
• 7.1.4 与沾污结渣的Na、Fe、Ca化合物
• 7.2 灰渣烧结特性研究实验
• 7.2.1 灰样粒径选取与烧结率的定义
• 7.2.2 实验燃料特性
• 7.2.3 烧结率及初始烧结温度的测定
• 7.2.4 灰渣烧结率与烧结时间的关系
• 7.2.5 烧结前后灰样特性分析
• 7.3 本章小节
• 第八章 410T／h电站锅炉渣浆燃烧数值模拟研究
• 8.1 引言
• 8.2 燃烧数值计算基本模型
• 8.2.1 热辐射模型简介
• 8.2.2 挥发份析出模型简介
• 8.2.3 焦炭燃烧模型简介
• 8.2.4 湍流燃烧模型简介
• x生成模型简介'>8.2.5 NO_x生成模型简介
• 8.3 410T／h电站锅炉水煤浆燃烧数值模拟概况
• 8.3.1 本文采用的数值计算模型
• 8.3.2 水煤浆水分蒸发的处理
• 8.3.3 数值模拟对象
• 8.4 数值模拟结果分析
• 8.4.1 六角切向水煤浆燃烧锅炉炉内流场分析
• 8.4.2 水煤浆电站锅炉炉内温度场分析
• 8.4.3 410T／h电站锅炉水煤浆燃烧分析
• 8.4.4 水煤浆电站锅炉炉内组分场分析
• 8.5 本章小节
• 第九章 全文总结与进一步工作展望
• 9.1 全文总结
• 9.1.1 主要研究内容及结论
• 9.2 本文主要创新点
• 9.3 进一步工作展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 作者在攻读博士学位期间发表的主要论文
• 附录2：作者在攻读博士学位期间参加的主要项目
• 附录3：作者在攻读博士学位期间获得奖励
• 致谢