煤地下氣化灰層中氣體傳質(zhì)和反應(yīng)的研究.pdf

1、在我國“富煤貧油少氣”的能源格局下，煤氣化是大部分煤清潔高效利用技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是滿足日益增長的能源及化工產(chǎn)品需求的重要途徑。不同于傳統(tǒng)煤氣化，煤地下氣化是一種將氣化劑通入地下與煤層就地反應(yīng)并產(chǎn)出合成氣，殘余的灰留在地下的工藝，目前尚未大規(guī)模工業(yè)化運(yùn)行。一百余年來許多國家開展了煤地下氣化場地試驗(yàn)，研究方向主要集中在操作調(diào)控上，未能從復(fù)雜多變的地下生產(chǎn)條件中抽提出機(jī)理性的規(guī)律。出于強(qiáng)化過程擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的需要，研究者們建立了多種模型展開模

2、擬研究，以期認(rèn)識地下的“黑箱”過程，但在模型的有效性和參數(shù)的準(zhǔn)確性方面尚存諸多問題。
　　傳統(tǒng)煤氣化工藝已認(rèn)識到數(shù)毫米的灰層對氣體傳質(zhì)和反應(yīng)有不可忽視的影響，因此需引入主動排灰的設(shè)備和措施來保證反應(yīng)器內(nèi)氣化強(qiáng)度。煤地下氣化工藝無法進(jìn)行排灰，因此連續(xù)生產(chǎn)過程中氣化反應(yīng)表面絕大部分時間覆蓋著灰層，其影響不應(yīng)被忽略。多孔介質(zhì)領(lǐng)域的已有研究表明，氣體在多孔介質(zhì)（對地下氣化過程而言即為灰層）中的擴(kuò)散與在氣流主體中的擴(kuò)散行為顯著不同，會對傳質(zhì)

3、和產(chǎn)物分布造成影響;此外，在高溫的灰層中，產(chǎn)物合成氣還可能發(fā)生燃燒反應(yīng)，它同樣會對傳質(zhì)和產(chǎn)物分布造成影響。但縱觀當(dāng)前對煤地下氣化的模型與模擬研究，由于缺乏對氣體在灰層中擴(kuò)散和反應(yīng)行為的基礎(chǔ)研究和數(shù)據(jù)，鮮見對灰層影響氣體傳質(zhì)和反應(yīng)的量化討論。
　　有鑒于此，本論文以管式爐和熱天平中煤焦的氣化反應(yīng)和CFD模擬為主要手段，輔以氣固兩相的表征分析與理論推導(dǎo)，展開對煤地下氣化灰層中氣體傳質(zhì)和反應(yīng)行為的基礎(chǔ)研究，量化灰層的影響。完成的主要工作

4、如下:
　　(1)以灰層及內(nèi)部的氣體為對象進(jìn)行CFD模擬，證明只要?dú)饣瘎┲写嬖贠2，灰層中普遍存在合成氣燃燒的現(xiàn)象，該現(xiàn)象導(dǎo)致灰層中出現(xiàn)高于反應(yīng)溫度的局部高溫區(qū)域;氣化劑中的CO2和H2O含量增加，會使局部高溫區(qū)域位置向灰層的外表面移動。
　　(2)精確設(shè)計(jì)了煤焦的一維單向氣化實(shí)驗(yàn)，以O(shè)2為氣化劑，分析了一系列灰層的微觀形貌和無機(jī)物組成，發(fā)現(xiàn)灰熔點(diǎn)為1733K的魯仙煤灰在反應(yīng)溫度1573K下發(fā)生了熔融，證明灰層中發(fā)生了CO燃

5、燒，其放熱導(dǎo)致了局部熱區(qū);灰層中合成氣的燃燒也改變了反應(yīng)分布及產(chǎn)物的選擇性，灰層對O2的阻礙以及CO的燃燒使得炭壁面主要發(fā)生C與CO2的吸熱反應(yīng)，CO在最終產(chǎn)物中的占比隨著灰層增厚而下降。
　　(3)將煤地下氣化反應(yīng)中氣體（氣化劑和產(chǎn)物氣）在通道中的外擴(kuò)散、在灰層中的內(nèi)擴(kuò)散以及在煤焦表面的反應(yīng)三個過程解耦，建立了O2與CO2兩種氣體在灰層中有效擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算方法，認(rèn)識了灰層中孔隙隨反應(yīng)過程增大進(jìn)而導(dǎo)致氣體有效擴(kuò)散系數(shù)隨之增加的規(guī)律

6、;認(rèn)識了灰層中合成氣燃燒變相強(qiáng)化O2傳質(zhì)的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)本文條件下O2的有效擴(kuò)散系數(shù)顯著高于CO2的有效擴(kuò)散系數(shù)。
　　(4)在不考慮灰層熔融并忽略外擴(kuò)散阻力的情況下，通過孔隙分析建立了使用灰層厚度與溫度估算氣體有效擴(kuò)散系數(shù)的簡便方法，可以為模擬研究提供傳質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，內(nèi)擴(kuò)散阻力在總阻力中占比越高、估算越準(zhǔn)確。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，灰層厚度超過3mm時，對于O2內(nèi)擴(kuò)散阻力占比高于65％，對于CO2內(nèi)擴(kuò)散阻力占比高于85％。通過分析系