化学链技术是一种高效环保的新型技术,因能源利用率高、污染物低以及CO₂内分离的特点而受到广泛关注。基于化学链原理,本课题组率先将化学链的载氧体无焰燃烧理论应用于液烃燃料煤焦油的重整利用,提出了一种新型的炭黑生产工艺。相比传统的炭黑制备工艺,煤焦油化学链热解制备炭黑具有低能耗、低污染的优点,有着光明的应用前景。课题组前期研究已在反应机理上取得了一定的进展,但在燃料反应器及空气反应器的优化设计及系统运行方面尚需全面研究。本文针对煤焦油化学链热解制备炭黑工艺的系统进行分阶段模拟,旨在全局优化。主要研究内容及成果如下:首先,在Aspen Plus中建立了流化床燃料反应器模型,模拟计算了反应器中煤焦油与载氧体的热解反应,结果表明在反应温度900℃、反应时间2s、载燃比2.5时最有利于炭黑的生产,此时炭黑产率和反应器的能量转化率较高。这些操作参数为实验运行提供依据。其次,以Aspen Plus中对燃料反应器模拟的运行参数为指导,在实验室规模的流化床燃料反应器上,利用浸渍法制备的活性组分为Fe₂O₃的Fe/Al载氧体进行煤焦油热解,通过实验数据与Aspen Plus中的模型构建对比分析煤焦油化学链热解结果,进一步优化运行参数。重点考察了不同操作条件对系统性能（炭黑产率、能量转化率等）的影响。结果表明,燃料反应器中反应温度、载燃比对热解性能影响较大,反应时间影响较小,与模拟结果吻合较好。利用燃料反应器的物料出口参数,在Aspen Plus中建立并模拟了空气反应器内载氧体的再生,分析了反应温度以及空载比对再生效率的影响。以流化床燃料反应器和空气反应器组成的系统为研究对象,计算得到其能量平衡和质量平衡性,考察了系统的吸放热特征。最后,以实现系统自热为目的,在模拟流程中进行废热回收利用的换热器设计。以空气反应器出口高温载氧体、循环细砂和高温烟气为热源送入燃料反应器。通过改变砂载比并降低排气热损失,实现系统自热工况并提高了系统热效率。本文通过理论模拟与流化床冷热态实验相结合的研究方法,以模拟结果指导实验运行,以实验数据修正模拟设置;从系统优化的角度,既考察了煤焦油热解制备炭黑系统各反应器的性能,也获得了自热系统的设备组合及参数,对实际工艺的建立具有重要的指导意义。