CO_2回收式加压流化床煤气化建模与数值计算

以新型CO2回收式煤气化系统为研究对象,建立了加压流化床煤气化动态数学模型,包括颗粒模型、气相模型、气泡模型和焓平衡模型,探讨了给煤速率、氧碳比以及水蒸气比等操作参数对碳转化率、产气量以及冷煤气效率的影响,由此确定了煤投入量的最佳操作范围。计算结果表明:在采用CO2回收循环系统下可获得70%以上的(CO+H2)合成气;CO2气氛下的气化能力比在空气气氛下减少了约2%;反应压力为1.5 MPa时,给煤速率的最佳操作范围为1.3~1.8 kg/(m2·s);氧碳摩尔比为0.5时冷煤气效率可达76%;气化温度与氧碳比基本呈线性关系,通过对氧碳比的控制可有效地调节气化温度;随着水蒸气比的增加,冷煤气效率会出现最大值,气体热值会逐渐增大;在气化温度为1073~1273 K时,CO2气氛下反应的操作范围比空气气氛下的范围大。     

矿井乏风对锅炉燃烧特性影响

对某2 027 t/h四角切圆燃煤锅炉采用矿井乏风作为一次风和二次风的燃烧工况进行数值模拟,在验证模型可行性的基础上,研究了乏风中甲烷体积分数对炉膛温度以及NOx排放的影响。结果表明:随着乏风中甲烷体积分数的增加,炉膛内燃烧区平均温度最大增加53 K;炉膛中氧体积分数和NO质量浓度及煤粉燃尽率随着乏风中甲烷体积分数的升高而降低,而CO变化趋势相反;炉膛出口NO平均质量浓度从388.21 mg/m3降低至318.88 mg/m3,降低幅度达到17.80%。使用矿井乏风作为锅炉一次风和二次风能够有效降低NOx的排放。     

氯对CO氧化抑制作用的实验研究

利用常压管式流动反应装置研究CO/H2/O2/Cl2的氧化过程以了解氯对CO氧化的抑制作用。实验中反应温度的范围是973~1 273 K,入口反应气体中氯原子和氢原子的物质的量之比[Cl]/[H]的范围是0到1。反应产物通过红外光谱仪在线检测。结果表明,CO的转化率随反应温度的升高而增大,随[Cl]/[H]的升高而减小。HCl的生成反应及HCl与OH的反应HCl+OH=Cl+H2O降低了反应体系中OH的浓度,导致CO转化率的下降。提高反应温度可减轻氯对CO氧化的抑制作用。     

利用非平衡等离子体方法将CO2还原成CO的研究

CO2和H2合成CO是CO2化学利用的重要过程,然而,传统的催化转化难以实现高效转化。在室温和大气压下,通过非平衡等离子体对H2和CO2的活化作用,考察了等离子体反应器结构、极间距、放电功率和氢碳比等对CO2转化率、CO选择性和CO2转化的能量效率影响。实验结果表明,在室温和大气压下,用等离子体法可将CO2高效的还原为CO,适当调节上述各参数可提高CO2的转化率。采用管管式等离子体反应器,在放电频率为10kHz、H2与CO2体积进料比为2:1、放电功率为80W、CO2气体体积流量为120mL/min的条件下,CO2转化率为88.2%,CO选择性为100%。     

用简化PDF模型对气化炉运行特性的分析

应用CFD(computational fluid dynamics) 软件FLUENT对某化肥厂Texaco水煤浆气化炉进行三维数值模拟，计算采用贴体网格，简化PDF方法模拟湍流燃烧，编制UDF分别考虑了焦炭同O2、H2O、CO2和H2的反应。计算考察了改变水煤浆浓度及[C]/[O]原子比等重要参数对气化炉运行特性的影响。焦炭仅同氧气反应时的转化率为32%, 而总转化率为95%，说明焦炭同H2O、CO2和H2的异相反应在气化过程中占重要作用；煤粉粒度越大，碳转化率越低，粒度为175 mm时，碳转化率仅为72%；气化温度是影响气化反应的决定性因素。随着水煤浆浓度的增高，CO摩尔分数明显升高、H2O和CO2摩尔分数明显降低，H2摩尔分数略有降低。随着[O]/[C]原子比的增加，H2摩尔分数明显降低，CO和CO2摩尔分数几本不变。出口温度和碳转化率随煤浆浓度和[O]/[C]原子比的增加而增高。冷煤气效率随煤浆浓度的提高而提高，随[O]/[C]比的增加会在1~1.05之间出现峰值。     

基于CaSO4载氧体的煤化学链燃烧还原反应实验研究

基于CaSO4载氧体的煤化学链燃烧技术,采用小型流化床模拟燃料反应器,对煤气化–CaSO4还原反应展开实验研究。水蒸气作为气化及流化介质,煤气化气体产物(CO、CH4、H2)与CaSO4发生还原反应。结果表明,煤气化是煤气化–CaSO4还原反应过程的控制步骤;CH4、H2累积量随温度升高呈减少趋势,高于950 ℃时反应产物中无CH4、H2,温度低于950 ℃时CO累积量随温度增高亦呈减少趋势, 但高于950 ℃时CO累积量随温度升高反而略有增加;煤气化反应的碳气化效率以及煤气化–CaSO4还原反应的C–CO2转化率均随温度而增大,最大值分别达95.9%、91.5%。CaSO4在CH4、H2气氛的反应活性随温度升高而显著提高,而在CO气氛下其反应活性较弱;煤气化–CaSO4还原反应后的载氧体颗粒出现轻微磨损,扫描电镜分析表明反应后载氧体颗粒的比表面积增大,950 ℃时存在轻微烧结现象,但对载氧体反应活性影响不大。     

贝壳对生物质气化的催化作用研究

贝壳的主要成分为CaCO3,以贝壳为催化剂考察其对木屑生物质气化的催化效果。通过在不同剂料比及温度条件下生物质的的产气特性实验发现:水蒸气气氛中贝壳对木屑生物质最佳催化温度在750~950℃之间;贝壳主要加快催化含碳大分子裂解,气化效率与产气中H2+CO总含量以及H2/CO比有关;水蒸气气氛下,当温度为950℃、剂料比为20%时,碳转化率为94%,物料能量转化率为81%,比同温度下纯生物质的碳转化率和能量转化率分别提高了10.3%和6%。     

稻壳与水蒸气分段热解气化流程模拟

生物质分段热解气化工艺通过提升反应温度提高碳转化率、降低焦油含量。该工艺过程中利用部分生物质热解气化产气在气化炉外部的燃烧器进行燃烧产生高温烟气,为热解、气化过程提供热量。该文选取稻壳为原料,利用Aspen Plus软件,模拟稻壳与水蒸气分段热解气化工艺过程,该过程考虑了热量回收与利用以及产气的部分循环利用,通过流程模拟,分析了气化温度、水蒸气通入量对产气各组分的产量、碳转化率、产气低位热值的影响。结果表明:利用总产气量的15.4%~20.5%用于燃烧可实现分段热解气化工艺的热量自给。随着气化温度的升高,产气中H2和CO含量增加,碳转化率升高,产气低位热值在气化温度为700℃时最低,随后逐渐升高;水蒸气的通入量增加会提高H2和CO2的产量,使碳转化率升高,产气低位热值降低;在气化温度为800~1 000℃内,w(H2O)/w(B)0.15(水蒸气与生物质质量比)时,CO的产量随水蒸气的通入量增加而减少,碳转化率接近100%。     

钾钠盐类对钙基CO2吸附剂循环碳酸化的影响

钙基CO2吸附剂如石灰石在循环煅烧/碳酸化过程中随着循环次数的增加碳酸化转化率迅速衰减,这对CO2的捕捉极为不利。该文在常压煅烧/碳酸化反应器系统上研究KCl、K2CO3、NaCl和Na2CO3作为添加剂对CaCO3循环碳酸化特性的影响。结果表明,在初始循环时,钾钠盐类的添加造成CaCO3碳酸化转化率的明显衰减,但随着循环次数的增加,添加剂使CaCO3转化率下降缓慢,反而高于原CaCO3转化率。钾盐较钠盐对CaCO3循环捕捉CO2能力有更好的促进作用,钾/钠氯化物比钾/钠碳酸盐效果更好。在CaCO3中添加质量比为0.5%~0.6%的KCl,碳酸化温度在680~700℃时,吸附剂能取得最高的循环碳酸化转化率,经20次循环反应后转化率可达0.44,而在相同条件下原CaCO3转化率仅为0.21。KCl对CaCO3碳酸化的影响包括两方面。一方面,KCl虽然在初始循环时使CaCO3煅烧后的比表面积和比孔容减小,但在长期的循环中能够使它们保持稳定;另一方面,KCl能增加反应中碳酸化产物层的缺陷浓度,有可能增大未反应Ca离子通过产物层的扩散率。因此添加了KCl的CaCO3能够在长期煅烧/碳酸化循环中保持良好的碳酸化性能。     

稻壳与水蒸气分段热解气化流程模拟EI北大核心CSCD

生物质分段热解气化工艺通过提升反应温度提高碳转化率、降低焦油含量。该工艺过程中利用部分生物质热解气化产气在气化炉外部的燃烧器进行燃烧产生高温烟气,为热解、气化过程提供热量。该文选取稻壳为原料,利用Aspen Plus软件,模拟稻壳与水蒸气分段热解气化工艺过程,该过程考虑了热量回收与利用以及产气的部分循环利用,通过流程模拟,分析了气化温度、水蒸气通入量对产气各组分的产量、碳转化率、产气低位热值的影响。结果表明：利用总产气量的15.4%~20.5%用于燃烧可实现分段热解气化工艺的热量自给。随着气化温度的升高,产气中H2和CO含量增加,碳转化率升高,产气低位热值在气化温度为700℃时最低,随后逐渐升高;水蒸气的通入量增加会提高H2和CO2的产量,使碳转化率升高,产气低位热值降低;在气化温度为800~1000℃内,w（H2O）/w（B） 〉0.15（水蒸气与生物质质量比）时,CO的产量随水蒸气的通入量增加而减少,碳转化率接近100%。     

生物质气在SOFCs中的循环系统设计及原理

设计了一种生物质气在固体氧化物燃料电池堆(SOFCs)中的循环流程.在本技术中,生物质气的主要成分甲烷首先被熔融盐中的晶格氧部分氧化为H2和CO,生物质气中的杂质S和重金属被熔融盐吸收;CO和H2在SOFCs阳极室被电化学氧化为CO2和H20,反应释放的大部分能量转化为电能;大部分CO2在特定温度下,经可再生材料Li4SiO4吸收、解吸被提纯回收.少量CO2和H2O被循环到熔融盐池与甲烷发生重整反应,反应所需要的热量由甲烷部分氧化释放的热量提供.本系统中SOFCs抗积碳及对含S和N燃料的容忍性比较好;整个系统能量利用率高,可以实现CO2的零排放.     

负载型K2CO3/Al2O3吸收剂鼓泡床吸收CO2特性及数值模拟

利用负载型K2CO3/Al2O3吸收剂吸收燃煤电厂烟气中的CO2是一种较好的CO2减排方法。在小型鼓泡床试验台上对K2CO3/Al2O3吸收剂吸收CO2的特性进行了研究。结果表明,K2CO3/Al2O3吸收剂具有良好的CO2吸收性能,吸收剂转化率超过70%,在反应开始3min内CO2的脱除率达到了100%。基于K-L鼓泡床两相模型建立了负载型K2CO3/Al2O3吸收剂鼓泡床吸收CO2的数学模型,化学反应源项采用了颗粒缩核模型。CO2脱除率和K2CO3/Al2O3吸收剂转化率的模拟值与试验值较吻合,同时模型给出反应气体在气泡相和乳化相中的浓度分布,揭示了反应器某些细节特征。利用所建立的模型对试验系统进行了分析计算,结果表明,增加CO2浓度不利于提高CO2脱除率。增加流化数,气泡速度和直径均迅速增大,CO2脱除率迅速降低。增加床料量有利于提高CO2脱除率。模型的预测结果具备一定的合理性和准确性,为开展相应的试验研究和系统设计提供了基础数据。     

低氧体积分数下煤粉的NO排放及燃烧特性

为了掌握固定床中煤粉低氧体积分数反应的燃烧特性和NO排放特性,利用固定床反应器研究了燃烧气氛、管式炉温度、氧体积分数、气体流量的变化对煤粉NO排放和燃烧特性的影响。结果表明:与O_2/N2和O_2/Ar气氛相比,O_2/CO_2气氛下的NO排放峰值的体积分数减半,反应时间延长,最高燃烧温度降低;升高温度对NO释放和降低反应时间有促进作用,当温度升高至1 300K时,NO排放量达到峰值,随后进一步升温,NO的还原速率大于生成速率,NO排放量反而降低;当氧体积分数低于10%时,N的氧化反应被抑制,NO排放量保持较低水平,当氧体积分数从10%升至21%时,CO/NO/焦炭还原反应受到抑制,NO排放量快速增长;随着气体流量增加,煤粉颗粒附近的氧体积分数升高,加速了N的氧化反应速率,N的转化率呈单调递增趋势。     

O2/CO2气氛下甲烷火焰中NO均相反应机理研究

氧燃烧方式下由于高浓度CO2介质的存在对煤中氮的析出以及氮氧化物的多相转化有重要影响。该文基于化学动力学分析软件CHEMKIN对O2/CO2及O2/N2气氛下甲烷燃烧均相反应体系中NO的转化行为进行模拟计算,探讨了温度、过氧系数 、CO2浓度、O2浓度、初始含N污染物组分等因素对NO形成及其还原的影响规律,采用生成率分析和敏感性分析工具分析了不同气氛富燃及贫燃条件下NO的反应机理。结果表明,2种气氛富燃及贫燃条件下NO的还原率变化规律相反,与空气气氛相比,富燃条件下O2/CO2气氛不利于NO的还原,而贫燃条件下O2/CO2气氛有利于NO还原。生成率分析表明高浓度CO2气氛能够促进NO还原并对NO的生成具有一定的抑制作用。敏感性分析表明2种不同气氛下NO的反应历程区别不大,但所发生的重要反应有明显差别;在富燃及贫燃条件下,NO反应历程有明显区别,富燃条件下NO的主要反应历程为NO->HNO->NH->N2,贫燃条件下NO的主要反应历程为NO->N->N2。     

利用液态CO2提高水煤浆煤水配比对气化效果影响的数值模拟

提高水煤浆气化碳转化率和冷煤气效率，是强化气化过程的必然结果。利用FLUENT软件平台，该文用数值模拟方法模拟了水煤浆气化过程中水煤浆煤、水配比和氧、碳原子比对气化过程和出口煤气成分的影响；尤其是研究了利用添加液态CO2的方法提高水煤浆煤、水配比，对提高气化炉碳转化率和冷煤气效率的影响。模拟结果显示：随着液态CO2浓度的不断升高，煤气成分中CO大幅上升，H2略有降低，CO2浓度升高；气化炉的碳转化率和冷煤气效率都有较大幅度提高，分别达到最大值98.58%、76.74%，比原工况分别提高了3.7%、6.1%；气化炉温度先降低后变化趋缓。结果证明添加液态CO2后强化了气化炉内的二次反应，提高了焦炭燃烧速率。     

热管式生物质气化炉间接气化模拟研究

建立了热管式生物质气化炉间接气化的动力学模型,研究气化温度和水蒸气与生物质添加量之比(简称为S/B)对气体组分、热值和气体总产率的影响。结果表明:H2和CO的体积分数随着气化温度的升高而增加,CO2的体积分数随着温度的升高而减少;增加S/B有利于H2和CO2的产生,不利于CO的生成;生物质气化气体产物中H2的体积分数在50%~60%之间时,气体热值可高达10MJ/m3。     

煤焦N向NO转化规律的试验研究

在堆积燃烧状态下采用水平管式炉反应器研究不同反应条件及燃料特性对焦炭N向NO转化的影响。试验结果表明:随着石英砂/煤焦质量混合比的增大,NO转化率起初显著增加,随后维持不变,主要由于石英砂的混入削弱了NO的二次还原反应。850~1 050℃温度范围内,随着反应温度的升高焦炭NO转化率先增大后减小。2%~20%氧浓度下,1 050℃进行燃烧时,10%氧浓度下焦炭NO转化率达到最大。焦炭与O2的反应发生在焦炭表面时,NO还原反应减弱,NO转化率较高,同时反应温度升高到一定程度时,NO还原反应速率增加明显。煤焦表面反应煤阶和含氮量越高,焦炭NO转化率越高,并且煤焦表面含氮官能团同样影响焦炭NO的释放。     

铁法链式反应器煤基氢电联产系统性能模拟

FeO/Fe3O4作载氧体，以链式反应器构建煤气化氢电联产系统，用ASPEN PLUS软件对系统的性能进行了模拟。研究链式反应器温度、水蒸汽转化率对系统性能的影响，并对系统流程进行了火用分析。结果表明，系统生产的H2的纯度高，可达99.9%，CO2 近零排放； 当水蒸汽反应器在815℃、水蒸汽转化率为37%时，系统的净效率达到58.06%；水蒸汽转化率对系统性能影响较大，由28%增加到41%时，系统的效率由53.17%增加到58.33%；系统的火用损主要集中在气化炉和余热锅炉部分。     

煤在O_2/CO_2及O_2/N_2气氛下燃烧NO析出规律的实验研究

以阳泉无烟煤(YQ)、聊城贫煤(LC)和里彦烟煤(LY)为研究对象,在卧式管状炉上重点考察了O2/N2和O2/CO2气氛下,三种煤粉燃烧过程中NO的析出规律。实验结果表明O2/CO2气氛能够减小NO的析出速率,并且降低NO的转化率。相比较O2/N2气氛,NO析出曲线平坦,峰值小,持续时间长,在1 173 K的温度条件下,YQ、LC和LY的NO转化率分别为31.45%、20.58%、17.73%,比相应的O2/N2气氛下降低了20.48%、12.42%和24.78%。在1 173 K范围内,提高温度对O2/N2和O2/CO2气氛下的NO转化有均有促进作用,超过此温度则转化率变化不明显。CaCO3的加入促进了NO的析出,并且YQ、LC在Ca/S小于2,LY在Ca/S小于3时,随着CaCO3量的增加NO转化率提高较为明显,进一步提高Ca/S,则固硫剂的作用有所削弱。相对于O2/N2气氛,O2/CO2气氛下的加钙脱硫可以抑制NO的生成,相同条件下的NO转化率可降低25%左右。     

固体氧化物电解池H2O-CO2共电解制取烃类燃料反应特性研究

固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cells,SOEC)共电解H2O-CO2是减少CO2排放和进行可再生能源转化储存的潜在有效途径之一。该文开展了SOEC共电解H2O-CO2实验研究,在产物中发现甲烷气体生成。不同原料气配比条件下的共电解实验结果表明,SOEC共电解H2O-CO2电化学性能介于电解水蒸气和电解CO2之间。增加工作电压和反应气体中CO2的分压有利于提高产物中CH4的浓度,逆向水气变换反应是CO生成的主要途径。与H2-CO在SOEC阴极的反应产物组成相比,H2O-CO2共电解产物中H2浓度非常低,据此推测产物CH4主要由H2O和CO2在Ni催化剂表面原位电化学转化生成。