中国化学链燃烧技术研发进展与展望

化学链燃烧通过载氧体将空气中的氧传递给燃料、避免了高耗能的空分制氧,能够在较低能耗下实现CO_(2)的源头捕集,是最具潜力的固体燃料大规模碳减排技术之一。该文对中国化学链燃烧的研发进展进行系统的综述,介绍化学链燃烧技术在中国的中试进展、工程示范部署及技术路线图,综述化学链燃烧在中国的基础研究现状,包括载氧体制备、载氧体氧化/还原反应动力学及模型、载氧体测试方法、双流化床等;并简要讨论化学链燃烧技术未来的发展趋势。

基于可视化大尺寸快速升温热重分析装置的混合固废热解和燃烧特性的实验研究

城市固体废弃物(municipal solid waste,MSW)的燃烧依次经历干燥和热解、挥发分燃烧、焦炭燃烧三个阶段,描述样品热解、燃烧动力学特性的主要参数包括样品质量、温度、尺寸和点火特性等。实际固废焚烧处理过程的主要特征包括升温速率高(400 K/min以上)、样品尺寸大、组分复杂和样品体积收缩等。然而,常规用于测量固废热解、燃烧的实验设备如TGA、macro TGA和沉降炉等存在升温速率或样品尺寸受限、难以同时获取样品的质量和温度及图像信息等缺陷。为此,搭建了可视化大尺寸快速升温热重分析装置,测量了打印纸、PET塑料、松木和厨余垃圾及其混合样品在慢速升温(10 K/min,15 K/min,25 K/min)和快速升温(约500 K/min)工况下热解和燃烧的质量、温度和图像信息。结果表明:升温速率对混合样品的热解和燃烧动力学特性影响较大。慢速升温模式下,混合样品燃烧DTG曲线呈现多峰特征,且这些峰的出现时间与其四种组分的燃烧DTG曲线峰值具有对应关系;快速升温模式下,混合样品各组分的热解区间趋于重叠,燃烧DTG曲线的峰减少为一个。温度和图像信息表明,15 K/min慢速升温模式下,混合样品内部和表面的点火时间基本一致,点火时样品中心温度为191℃,燃烧发生在样品表面。快速升温模式下,升温开始后样品表面可以立即观察到挥发分的燃烧火焰,随后燃烧逐步向样品内部扩展。随着燃烧的进行,样品尺寸持续收缩,直至燃尽。

以煤为燃料的化学链燃烧研究进展

从3个方面介绍以煤为燃料的化学链燃烧的研究进展。在载氧体方面,研究载氧体的气固反应特性,采用表面光滑的Fe多晶片作为反应物,借助扫描电镜观测固体产物,剥离了孔隙结构的影响,解决固体产物微观形貌难以直接观察的问题;建立了基于分子尺度固体产物成核与生长的速率方程,从微观分子尺度来描述宏观的动力学行为;建立活性成分与惰性载体间相互作用力模型;提出通过引入外来离子提高天然钛铁矿载氧体反应活性的方法。在煤与载氧体相互作用方面,考虑了挥发分、煤灰对载氧体的影响;采用催化气化使气化速率与还原速率相匹配;煤的破碎、磨耗及分层会导致燃料反应器内气体的不完全转化。在反应器方面,建立了双循环回路的三流化床实验台,实现了140h稳定热态运行;并提出采用下行床、低温化学链燃烧和直接化学链燃烧的概念来转化未反应气体。

煤粉燃烧中NO_x的预测:模型开发及Fluent实现

开发了新的煤粉燃烧NO_x预测模型,模型考虑了热力型,快速型和燃料型NO_x的生成以及已生成NO_x的异相,均相还原。通过不同煤种的大量热解实验建立了燃料N在挥发分,焦炭中分配比例的经验公式。为解决欠氧还原区NO_x均相还原的定量描述问题,提出以CO,H_2浓度来间接表征气相碳氢化合物含量的方法。利用Fluent提供的用户自定义函数(UDF)接口,加入焦炭与CO_2,H_2O的气化反应,准确计算CO,H_2在燃烧全过程的衍化规律。编写程序将NO_x模型以UDF的形式嵌入Fluent中,实现新的NO_x模型与先进湍流,辐射换热模型的耦合计算。与原有模型相比,新的NO_x预测模型可以自适应不同燃烧条件(常规燃烧,空气分级燃烧)下NO_x迥异的生成与还原特点,从而有助于评判不同结构设计,运行条件对NO_x排放的影响。

CaO循环吸收CO_2的实验研究

对CaO与CO2的循环反应特性进行实验研究,分析了影响CaO转化率的因素及CaO转化率随循环次数的变化趋势.实验结果表明:CaO转化率随温度和CO2体积分数的增加而增加,颗粒粒径对其影响较大;CaO转化率随循环次数的增加而降低,在循环次数达到一定值后,CaO转化率降低到某一值后不再发生较大的变化.在不同温度下,CaO转化率随循环次数的增加而降低的趋势有所不同.

垂直点阵集沙仪的集沙效率

垂直点阵集沙仪是挟沙气流中输沙量垂线分布测量的主要仪器。各类垂直点阵集沙仪的集沙效率有所不同 ,因而相应获取的实测资料之精度也差异较大。作者将大量实测输沙量垂线分布数据与获取这些数据的集沙仪类型相联系 ,分析了各类垂直点阵集沙仪的集沙效率 ,发现在近床面区各种集沙仪的集沙效率都较低且相差较大 ;远离近床面区集沙效率都较高但差别很小 ;集沙效率随着距床面高度的增加而急剧增高。文中提出了“集沙效率指标” ,即用近床面区实测输沙量分布与上段输沙量确定的分布在近床面区外延计算值之间的偏离程度来反映各种集沙仪的集沙效率变化特征。在风速和沙粒粒径相似的条件下 ,集沙效率指标值越大 ,对应的集沙效率也越高。单管集沙仪的集沙效率最高 ,一般点阵式集沙仪的集沙效率次之 ,台阶式点阵集沙仪的集沙效率最低。集沙效率指标随集沙仪类型的变化主要受集沙仪中单个进沙口高度影响 ,反映了集沙仪内部排气状况的重要性。通过对气流速度和沙粒粒径等因素对集沙效率影响的讨论 ,提出了可以通过改善近床面区集沙条件、减小集沙仪进沙口高度等方法来提高集沙效率的建议 ,这些对进一步研制高效的集沙仪都具有参考价值。

煤粉燃烧中NOx的预测：参数数据库及CFD实践

在前期工作中开发了新的煤粉燃烧NO_x预测模型,使用CO,H2浓度表征碳氢化合物含量来刻画NO_x的均相还原,编写程序以UDF的形式将NO_x模型、包含气化反应的焦炭燃烧模型嵌入Fluent中,实现新的NO_x模型与先进湍流、辐射换热模型的耦合计算。在此基础上,进一步改造完善沉降炉、一维炉实验平台,开展不同煤种、不同工况下的燃烧实验,获得高质量的实验数据。使用新的NO_x预测模型对各工况进行模拟、对比,建立适用于不同煤种的模型参数数据库。最后将新的NO_x模型及参数数据库应用于四角切圆锅炉、对冲火焰锅炉以及W火焰锅炉的CFD计算中。结果表明新的NO_x模型可以合理预测不同煤种、不同炉型、不同运行条件下NO_x的生成与还原,这就为锅炉、燃烧器的低NO_x设计、改造与优化奠定了基础。

塔克拉玛干沙漠腹地纵向沙垅表面沙物质粒度特征

本文对塔克拉玛干沙漠腹地纵向沙垅表面沙粒、丘间地沙粒进行了粒度分析。结果表明，沙垅以极细沙为主，平均粒径３．０６Φ，沙粒从沙垅迎风侧到背风侧逐渐变细。沙丘沙比丘间地沙分选好，沙垅背风侧比迎风侧分选好。沙粒属极负偏，偏度－０．２２，丘间地沙比沙丘沙更趋向负偏。峰度１．３８，属尖峰态。粒径与偏度和峰度成正相关，分选和偏度成良好负相关。沙丘沙以单峰态为主，累积频率曲线为２～３段式，丘间地以双峰态为主，累积频率曲线为３～４段。大尺度地形对沙粒段式没有影响，对各段组分含量相对大小有影响。

钙基二氧化碳吸收剂循环反应特性

对分析纯碳酸钙和三种白云石与CO2的循环反应特性进行实验研究。实验结果表明,分析纯碳酸钙的二氧化碳吸收能力随循环次数的增加而快速下降,当其达到一定值后基本不再变化,活性下降原因主要是由氧化钙烧结所引起;由于白云石中惰性物质氧化镁的存在而部分减缓了吸收剂的烧结,所以使白云石的循环稳定性要优于分析纯碳酸钙。

我国北方典型沙漠化地区近30a风速变化特征

利用毛乌素沙漠的乌审旗、浑善达克沙地的多伦县和科尔沁沙地的奈曼旗1970—2000年逐日平均风速资料探讨了沙漠化地区的风速变化特征。3个旗县在4月和11月为高风速期,8月为低风速期;乌审旗年均风速30 a来基本处于减弱趋势,多伦县和奈曼旗的年均风速没有表现出稳定的变化趋向;用Weibull函数拟合不同时段内的风速分布效果都很好;风速的方差较大,且与平均风速成正相关;以不同时距平均风速为参数计算的输沙量相差很大,应该引起足够的重视。

CaO与CO_2循环反应动力学特性

为分析CaO与CO2循环反应过程动力学参数的变化规律，利用缩核模型对CaO与CO2的循环反应特性进行了研究．结果表明：CaO与CO2的化学反应速率常数在590—743℃为一常数；化学反应速率常数和产物层扩散系数随循环次数的增加而降低，温度对二者的降低规律有一定的影响；由产物层扩散阶段所引起的活性降低主要发生在前几次循环内，化学反应动力学控制阶段的活性降低是引起CaO整体转化率降低的主要因素．

粗糙度研究的现状及展望

略述边界层剪切湍流各区域速度廓线规律和地面粗糙分类后，对各种地面粗糙度（包括沙质粗糙度、动力粗糙度、植被粗糙度、复杂地面粗糙度、有效粗糙度）的研究现状和计算方法作了简要综述。

高浓度CO_2下CaCO_3循环煅烧试验与模拟

建立了高浓度CO2气氛下CaCO3循环煅烧过程数学模型,利用钙基吸收剂多次循环煅烧试验对模型进行了验证,在此基础上分析了CO2浓度、吸收剂种类、粒径和循环次数等参数对CaCO3煅烧的影响。结果表明:CaCO3分解温度随气相中CO2含量的增加而增大;在高浓度CO2下,随循环反应次数的增加,吸收剂循环反应活性下降,使得所生成的CaCO3质量也随循环次数的增加而减少,致使CaCO3煅烧完全所需时间会随循环反应次数的增加而减少。

新型干法脱硫剂的性能研究与工业应用

水泥生产常用的干法钙基脱硫剂存在成本高、脱硫效率低、制备工艺复杂等问题,为实现钙基脱硫剂的降本增效,以Ca(OH)_(2)作为脱硫剂的钙基基底,充分模拟含SO_(2)的工业烟气,研究了脱硫剂比表面积以及掺加活性组分、催化组分、工业矿粉等对脱硫剂脱硫性能的影响,开发了掺杂工业矿粉的新型干法脱硫剂。结果表明,在Ca(OH)_(2)中掺入15%氨基类活性物质、5%铁钛矿以及5%毒重石所制备的新型干法脱硫剂具有良好的脱硫效果,工业应用验证了该脱硫剂脱硫效率高达90%以上,无副产物排放,且成本较低,市场应用前景广阔。

生物质气化燃气耦合煤粉低氮燃烧的CFD数值模拟

针对生物质气化耦合煤粉低氮燃烧发电技术,考虑该技术包括煤粉和生物质气化燃气两类燃料特点,开发基于ED湍流燃烧模型的CFD数值模拟框架,建立了新型焦炭燃烧与气化模型和气相组分燃烧模型,进一步讨论了煤焦燃烧气化模型中离散项与连续相之间的质量、组分、动量和热量的耦合方法。在此基础上,通过编写UDF将新模型添加到商业CFD计算软件Fluent平台上,并对模型进行了验证。然后将所开发的模型和数值方法应用于600MW超临界对冲火焰锅炉的生物质气化耦合煤粉低氮燃烧的数值模拟,计算结果表明,新的模型可以非常合理的计算旋流燃烧器区域及炉膛前后墙、侧墙上的温度及浓度分布。文中所开发的CFD数值模拟框架、焦炭燃烧气化模型和气相组分燃烧模型以及数值实现方法,可以用于生物质气化耦合煤粉低氮燃烧发电技术的设计与优化。

化学链燃烧的研究现状及进展

化学链燃烧具有高效、二氧化碳内分离和低NOx等特点,已受到较多关注。介绍了化学链燃烧方式的基本概念,概括分析了它的主要特点,对化学链燃烧系统中具有重要作用的载氧剂的研究现状进行了详细的分析,并对有关化学链燃烧系统设计、试验以及与其它系统耦合方面的进展进行了描述,最后对化学链燃烧发展方向进行了展望。

风沙流中风速脉动的实验测量

在风洞中测量了四种风速条件下净风与挟沙风的速度脉动,发现沙粒运动削弱了平均流速而增加了脉动流速,并且不改变流速脉动的分布规律.挟沙风的脉动速度不再像净风那样随高度增加而单调减小,而是在床面附近变化不大,接着出现极大值,随后依高度增大又趋于减小;也不像净风那样随平均风速的增大而减小,而是先增大后减小,存在极大值.

塔克拉玛干沙漠起沙风况

塔克拉玛干沙漠大部分地区以东北风系为主，西南边缘由西北风系控制，西北边缘多以北风为主，南部边缘均有一定数量的偏南风出现。麦盖提、金星和民丰一带为东北风系和西北风系交替控制。有５种风况类型：窄风况型、宽风况型、双风况型、三风况型和多风况型，分别对应复合型横向、斜向、纵向沙垄、星状沙丘和穹状沙丘，起沙风速基本以若羌为高值区向沙漠西部减少。

吸收增强式甲烷水蒸气重整制氢实验研究

利用固定床反应器对吸收增强式甲烷水蒸气重整制氢反应进行了考察，研究了温度、甲烷流量、颗粒粒径和吸收剂种类等参数对反应过程的影响。结果表明，吸收增强式制氢反应过程最佳反应温度受热力学和动力学两方面因素影响；常压下以CaO为吸收剂时，最佳反应温度为600℃-700℃；CH。流量的选取要根据反应器内吸收剂的量与吸收增强段持续时间综合比较而定；颗粒粒径大于90μm，分析纯CaO和新型钙基CO2吸收剂CaO／Ca12Al14O33均能达到较好的吸收增强效果。

风沙流的输沙率沿程变化规律

将风力作用下的地表侵蚀分解为气流直接侵蚀和跃移沙粒冲击侵蚀两个部分,在冲击侵蚀率中考虑颗粒与床面之间以及颗粒之间碰撞影响的前提下,结合地表蚀积平衡方程从理论上导出了风沙流的输沙率沿程变化公式。公式的预测值与实测资料吻合较好。以该公式为基础,进一步得到了流体侵蚀率、冲击侵蚀率和总侵蚀率各自沿程的理论变化表达式以及饱和路径长度公式,并且发现流体侵蚀率沿程逐渐减小,而冲击侵蚀率和总侵蚀率沿程变化规律都是开始时增大、然后减小,存在极大值;流体侵蚀累积量在总累积侵蚀量中所占的比例并不是固定不变,而是随气流速度的增大而增大。