生物质气流床气化可行性分析与减碳效应

气流床气化是生物质大规模高效转化利用的选择之一。本文首先对生物质气流床气化工艺涉及到的制粉、输送、气化等关键单元进行分析,论证了气流床技术应用于生物质气化的可行性;在此基础上,选用6种典型的农林生物质作为原料,借助Aspen Plus化工流程模拟软件开展生物质气流床气化模拟,研究了煤和生物质共气化及生物质单独气化特性,并对以生物质为原料的气化过程进行减碳效应分析。结果表明:生物质气流床气化具备操作可行性;在煤中掺混适量的生物质既能维持较好的气化性能,又能显著降低煤耗等指标,减碳效果明显;与传统的固定床和流化床相比,生物质气流床气化获得的合成气热值约为10 MJ/m^(3),优势明显,可用于替代天然气供暖,既有经济价值又能实现碳减排。

气流床气化炉中煤气化熔渣的结晶行为研究进展

煤气化是实现煤炭从燃料向原料转变,推进煤炭清洁高效利用的重要途径之一。气流床气化技术是目前的主流气化技术,气化炉的稳定运行要求液态熔渣应具有良好的流动性。排渣过程中的熔渣结晶行为会导致熔渣流动性变差,是造成气化炉非正常停车的主要原因。总结了影响熔渣流动性的主要结晶特征及研究结晶行为的关键——结晶动力学的研究现状。论述根据结晶行为判断结晶机制并选择合适的结晶动力学模型的方法。为获得更准确的结晶行为数据,总结多种结晶检测手段的原理和特点并分析了根据研究重点、仪器特性与熔渣特性选择合适结晶行为的检测手段。最后,论述了化学组成与操作条件对结晶行为的影响。研究发现不同晶体之间结晶机理差异明显,同一化学组成对不同晶体结晶行为的影响不同。当限定熔渣化学组成所处相区时,化学组成与操作条件对第一相结晶矿物质结晶行为的影响更具规律性,可为调控结晶行为提供更准确指导。研究结果与相图结合或建立简单易得的预测模型能更好指导熔渣结晶行为调控。目前,结晶行为研究主要依赖试验手段,后续研究可结合相场模拟与分子动力学模拟等方法,深入挖掘结晶机理,并考察气化炉内温度场、流场等因素对结晶特性的影响。

气流床气化细渣与煤的共燃特性和交互作用

气流床气化细渣(FS)含碳量较高,将其与煤掺烧有望实现FS的资源化利用。文章选用三种不同煤阶的煤与FS为原料,利用热重分析仪研究了两种原料的共燃特性、交互作用和动力学。结果表明:添加三种不同煤阶的煤均能改善FS的综合燃烧性能,当煤的添加比例为80%时,无烟煤对FS的引燃作用和燃尽性能改善较弱,烟煤和褐煤可将FS的着火点分别降低137℃和180℃,燃尽温度降低118℃和132℃,稳燃性指数较FS单独燃烧分别提高了38%、78%、81%;无烟煤因其挥发分含量低和FS之间几乎没有交互作用,该反应过程所需活化能高达148 kJ/mol,随着烟煤和褐煤添加量的增加,共燃体系的失重峰逐步由双峰转变为单峰,煤中大量挥发分的释放使煤与FS共燃过程趋于同步化,褐煤与FS交互作用更加明显,烟煤和褐煤与FS共燃体系所需活化能最高分别仅需71 kJ/mol和57 kJ/mol;基于原位高温热台显微镜和图像处理技术解耦了900℃下共燃体系中煤中挥发分对FS碳转化率的贡献率,其中,无烟煤体系中的FS颗粒面积收缩率最低,仅为65%,而烟煤和褐煤因其较高的挥发分,使得体系中的FS颗粒面积收缩率较高,分别达78%和87%。本研究为煤与气流床气化细渣共燃技术的开发提供了理论指导。

温度梯度对生物质气流床气化产物的影响

气化温度是影响生物质气化性能的重要参数,而工业气化炉内温度分布不均匀,阻碍了生物质高效气化的发展进程。为了预防或减少温度分布不均所造成的不良影响,提高生物质气化性能,通过实验方法研究了炉内温度梯度(axial temperature gradient,ATG)对生物质气化三相产物的影响。实验设定落下床的上段炉温为1300℃不变,下段炉温范围为900℃~1300℃以模拟工业气化炉火焰区存在的轴向温度梯度,以碳转化率和冷煤气效率为评价指标,对松木屑的气化特性进行了实验分析。结果表明:在ATG为100℃~300℃范围内,合成气中有效气体(CO+H_(2))产率、碳转化率和冷煤气效率随着ATG的增大而逐渐减小。半焦产率均低于0.2%,表明松木屑在上段炉(450 mm)1300℃高温区域内几乎实现了半焦的完全气化。碳烟为生物质高温气流床气化的主要含碳固体产物,其产率为半焦产率的3~6倍,且难以被完全清除。当上下两段的ATG高于300℃时,气相均相重整和气-固非均相反应在下段低温区几乎停滞,产物产率、碳转化率和冷煤气效率几乎保持不变,同时有少量焦油生成,占比约0.01%。

气流床气化工艺烧嘴协同处置煤化工废水废液的分析探讨

在目前通用的水煤浆气化炉工艺烧嘴和干煤粉气化炉工艺烧嘴的基础上,分别提出了新型的工艺烧嘴结构,并对使用两种新型气化炉工艺烧嘴协同处置煤化工废水废液的相关问题进行了分析探讨,主要包括工艺烧嘴结构、煤化工废水废液对气化工艺的影响、煤化工废水废液对工艺烧嘴使用寿命的影响等几方面内容。分析研究结果表明:通过Aspen Plus工艺流程模拟软件的计算,采用新型结构的水煤浆工艺烧嘴协同处置某煤化工企业含水量较高的吡啶废水,会造成合成气中有效气含量略有降低,建议采取相应措施消除上述影响;采用新型粉煤工艺烧嘴协同处置煤化工废水废液,若废水废液处置量和原有工艺烧嘴蒸汽消耗量相当,则不会对气化工艺有明显影响。

一次风率对煤粉气流床气化-燃烧特性及NO_(x)排放影响的试验研究

煤粉气化-燃烧技术是实现燃煤锅炉超低负荷稳燃和低氮氧化物(NO_(x))排放的重要方式。为了揭示一次风率(λ_(1))对煤粉气化-燃烧特性及NO_(x)排放的影响。采用自主搭建的对冲气流床气化-燃烧系统,研究了λ_(1)对煤粉气化特性,燃料N转化和NO_(x)排放特性的影响,采用热重分析仪和化学吸附仪对气化半焦的反应性和孔隙结构进行分析。结果表明:λ_(1)的增加会提高气化炉温度,使气化炉出口CO和CH_(4)的浓度分别降低了2.67%和2.43%;促进了固定碳的转化,其转化率增加了17.28%;燃料N的转化率增加了13.50%,其中增加了向N_(2)的转化,但降低了向NH_(3)的转化。同时,λ_(1)增加使气化焦炭具有更发达的孔隙结构,比表面积增加了95.77 m^(2)/g,孔体积增加了2倍,改善了气化焦炭的燃烧特性。气化燃料进入燃烧室后,当λ_(1)高于0.25时,燃烧室主燃区内未生成NO。λ_(1)为0.35时,燃烧室出口的污染物排放最低,NO_(x)和CO分别为115.86 mg/Nm^(3)(@6%O_(2))和39.25 mg/Nm^(3)(@6%O_(2));此时燃烧效率最高,为99.68%。因此,一次风对煤粉气化燃烧特性和污染物排放具有显著的影响,控制合适的一次风量可以降低污染物排放的同时提升燃烧效率。

气化熔渣对气流床气化炉操作影响的研究进展

气流床气化技术由于采用液态排渣的方式,煤灰熔渣的性质对气化炉的操作条件和性能具有显著影响。基于煤灰熔渣对气化炉衬里的影响机理分析,从煤灰熔渣的熔融特性和黏温特性的影响因素方面探讨了气流床气化技术对煤灰化学组成的要求及确定气流床气化炉操作窗口的方法和建议,为更好地设计和改进气流床气化技术,拓展煤种适应性提供理论指导。

气流床气化炉熔渣沉积模拟实验研究

煤气化工艺中,气流床气化炉内的熔渣对耐火衬里的高温侵蚀十分严重,是影响耐火衬里寿命的重要因素。在实验室条件下建立了熔渣在气化炉内沉积过程的模拟实验装置,以石蜡作为模拟介质模拟熔渣,通过改变反应条件研究了它在双喷嘴对置式气化炉内的沉积规律。结果表明:炉内渣层达到稳定状态需要一定的时间;气体温度高、流量大或模拟介质温度高均不利于熔渣沉积;模拟介质流量对熔渣沉积的影响较小;相对于水冷,氨冷更有利于熔渣沉积。

气流床气化炉水冷壁结渣特性的实验研究

搭建了小型气流床水冷壁气化炉实验平台,进行水冷壁结渣实验,验证了“以渣抗渣”的思想,为气化炉水冷壁衬里的工业应用提供理论依据.研究了炉内火焰温度、壁温、循环水量等因素对渣的分布及形态的影响,以及渣层对水冷壁的保护作用.结果表明,熔渣对炉壁保护作用明显;循环水影响着水冷壁的正常运行;炉内温度及壁温是影响渣形态和渣分布的主要因素.

煤炭气化气流床气化炉的数学模拟

简要介绍了煤炭气流床气化的原理，总结了到目前为止煤炭气化气流床气化炉数学模拟情况，包括简单平衡模型和动力学模型（一维或多维），给出了这些数学模型模拟的主要内容（对气化过程流体力学、热力学、化学反应和质量、能量及动量平衡考虑情况）和模型的主要结论，以及典型气流床气。炉的模拟煤气组成和煤炭转化率数值与实验值或实际操作值的比较情况，结果显示主要组分模拟误差较小．

煤的模型化合物混合燃料气流床气化中N的迁移研究

将吡啶配入柴油中模拟煤中氮的存在形式,考察了混合燃料在四喷嘴对置式气化炉中,轴径向位置HCN、NH3、NO和N2的浓度分布。结果表明:氮污染物(HCN、NH3、NO)在喷嘴平面处即产生且浓度最高,远离喷嘴平面时其浓度大幅降低,N2也裂解参与了气化反应,且出口浓度N2>HCN>NH3>NO;氧燃料比增高,NO、N2增加;氧燃料比1.3时HCN、NH3浓度最高,0.9和1.7时浓度较低;流场的分布使靠近出口处径向浓度基本一致,而上部各平面位置浓度靠近炉壁处最低;水汽的加入使HCN、NH3浓度增高而NO浓度降低。

生物质气流床气化前的处理工艺

针对生物质气化过程面临的问题,利用慢速热解方法作为生物质气流床气化的前处理工艺并考察其可行性.分析讨论了热解后半焦的化学组成和输送特性,并使用ASPEN PLUS模拟软件计算比较了原料与半焦的气化结果.结果表明,半焦的能量密度随热解温度的升高而升高;热解温度在300～400℃之间,半焦的质量产率和能量产率对于气化工艺比较有利;热解后半焦的内摩擦角、休止角明显降低,堆积密度明显提高.使用ASPENPLUS模拟软件进行计算比较,热解温度为400℃时的气化效果最理想.

气流床气化炉综合模型及颗粒粒径对气化结果的影响研究

采用颗粒停留时间分布表征炉内颗粒流动,建立了一种考虑了炉体结构、颗粒粒径以及煤焦反应动力学的气流床气化炉综合模型,其中包含了煤脱挥发份、均相反应、非均相反应、气-固相能量方程、相间传热等子模型。模拟结果与多喷嘴对置式水煤浆气化炉工业运行数据吻合良好,考察了气相组分、温度以及不同粒径颗粒的碳转化率和温度在炉内的一维无因次分布。对模拟结果的分析表明:煤颗粒的预热、脱挥发份和燃烧过程在约30 ms内完成,气化过程占颗粒反应历程的绝大部分;气化炉内100μm以下的小颗粒升温速率快,且温度较高,碳转化率基本接近100%;而200μm以上的大颗粒升温速率较慢,碳转化率较低,影响了气化炉整体碳转化率。

采用简化PDF模型分析分级气流床气化炉的气化特性

为详细研究分级气化技术的流场特点及气化性能,采用Fluent软件对山西某分级气化炉进行三维数值模拟。计算采用贴体六面体网格划分计算域以降低数值扩散,采用Realizablek-ε模型封闭湍流方程,应用离散相模型(dispersed phased model,DPM)和随机轨道模型(stochastic tracking method,STM)分别模拟颗粒气化过程和考察颗粒受湍流脉动的影响;计算根据简化PDF模型建立燃烧表以建立温度、组分等标量同混合分数间的关系,并由此计算同相气化反应过程。除此之外,还引入用户自定义函数改进了焦炭异相反应模型。通过对分级气化炉流场特性和温度等值面特征的分析,发现分级气化炉中由于二次对冲给氧射流的引入,造成了二次卷吸效应以及冲击射流效应,加强了炉内混合过程,有利于碳转化率的进一步提高。

无机元素在生物质气流床气化中挥发性研究

利用一套小型生物质层流气流床气化系统进行木屑气化试验并对残炭进行收集称重。通过ICP及EDX-SEM仪器对残炭灰成分和残炭形态进行分析，研究了无机元素在生物质气流床气化过程中析出挥发的问题。结果表明：随着反应温度的升高，各无机元素的挥发率也随之升高，其中碱金属Na、K，碱土金属Mg、Ca的挥发高峰集中在600～800℃之间，而非金属元素P、S、Cl的挥发高峰多在600℃以下；氧配比为0．8时，Na的挥发率在1400℃时达到了76％，K的挥发率也达到了72％，而氧配比为0．2时，无机元素的挥发率相对偏低，其中№的挥发率在1400℃时为63％，K的挥发率为61％。

煤粉气流床气化炉预热燃烧特性及NO_(x)排放试验研究

煤粉预热燃烧技术已被证明是一种清洁高效的燃烧技术。针对大型燃煤机组四周空间及承重受限,提出采用结构紧凑的对冲气流床气化炉预热解煤粉并耦合燃烧的技术与系统,搭建了新型气流床气化炉预热燃烧实验台,对煤粉在气化炉内预热特性和预热燃料在燃烧室内燃烧特性进行研究,探索煤中氮元素在预热燃烧过程中的迁移和转化规律。结果表明,新型气流床气化炉预热燃烧实验系统能够自维持稳定运行,系统压力和温度波动很小;气化炉内温度梯度较大,高温区位于烧嘴平面附近,最高温度可达1115℃,而出口温度降至850℃。气流床气化炉能够为下行燃烧室稳定提供高温煤气和预热半焦;高温煤气中CO、H2、CH4质量分数(干基)分别可达13.15%、8.72%、0.78%;预热半焦颗粒相比于原煤颗粒粒径减小,原煤50%切割粒径d50=43μm,而预热半焦颗粒d50=24μm,预热后颗粒比表面积从4.05 m^(2)/g增到216.44 m^(2)/g,同时,孔容积也增大,颗粒燃烧特性得到改善;预热过程中96.33%的挥发分和40.23%的固定碳释放到高温煤气中;同时,转化到气相中的煤N达69.74%,其中47.67%转化为N_(2),其余转化为NH_(3)和HCN。预热燃料进入下行燃烧室后能够稳定燃烧,不存在着火延迟,温度分布均匀;主燃区预热燃料中的NH_(3)和HCN,以及焦炭中析出的氮大部分转化为N_(2),主燃区内没有NO生成。实验台燃烧室出口NO_(x)和CO排放质量浓度分别为143.02 mg/Nm3(6%O2)和8.17 mg/Nm3(6%O2),燃烧效率高达99.75%。煤粉经过新型气流床气化炉预热后燃烧,煤N仅有4.69%转化为NO。

多喷嘴对置式气流床气化炉内热态行为的研究进展

气流床气化具有原料适应性广、碳转化率高、单炉处理量大、环境污染小等显著优势,已成为当今煤气化技术的主流发展方向。气流床气化过程涉及高温、高压下多相流动与复杂化学反应的相互作用,炉内反应机理尤为复杂。开展多喷嘴对置式气流床气化炉内热态行为研究能为揭示气流床气化炉内反应机理、丰富和发展气流床煤气化理论体系以及为工业气化装置优化设计和长周期高效稳定运行提供重要依据。本文综述了气流床气化炉内温度场及撞击火焰结构、高温颗粒群动态特性(原位雾化、颗粒流动及演化行为)、火焰光谱辐射特性、煤灰熔融机理和流动特性、气化过程固体结构演变及其对气化反应机理的影响等多喷嘴对置式气流床气化热态行为关键科学问题的国内外研究进展。研究人员提出并验证了单视角重建气流床气化三维火焰结构及三维温度场的数学方法,揭示了气流床气化炉内热态颗粒形态、空间行为及壁面沉积过程统计学规律,基于火焰自由基分布特征揭示了撞击气化过程强化反应机理,获得了煤灰中不同矿物组分对煤灰熔融机理及流动特性的定性影响规律,系统考察了气化过程固体理化结构演变规律及其对气化反应的作用机制。展望了今后多喷嘴对置式气流床气化热态行为的研究方向。

GSP加压气流床气化技术工艺分析

GSP加压气流床气化技术属于干湿两栖气流床气化技术,为近年来强势推广的国外气化技术,其原料适应性强,具有两栖性,既可以是固体物也可以是液态物,气化炉和气化喷嘴设计独特新颖,加料技术先进,尽管代表了气化技术的先进性,但还存在些许弊端.对该技术作了比较详细客观完整的工艺分析.

酒精发酵废液煤浆气流床气化实验研究

在多喷嘴对置式气化炉热模实验平台上,利用内窥式工业电视、高温热偶和质谱仪等,研究了酒精发酵废液煤浆的气化特性.结果表明,酒精废液煤浆所形成的撞击火焰结构稳定,气化效果良好,随着氧煤比的增加,气化温度与合成气有效成分均相应升高.由此证明将酒精发酵废液与煤混合制浆气化是解决发酵废液污染排放的有效途径.

干煤粉气流床气化炉氮污染物生成模拟

将煤粉折算后,应用K intecus软件对煤粉气流床反应过程进行了模拟,考察了输送气体、氧煤比和汽煤比对煤粉气流床气化炉含氮物生成及转化的影响。结果显示,以N2作为输送介质会影响含氮污染物的生成量,但煤中的N仍是氮污染物的主要来源。氧气量的增加会使大量的HCN及少量的N2被消耗并使NO的生成量增加,而部分氮氢基(NHi)也会被氧化。当汽煤比较低时,水蒸气在高温及氧的作用下会生成大量的OH基,此基团会氧化HCN、NHi和N2而使其生成量减少;当汽煤比较高时,温度的降低及OH基的减少使较少的HCN和NHi被氧化和分解,同时更多的H2与N2反应而生成NHi。