黄铁矿在CO_(2)气氛下非等温氧化转化及动力学分析

针对煤中常见含铁矿物黄铁矿在富氧燃烧典型气氛下转化特性,通过同步热分析结合烟气分析研究了黄铁矿在CO_(2)气氛下的转化行为.结果发现,黄铁矿在CO_(2)气氛下主要经历5个失重阶段且均为吸热过程,首先是黄铁矿颗粒表面硫脱除的起始热解段(相界面反应,n=1/2),活化能低于其在N_(2)气氛下近30 kJ/mol,为220.27 kJ/mol,随后裂解成磁黄铁矿(三维扩散,n=1/2)活化能与其在N_(2)(177.27 kJ/mol)下接近为178.1 kJ/mol;温度高于690℃,随着升温磁黄铁矿缓慢失硫,CO_(2)逐渐参与磁黄铁矿转化且释放SO_(2)和CO;820~1150℃经历双峰失重峰阶段,820~1020℃,氧化气体产物SO_(2)大量生成且在约1000℃达到体积浓度峰值;最后1020~1150℃,坩埚中残留物大量与CO_(2)持续氧化反应失重形成SO_(2)和CO,坩埚中形成复杂物相体系,铁硫化物和铁氧化物共存(或共融).CO_(2)参与黄铁矿产物转化失重阶段活化能分别为180.94 kJ/mol、229.69 kJ/mol和243.46 kJ/mol,动力学机制均为成核与生长(n=1).

基于重整煤气喷吹-氧气高炉的富氧燃烧碳捕集方案

碳捕集利用与封存(简称CCUS)技术是钢铁行业实现碳中和目标的可行选择,但是我国钢铁生产以高炉-转炉长流程生产为主,产生碳排放的工序众多且碳浓度较低,目前仍缺少经济高效的碳捕集方案。在此背景下,通过引入气化炉用于重整炉顶煤气,改进现有炉顶煤气循环-氧气高炉工艺的炉顶煤气循环方式,耦合富氧燃烧碳捕集技术,提出一种基于重整煤气喷吹-氧气高炉的富氧燃烧碳捕集方案,并利用Aspen Plus建模计算和碳流分析评估了该方案的节能减排潜力。结果表明:富氧燃烧碳捕集技术与氧气高炉低碳冶炼工艺有着良好的承接性与耦合性,两者耦合能够降低钢铁行业碳捕集的难度;富氧燃烧单位CO_(2)的捕集能耗为2623.91 kJ/kg,比现有的醇胺法的碳捕集能耗低51.4%,比变压吸附法的碳捕集能耗低26.2%;生产每吨钢材可通过富氧燃烧捕集到1.5 t CO_(2),有望实现钢铁生产过程的CO_(2)净零排放。总的来说,该方案能够在高炉低碳冶炼的基础上进行低成本、大规模的碳捕集,是钢铁行业绿色低碳转型的可行方案。

适用于生物质直接耦合煤发电过程的温室气体核算方法优化

生物质与煤直接耦合燃烧发电作为降低火电行业碳排放的关键技术选择得到广泛关注,在双碳目标的推动下,准确量化生物质掺烧电力生产过程温室气体排放能有效提升发电行业碳排放数据的准确性与一致性,确保国内碳排放交易市场向更公平稳定的方向发展。介绍了国内外生物质耦合煤发电机组碳核算方法,提出生物质直接耦合发电机组温室气体核算边界、计算方法和核算参数的选取原则。结果表明:与现行核算法相比,基于生物质直接耦合煤发电的温室气体核算方法在核算边界、核算范围和计算方法上均有一定差异。对于核算边界,有必要新增燃料燃烧过程N_(2)O排放、新增设备资源带来的间接碳排放;针对常见生物质是否可视为零碳燃料进行评估,发现在各省份生物质的最佳经济运输半径内秸秆、城市垃圾、林类剩余物等常见生物质均达到温室气体减排要求,且合理运输范围(48 km)内均可视为零排放;在计算方法上,燃料消耗量建议根据碳排放量分层级选取测定方法,小比例掺烧时碳氧化率可直接选取缺省值99%,并且建议核算脱硫环节带来的碳排放,对循环流化床燃烧温度在1123 K以下的工况需要进行N_(2)O核算。

煤焦颗粒群异相反应特性的数值模拟研究

煤焦异相反应是煤粉燃烧区别于气体燃料燃烧或液体燃料燃烧的特征之一,其反应过程占整个煤粉燃烧时间约90%,对煤粉高效燃烧至关重要。通常情况下,煤粉颗粒以稠密相而非以稀疏相或单颗粒形式进入炉膛,颗粒间的相互作用会影响煤焦异相反应,因此,深入开展煤焦颗粒群异相反应行为研究对于煤的高效利用十分必要。采用准稳态的数值模拟方法研究煤焦颗粒群的异相反应行为,对比分析了煤焦单颗粒和煤焦颗粒群的反应特性,相比于煤焦单颗粒,煤焦颗粒群燃烧峰值温度升高约300 K,颗粒表面温度降低约100 K,碳消耗速率降低56%~65%,说明颗粒间作用影响了煤焦颗粒的燃烧反应进程。对3种典型分散形式下煤焦颗粒群燃烧反应特性进行研究,随着颗粒间距的增加,各分散形式的煤焦氧化反应占比增加0.22%~2.20%,碳消耗速率随之增大9.8%~26.1%,较大颗粒间距有利于O_(2)分子在颗粒间的扩散,促进了氧化反应以及煤焦消耗。探究了不同反应气氛下煤焦颗粒群的燃烧反应特性,相比于空气气氛,高CO_(2)和H_(2)O气氛下燃烧群峰值温度增加4%~30%,颗粒表面温度升高0.5%~3.7%,其中30%O_(2)/70%H_(2)O工况的碳消耗速率最大,较空气气氛高80%。综合对比,各颗粒间作用、颗粒间距和反应气氛工况下3种颗粒群分散形式的煤焦燃烧碳消耗速率依次为:形式C>形式B>形式A(形式A:颗粒群呈正方形分散;形式B:颗粒群呈正菱形分散;形式C:颗粒群呈正三角形分散),因此颗粒与气流之间的扰乱作用对煤焦的消耗产生不可忽视的影响。

生物质重整煤气喷吹-氧气高炉的低碳潜力分析

我国钢铁行业以高炉-转炉长流程为主,一次能源消耗主要为煤粉与焦炭,化石能源消耗大、碳排放高,其中70%的CO_(2)排放集中在高炉炼铁工序。双碳背景下,亟需研发低碳炼铁技术以降低高炉工艺的能源消耗和CO_(2)排放。提出一种生物质重整煤气喷吹-氧气高炉(BRGI-OBF)工艺流程,该工艺通过优化气化炉工艺参数与生物质替代煤粉重整,产生的重整煤气满足高炉的富氢冶炼需求,并降低了化石能源的使用。结合高炉煤气富氧燃烧碳捕集,可实现末流烟气中CO_(2)富集,从而实现高炉低能耗与低碳(负碳)排放。为分析BRGI-OBF工艺的低碳潜力,首先运用Aspen Plus搭建了BRGI-OBF工艺模型,研究了气化炉输入热量与生物质种类对工艺性能的影响。基于计算得到的工艺参数,运用高炉炼铁工艺能耗计算方法,对比分析了传统高炉工艺与炉顶煤气循环-氧气高炉(TGR-OBF)工艺的能耗与碳流情况。结果表明,向气化炉提供适宜的热量可有效减少煤粉用量,同时增加循环煤气量,最多可减少煤粉用量124.2 kg/t(以生铁计);生物质种类对生物质用量与重整煤气的组分产生显著影响,采用杨木半焦进行重整时,杨木半焦用量为204 kg/t,重整煤气中H_(2)体积分数达29.91%,满足富氢冶炼需求。此外,BRGI-OBF工艺显著改善了能源结构,其化石能源占比约55%,与传统高炉相比,降低煤粉消耗17.6%、焦炭消耗29.3%。该工艺流程耦合富氧燃烧碳捕集技术后,末流中存在碳素372.6 kg/t,以易于压缩捕集的高浓度CO_(2)(>90%)形式存在。扣除由杨木半焦造成的碳素排放,总碳素排放为-109.9 kg/t,相当于生产每吨铁水可额外捕集CO_(2)403 kg,可实现生物质+CCS的负碳技术,为钢铁行业实现深度脱碳提供重要支持。

醇胺溶液催化法碳捕集的能耗评估及动力学分析

为了缓解醇胺溶液碳捕集的高能耗问题,加入了纳米级羟基氧化铝作为催化剂以有效降低再生能耗。基于传热学基本理论,将解吸过程分为升温阶段和恒温阶段,建立了分阶段的能耗评估模型,获得了实时热负荷变化曲线。该模型比传统的能耗评估方法更精确,更容易确定能耗最低的操作条件。利用该模型,探究了催化和无催化条件下再生热负荷最低的解吸温度,结果表明:在适中的解吸温度下再生能耗最低。此外,分析了解吸过程的总包反应动力学,发现反应级数模型最适合描述乙醇胺溶液再生反应速率,该模型的动力学参数证明了催化剂通过降低反应活化能的方式节省再生能耗。

基于全生命周期评价的高速公路基础设施碳足迹核算研究

高速公路基础设施在全生命周期内产生的碳排放是容易忽视的重要碳排放来源。为促进碳减排政策的制定和量化考核,采用生命周期评价法建立一种通用化的高速公路基础设施碳足迹核算方法,以山东枣庄-菏泽高速路段为案例进行核算分析,揭示其碳排放水平和减排方向。结果表明:在高速公路基础设施全生命周期中,建设期是主要碳排放来源,桥涵工程贡献最大;在建设期碳排放方面,材料物化是主要来源,建设施工是次要来源,其中水泥低碳材料替换及土石方运距减少是主要减排方向;在运营期碳排放方面,电能消耗是主要来源,电耗降低与清洁电力使用是主要的减排方向。

钙循环热化学储能及其耦合CO_(2)捕集技术研究进展

钙循环热化学储能的基本原理是采用钙基热载体(以CaO为主)与CO_(2)的化学链循环可逆反应进行循环的储热与放热过程。由于钙基原料的成本低廉、来源广泛、储放热密度高,钙循环技术被认为是一种十分有潜力的热化学储能技术,具有良好的应用前景。此外,在钙循环储放热过程中,可利用碳酸化反应捕集CO_(2),形成储能与CO_(2)捕集耦合以降低碳捕集的能量需求。但钙基热载体在循环利用过程中易失活和磨损,且钙循环热化学储能系统大部分研究仍处于实验室阶段,而与碳捕集耦合会加剧钙基热载体的烧结失活。对此,国内外开展了大量基础研究,提出了一系列增强钙基载体活性,减少磨损,提高钙循环储热效率的方法。综述了钙循环热化学储能及其耦合CO_(2)捕集技术的研究进展,从钙基热载体的物化特性与改性方法、钙循环储能和CO_(2)捕集系统的流程设计、反应器设计3方面归纳了近年来钙循环储热技术的研究进展,包含钙循环储能辅助太阳能发电、钙循环热化学储能耦合CO_(2)捕集系统的改进方法,以及直接与间接辐照煅烧储热反应器的开发研究现状。最后总结了现阶段存在的主要问题,并提出该技术未来研究方向。

高速公路风光储能系统源荷匹配及容量配置优化

建立EV充电负荷预测模型,采用蒙特卡洛模拟法预测EV充电负荷时间分布特性,提出考虑充电桩参数和充换电模式的源荷匹配优化策略,建立风光储能系统综合评价体系,通过改进遗传算法进行规划求解,得到最优容量配置。以山东省某服务区为例进行实证研究。结果表明:EV充电负荷预测曲线呈现日间“双峰”形态,为使负荷用能曲线向光伏发电曲线贴近,合理设置服务区充电桩数量和最大充电功率,并选择换电参与的充换电模式,改进遗传算法得到的最优化配置方案贴近度相对于初始规划方案有所提升,可实现储能系统的充能和余电的上网。

敞开式环型焙烧炉的综合测试分析

对敞开式环型焙烧炉进行了综合性的测试分析 ,测定了火道中的烟气成分 ,以及火道和阳极的升温曲线 ,估算了焙烧炉的热平衡。指出促使焙烧时热耗增大的主要原因是预热段空气的严重渗漏以及排烟温度的过高。测试分析的结果还显示 ,沥青挥发分若不能及时从阳极逸出到火道中燃烧将严重影响阳极的焙烧质量。

热风炉蓄热室内温度场的简化模型

建立了热风炉蓄热室内温度场计算的简化模型 ,对该模型用于预测热风炉蓄热室的热力行为是满意的。采用本模型模拟的结果表明 ,热风炉蓄热室内的温度分布在烧炉过程和稳定送风过程中具有较大的不同。同时 ,不同热物性的格砖也会极大地影响蓄热室的热交换行为。该模型对于热风炉的设计运行具有直接的工程指导意义。

54 室环式阳极焙烧炉运行参数测试分析

对54室环式阳极焙烧炉的运行参数进行了测试分析,测定了火道中的烟气成分以及火道和阳极的升温曲线。测试结果表明,火道中的漏风情况较为严重,边火道更甚于中间人道;焙烧过程中低温预热阶段的升温速率较慢,不利于阳极焙烧质量的提高。本文为环式焙烧炉运行参数的测定提供了一种新思路。

敞开式阳极焙烧炉热工过程的模拟与优化

建立了敞开式阳极焙烧炉热工过程的数学模型 ,该模型用于预测焙烧炉的热力行为是满意的。同时对不同的操作参数进行了模拟优化 ,结果表明 ,火焰循环时间的降低将导致能耗的增加 ,而降低空气渗漏和进气量会极大地降低能耗。

夹带剂存在下超临界二氧化碳-乙醇-水系统的相平衡研究

用单循环动态法测定了夹带剂存在下超临界二氧化碳－乙醇－水系统的相平衡数据，实验温度为３０８２Ｋ，压力范围为８～１５ＭＰａ．提出引进一个夹带剂效应参数Ｋ，用以关联在超临界状态下有无夹带剂情况的分离因子，并回归出一个经验方程结果表明，用此经验方程来预测添加夹带剂下ＳＣ－ＣＯ２－乙醇－水系统的汽液平衡较为满意。

影响阳极焙烧炉热耗的主要因素

基于法国SETRUM公司的焙烧炉的热平衡数据 ,通过对其中的各个热收入项和热支出项进行分析 ,总结出沥青挥发分充分燃烧与否、固体蓄热回收 (空气预热 )程度、漏风量大小、炉体散热情况和自动控制技术是影响焙烧炉的热耗的五大因素 .对这些影响因素的存在原因进行深入的探讨 ,从炉子设计和运行的角度提出了解决的办法和建议 .

阳极焙烧炉火道燃烧过程模拟

对阳极焙烧炉的燃烧过程进行了数值模拟 .讨论了炉内温度场、流动场和各组分浓度场的分布规律 ,分析了这些因素对碳阳极焙烧质量的影响 .温度场的分布是影响碳阳极生产质量的关键因素 .计算结果表明 ,在设计阳极焙烧炉结构时应充分考虑烟道中隔板对气流分布的影响 .

燃煤O_2/CO_2循环燃烧过程中SO_2与NO_x协同脱除的中试研究

由于温室气体影响导致的全球变暖和气候变化日趋严重,温室气体CO2的捕集和封存作为一个缓解气候变化潜在的技术越来越引起全世界的关注。O2/CO2循环燃烧被认为是一种效率高、风险小的CO2捕集方式。该文采用高硫(2.235%)的贫煤,在0.3MW中试台架上,对O2/CO2、O2/CO2喷钙和O2/CO2循环燃烧喷钙等3种工况进行了SO2和NOx协同脱除的研究。以空气气氛下的燃烧排放作为基准。研究表明:在高CO2气氛下,喷钙脱硫的效率得以显著提高,同时NOx的脱除效率也有明显提高;在O2/CO2循环燃烧喷钙的工况下,脱硫效率达96%,脱硝效率达89%,尾部烟气中SO2、NOx排放满足国家火电厂大气污染物排放标准的要求。

不同粒径煤粉在O_2/CO_2气氛下的燃烧特性

用TG研究了不同粒径煤粉在空气和O2/CO2气氛下的燃烧特性,对比分析了两种气氛下不同粒径对煤粉特征温度和特征指数的影响情况.结果表明,O2/CO2气氛下,粒径对煤粉燃烧的影响要大于空气气氛,且挥发分含量越高的煤种其影响越大.相比空气气氛,O2/CO2气氛下煤粉的燃烧特性随粒径变化会呈现较大的波动性,且随着煤种挥发分含量的增加,小粒径段煤粉的波动性增强.可以通过提高氧浓度来减少燃烧波动的影响.

不同湍流模型比较模拟撞击流

构造了计算撞击流流场分布的数值简化模型,并用有限容积法对间距为H的两个对置平板喷嘴间的湍流作用区域进行数值模拟研究.数值模拟采用了三种湍流模型:标准的k-ε模型、RNGk-ε模型(renormali-zation groupk-εmodel)以及雷诺应力模型.数值模拟数据的有效性通过将模拟结果与由对环境温度下两对置喷嘴之间的撞击流试验的结果比较得到证实.通过与实验数据的比较发现,由于考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况,RNGk-ε模型在撞击流区域获得的结果要好于用标准k-ε模型和雷诺应力模型获得的结果.

咪唑类离子液体混合物吸收CO_2性能研究

结合常规离子液体和功能型离子液体在吸收CO2方面的优势,将两类咪唑类离子液体进行混合,对其吸收CO2的效果和再生性能进行了实验研究。结果表明,两类咪唑类离子液体混合后流动性明显改善,与CO2接触气液传质顺畅;常规离子液体[bmim][BF4]和[bmim][Tf2N]与胺功能型离子液体[NH2e-mim][BF4]混合物较单一的离子液体吸收CO2的量大,[bmim][CH3CO2]与[NH2e-mim][BF4]混合后较单一的[bmim][CH3CO2]吸收量有明显的减低;随着常规咪唑类离子液体阳离子碳链增长,混合离子液体吸收CO2的效果变强;与胺乙基功能型离子液体混合吸收CO2时,阴离子为[Tf2N]的常规咪唑类离子液体要比阴离子为[BF4]的吸收效果好;离子液体混合物吸收CO2后经再生循环利用10次,混合物质量基本不变,循环使用后吸收CO2性能为初始吸收性能的75%～85%。