煤气化细灰及其原煤的热解特性与官能团特征

对气流床水煤浆气化细灰和粉煤气化细灰及其原煤的热解特性与官能团特征进行研究,结合工业分析、元素分析、红外光谱(FTIR)方法以及热重-质谱联用(TG-MS)技术,分析了两种气化工艺所得细灰的特性,以及细灰与原煤官能团结构特征的差异。结果表明,气化细灰在经历煤气化过程后仍有部分挥发分未完全分解,细灰中的挥发分含量与其气化工艺有关;煤气化过程中,部分官能团未分解,并可能有部分官能团重排生成了较稳定的含氧化合物等新官能团。

片状煤焦颗粒CO_2气化过程中形态及结构演变特性研究

采用高温热台显微镜观测了片状煤焦颗粒CO_2气化过程中的形态演变,并通过拉曼光谱分析了气化半焦的碳微晶结构,同时研究了气化温度(1000-1200℃)和煤焦初始当量直径(1.00-1.60 mm)对其CO_2气化过程中的形态及结构演变的影响规律。结果表明,与反应前期相比,反应后期的颗粒收缩(面积、体积、当量直径)更加剧烈。在所研究的气化温度范围内,随着气化温度的升高,煤焦颗粒的面积收缩率和体积收缩率逐渐减小。煤焦初始粒径显著影响颗粒收缩,1100℃气化温度下,颗粒的收缩趋势在初始粒径1.30 mm处出现转折。煤焦气化过程中碳消耗主导着表观密度的变化,在所研究的温度和粒径范围内,当碳转化率达到80%时,表观密度比线性减小到0.4以下。在相同气化温度下,随着碳转化率的增加,煤焦的石墨化程度先减小后增加,无定形碳含量先增加再减小。

气流床气化辐射废锅单面受热水冷壁数值模拟

辐射废锅作为气流床煤气化中重要的热回收装置,可显著提高合成气热利用率。针对辐射废锅单面受热水冷壁及其表面覆盖的灰层和渣层,建立三维传热模型,并通过流动与传热耦合的数值模拟方法探究不同工况下水冷壁金属管和鳍片温度分布。结果表明,水冷壁表面温度随高度变化幅度较小。合成气温度下降导致水冷壁表面热流密度减小,金属管表面温度随之降低。水冷壁表面沉积物降低了合成气与冷却水之间的换热效率,但在一定程度上保护金属管和鳍片不受高温侵蚀。水冷壁与壳体之间通入保护气可有效降低鳍片温度。

不同载气供料对工业级竖直上升管粉煤气力输送的影响

采用Air和CO_2作为供料和输送载气,以工业级竖直上升管(内径50 mm)粉煤输送系统为实验平台,开展了粉煤密相气力输送实验研究。实验中选用Air→Air、Air→CO_2、CO_2→Air和CO_2→CO_2作为典型工况,进行了输送特性参数的对比分析。研究结果表明,供料载气与输送载气组合方式的变化,会引起发料罐中粉煤流化状态的改变,进而导致粉煤输送流型和稳定性方面的差异。借助电容层析成像系统(ECT)获得了竖直管的ECT信号和流型图像,并采用标准差和功率谱函数对ECT信号进行分析。分析结果表明,Air→Air工况为稳定的环状流;Air→CO_2输送过程稳定性最差,输送由无定态流型转为栓塞流;CO_2→Air和CO_2→CO_2输送过程均为气栓流,但CO_2→CO_2工况形成的气栓较长,其ECT信号的功率谱峰值较大。

添加煤灰及混合氧化物对石油焦CO_2高温气化反应的影响

以化学组成相近的燃烧煤灰、气化煤灰和混合氧化物为添加剂,分别通过干混法和湿混法加入石油焦中,并借助热重分析仪在1200-1400℃下进行CO_2气化实验,研究高温下煤灰掺混方式、含量及物相组成对石油焦CO_2气化的影响,并使用混合氧化物替代实际煤灰研究其对石油焦的高温气化催化作用。结果表明,石油焦气化反应速率随煤灰添加量的增加而提升;气化温度为1200、1300℃时,使用干混法和气化煤灰对石油焦的气化促进作用较弱;但气化温度为1400℃时,改变煤灰和石油焦的掺混方式及其中活性金属存在方式,对石油焦气化反应几乎没有影响。这是高温下煤灰熔融,导致液态熔体与石油焦表面接触良好、活性金属自由度高以及传质阻力增加共同作用的结果。此时混合氧化物的催化指数与混合物中铁钙含量具有线性关系,即添加高铁钙含量的煤灰可以促进石油焦CO_2气化反应。

内蒙煤焦CO2气化过程的结构演变特性

基于滴管炉制备内蒙褐煤快速热解焦,借助高频炉开展快速热解焦与CO_2的气化实验,考察了煤焦气化过程的结构演变特性。结果表明,随着反应的进行,气化半焦的石墨化程度不断增加,但未达到天然石墨的有序化程度;比表面积先增大后减小,而平均孔径总体呈相反的变化趋势;气化半焦的粒径在反应前期逐渐减小,当转化率大于74%,半焦粒径逐渐增大,归因于气化后期部分颗粒的黏结。

自由落下床中稻草与煤高温快速共热解特性研究

在自由落下床中对稻草、神府烟煤、凤矿无烟煤以及稻草与两种煤的混合物进行高温快速共热解试验，考察不同热解温度、不同稻草质量掺混比下稻草与煤共热解过程中的协同作用。研究结果表明：随着稻草质量掺混比的增大，热解气总产率逐渐增大，热解焦产率逐渐减小；热解产物产率的实际值与理论值不同，800℃共热解时焦油产率高于理论值，协同作用促进焦油的生成；1000～1400℃时气体总产率高于理论值，协同作用促进气体的生成；在800℃时热解气中CO的生成受到抑制，高于1000℃时，共热解促进CO、H2的生成。稻草与神府烟煤共热解焦的反应活性明显高于稻草与风矿无烟煤共热解焦；当稻草质量掺混比为40％、60％时共热解焦活性降低，当稻草质量掺混比大于60％时，共热解焦的反应活性则逐渐提高。

不同数量并联微旋风分离器分离性能影响研究

为了考察不同并联旋风分离器的分离性能,运用计算流体力学(CFD)软件对由不同数量、直径为 30 mm 的微旋风元件构成的并联分离器性能特征进行了数值研究。结果表明,当微旋风元件入口气速一致时,增加微旋风元件数量,虽然各并联分离器对 5 μm 以下、中位粒径 3.5 μm 颗粒的总分离效率基本相同,但对 3 μm 以下颗粒的分级效率有所下降;组合分离器灰斗中排尘管间间距减小,微旋风元件内切向速度分布几乎不变,中心轴向速度下降,排尘管尾端气流更加紊乱;随着微旋风元件数量增加,各组合分离器微旋风元件排尘管段旋流稳定性系数 Sv 沿轴向逐渐增大,微旋风元件内旋流稳定性变差。

水煤浆气化技术的自主创新与应用

在科技部、发改委等相关部门的大力支持下,相继完成了中试研究、千吨级工业示范、2000吨级水煤浆气化技术的研发以及3000吨级超大型化水煤浆气化技术的工业示范及运行,现已成功推广及应用百余台气化炉。该技术在运行技术指标、系统运行性能、稳定性及可靠性等方面优于同类水煤浆气化装置,特别是在大型化气化炉的应用方面具有明显优势。

文丘里管结构对高浓度煤粉流动特征及压差特性的影响

研究粉煤密相气力输送系统高压、高浓度煤粉通过不同节流比(0.44、0.55、0.7)、收缩角(2.5°、5°、9°)、扩张角(2.5°、8°、13°)、喉段长度(23d、43d、80d)的文丘里管的流动特征和压差特性。结果表明,不同结构参数的文丘里管的量纲1化压力分布趋势一致,但程度不一。其中节流比影响最为显著,并最直接地影响煤粉流经文丘里管的压差。节流比越小,总压差越大,扩张段压差显著增大。其他结构参数在各自的结构序列下主要改变文丘里管内压力分布,而对总压差改变不大。2.5°收缩角的收缩段压差最大,高浓度体系下5°和9°收缩角的收缩段压差差别不大。80d喉段长度的喉段压差最大。8°扩张角的扩张段压差最小。引入固相动量通量,获得本系统内煤粉流经文丘里管的压降经验方程,大部分实验点的计算偏差在30%以内,方程计算效果较好。

电容层析成像在煤粉料仓下料中的应用

煤粉料仓下料是气流床粉煤气化工艺中粉体供料单元的重要组成部分,其安全稳定运行具有重大的经济意义。提出将电容层析成像(ECT)技术用于煤粉料仓下料,从而实现研究手段的可视化。在煤粉料仓下料系统上,通过线性反投影算法及图片累加技术,获得料仓出口管道截面的相对颗粒浓度分布图像和下料过程的二维流型图;对比分析了称重信号和ECT信号的时间序列曲线,并通过RSD统计方法定量描述煤粉下料的波动程度。结果表明,ECT研究与煤粉下料分区理论吻合良好,借助ECT可充分认识煤粉下料流型和气固作用特征。

添加秸秆类生物质对长平煤灰熔融特性的影响

借助高温热台显微镜、扫描电子显微镜-能谱仪、灰熔点仪和X射线衍射仪考察了添加稻草和棉秆两种秸秆对长平煤灰熔融特性的影响。研究结果表明添加两种秸秆都能有效地降低长平煤灰的熔融温度。在高温弱还原性气氛下,长平煤灰主要矿物组成为耐熔性石英和莫来石,而添加秸秆后产生了白榴石、尖晶橄榄石、钙长石等低温共熔化合物,使长平煤灰熔点降低。不同灰的高温熔融图像表明,煤灰在熔融过程中由于受热而使固相持续软化,形成了不利于难熔物分解的高黏度熔体。而煤和稻草的混合灰在熔融时形成了易发生流动的低黏度熔体,能够促进矿物质发生反应而更易熔融。

不同载气供料对煤粉料仓下料的影响

煤粉料仓下料是气流床粉煤气化工艺中粉体供料单元的重要组成部分,其安全稳定运行具有重大的经济意义。在煤粉循环供料系统上,研究了以空气和CO2为载气的气力输送供料对料仓内煤粉重力下料和通气下料的影响。研究表明,料仓内粉体的堆积或流化状态对后续粉体的流动行为影响明显。对于重力下料,CO2供料后的重力下料过程中煤粉床层空隙率较高,下料流率较大;对于通气下料,空气供料后煤粉难以被CO2气体流化,从而对应较低的下料流率。

稻草固定床热解过程中不同赋存状态钾的迁移转化行为

选取稻草、水洗稻草及添加质量分数为5%KCl的微晶纤维素颗粒作为热解原料,进行固定床快速和慢速热解,研究稻草热解过程中全钾和四种赋存状态钾的析出规律以及四种赋存状态钾之间的相互迁移转化。结果表明,稻草热解过程中钾的析出率随温度变化分为两个区间,热解温度低于700℃时钾的析出率受温度影响较小;热解温度高于700℃时四种赋存状态钾相继达到释放点从而导致钾析出率急剧增加;热解过程中钾的析出主要是由水溶态和残渣态钾的减少造成;同时水溶态钾和有机态钾能够发生相互迁移转化;残渣态的碳骨架钾在热解时断裂,一部分转化成水溶态钾,一部分仍以残渣态钾存在。

煤粉通气料仓的优化设计

料仓通气技术具有成本低、噪音小的优势,被广泛应用在黏附性粉体下料过程中。为确定黏附性煤粉下料过程的最优通气条件,在自行搭建的有机玻璃料仓上进行煤粉的通气下料实验。实验结果表明,通气可以显著促进煤粉下料,但通气高度和通气气速对下料过程的影响存在耦合作用。以气泡运动理论为基础,结合气泡与颗粒间的相对运动关系,建立了煤粉通气下料模型。基于实验数据关联气泡尺寸与通气高度及通气气速间的关系,通过模型分别计算了最优相对通气高度H/D=12.25和最优通气气速U_g=2.4U_(mf)。模型计算值与实验值的吻合效果良好,当5.56<H/D<18,U_g>U_(mf)时,下料流率的计算偏差小于±20%。

CPFD在细颗粒料仓下料中的应用

借助计算颗粒流体力学(CPFD)的数值模拟方法,研究了细颗粒玻璃微珠在不同结构料仓内的下料特性,获得了料仓出口直径和半锥角对颗粒下料流动的影响。在实验室可视化下料平台开展了验证实验,模拟结果与实验结果吻合较好。模拟结果表明:下料流率与料仓出口直径2.5次方呈正比;料仓半锥角增大,下料流型从质量流过渡至漏斗流。CPFD模拟给出了料仓下料过程的细节信息,并获得了料仓结构对颗粒流动形态转变的临界面相对高度的影响。

稻草及木屑与煤二元混合颗粒的流化特性

为获得生物质与煤混合颗粒的最小流化速度(Umf)与混合颗粒流化时的分离特性,借助高速摄像仪、压力在线采集系统等对稻草及木屑两种生物质与煤二元混合颗粒的流化特性进行了研究。当生物质掺混比(质量分数)低于5%时,二元混合颗粒的流化性能与煤粉单独流化接近,甚至在一定程度上提高了流化质量;但随着生物质颗粒与煤颗粒的粒径差异增大以及生物质掺混比增大到10%左右,二元混合颗粒流化质量变差,逐渐出现分离和穿孔等现象。随着混合颗粒中生物质掺混比的增大,最小流化速度随之增加。基于实验研究结果,提出了用于预测生物质与煤二元混合颗粒最小流化速度的改进模型。另外研究还表明随着生物质掺混比的增大,混合颗粒离析程度加剧,床层出现不稳定流化现象。

基于铁基载氧体的无烟煤化学链燃烧过程中硫分布特性

在间歇式固定床反应器上,基于Fe_2O_3/Al_2O_3载氧体,研究了还原阶段反应温度和Fe_2O_3负载量对无烟煤化学链燃烧产物及S元素分布的影响。研究结果表明,含碳气体释放量随反应温度升高而增加,随Fe_2O_3负载量先增加后减少。产物中CO_2比例随反应温度升高先增加后减少,在850℃时达到最高(37.6%)。在实验条件下,未检测到SO_2生成。反应2 h时,载氧体中S元素的富集程度随温度和Fe_2O_3负载量升高而增加;5.5 h时,载氧体中S元素分布比例随温度升高而显著降低。利用SEM分析了载氧体表面微观形态结构。分析表明,Fe_2O_3负载量大于40%会导致载氧体轻微烧结。

添加CaO对煤热解过程中砷和硫迁移转化的影响

利用高频炉反应器在800-1 200℃对添加质量分数10%CaO的云南镇雄煤(YNZX)进行了快速热解实验,采用连续化学提取、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDX)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段,考察了CaO添加对煤快速热解过程中砷和硫迁移转化的影响。结果表明,CaO能显著抑制砷与硫的释放。CaO对砷释放的抑制率在800℃时最高达41.19%,对硫释放的抑制率在1 000℃时最高,为39.89%;两者的抑制率呈负相关。As-Ca复合物和CaS的形成是砷与硫释放率降低的主要原因;添加CaO后,As-Ca复合物的生成使残渣态砷含量增加,CaS的形成使硫化物结合态砷含量减少。热解后硫元素在CaO表面富集,占据更多的吸附活性位,对砷的固定产生抑制作用;添加CaO后焦中硫仍主要以硫化物的形式存在,亚硫酸盐的含量有所增加。

微细颗粒在固阀洗涤塔内的洗涤脱除特性

以亲水玻璃微珠、改性疏水玻璃微珠、空气和水为实验介质,采用单因素方法,研究了固阀洗涤塔中颗粒粒径、入口颗粒浓度、两相流动参数、颗粒润湿性对粒径小于10μm颗粒的洗涤效率的影响。结果表明:粒径大于2μm的颗粒的洗涤效率均可达到90%以上;粒径大于0.5μm的颗粒,洗涤效率随粒径增加而升高;粒径小于0.1μm的颗粒,洗涤效率随粒径增加而下降;粒径为0.1~0.5μm的颗粒,洗涤效率随粒径的增加,先升高后降低。对于粒径小于2μm的颗粒,其洗涤效率随入口颗粒浓度、两相流动参数的增加,先升高后降低。颗粒润湿性对粒径小于2μm的颗粒,尤其是粒径为0.1~0.5μm的颗粒的洗涤效率影响显著,润湿性越好,洗涤效率越高,而对粒径大于2μm的颗粒的洗涤效率影响不大。