煤直接化学链气化合成尿素过程建模与性能分析

本文针对传统煤制尿素过程碳利用率低及二氧化碳捕集能耗高的问题,提出了煤直接化学链气化合成尿素的新工艺。本文对新工艺关键单元进行建模、模拟和性能分析。新工艺中CO_(2)、H2和N2分别来自于化学链技术的燃烧反应器,水蒸气反应器和空气反应器,避免了高能耗的空分单元和气体分离单元,H2和N2用于合成氨,氨进一步与CO_(2)合成尿素。采用碳利用率和二氧化碳捕集能耗分析新艺的技术性能,生产成本和投资回收期分析其经济性能。结果表明煤直接化学链气化合成尿素工艺碳利用率为30.11%,相比于传统煤制尿素提高约7%,二氧化碳捕集能耗下降了97.04%。新工艺单位尿素成本相比传统工艺下降了12.18%,投资回收期缩短了4年。

化学链空分联合化学链制氢的煤制甲醇过程参数优化与分析

我国能源结构决定了以煤为主的甲醇生产路线。传统煤制甲醇过程主要存在过程能量效率低、CO捕集能耗高等问题。本文提出了一种化学链空分联合化学链制氢的煤制甲醇新过程,以降低能耗、二氧化碳排放及提高能源效率。化学链空分技术的集成可以替代传统煤制甲醇过程的空气分离单元,并在一定程度上降低能耗。化学链制氢技术的集成,一方面可以替代水煤气变换装置,并且可以极大程度降低二氧化碳捕集能耗;另一方面,化学链制氢技术还可生产用于调整合成气氢与碳比的氢。本文对新过程的核心单元进行了参数优化以及全流程的模拟,基于模拟对新过程的性能进行了分析,结果表明新过程与传统的煤制甲醇过程相比,空分和二氧化碳捕集能耗分别降低了41%和89%。同时,新过程的能量效率提高了18%,二氧化碳排放量降低了45%。

神华煤液化残渣的热解特性研究

以N2为载气,流速为20mL/min,升温速率分别为15,30,45和60℃/min,终温1200℃的条件下,用TGA/SDTA851热失重分析仪进行了神华煤液化残渣的热解特性试验研究.实验得到了神华煤液化残渣热解的TG和DTG曲线,表明神华煤液化残渣的热解是分两步进行的.在低温段主要是神华煤液化残渣中挥发性的气体溢出引起热解失重;高温段则主要是一些高分子有机质的热解过程.低温段的热解是主要的,它基本上热解掉了神华煤液化残渣重量的30%～40%.神华煤液化残渣挥发分含量很高且具有集中析出的特性,在240～370℃区间内可挥发物质迅速热解完毕.其在高温段的热解产率很小,只有总重量的10%～13%.随着升温速率的增加,低温段和高温段热解的区分更加明显,且使神华煤液化残渣的热解产率提高.此外,还给出了不同升温速率下的神华煤液化残渣热解特性数据和化学反应动力学参数.

神华煤液化残渣的热解特性

在TGA/SDTA851热重分析仪上,以N_2为载气,在气体流速为20 mL/min,升温速率分别为20℃/min、40℃/min、60℃/min和80℃/min,终温1100℃的条件下,进行了煤液化残渣的热解特性研究实验,得到了不同升温速率下神华煤液化残渣热解的TG和DTG曲线,表明神华煤液化残渣的热解是分两步进行的．在低温段主要是神华煤液化残渣中挥发性的气体溢出引起热解失重,在低温度段180～450℃,挥发分迅速释放；高温段则主要是一些高分子有机质的热解过程．此外,研究了粒径对热解特性的影响．研究发现,随着粒径的增加,残渣的最大挥发分释放速率逐渐减小,而最大挥发分释放速率对应的温度逐渐增加．利用Freeman-Carroll法得到煤液化残渣的动力学参数,为煤液化残渣的有效和经济利用提供理论依据．

拉曼光谱结合模式识别算法用以牛奶制品智能判别与参数优化

本试验以牛初乳奶片、乳酸奶片为对象,采集了多个样品的拉曼光谱并进行结构解析,随后以拉曼光谱为输入,先后论证了多种数据预处理方法的适用性,以及特征提取方法的选择、分类算法的参数优化。结果显示,奶片的拉曼光谱可提供样品丰富的化学结构信息,表征蛋白质、脂肪、糖类等营养物质信息,但由于样品间具有较高的谱图相似性,仅凭裸眼无法实现类别判别。引入支持向量机分类器,系统讨论了包括小波降噪、多元散射校正、求导、归一化多种数据预处理方法,结果发现小波降噪、多元散射校正、一阶求导以及归一化相结合的预处理可有效提高分类器识别率。进一步运用主成分分析特征提取算法,揭示出特征提取可提高分类算法的运行效率、去除冗余信息、节省运行时间、提高分类准确率。随后,比较了网格搜索算法、粒子群优化算法、遗传算法,用以支持向量机分类器参数优化,揭示出网格搜索算法可高效获得最佳惩罚参数(c=11.3731)和核函数参数(γ=0.00097656),可供建立优化的智能判别模型。

BGL炉煤气化过程建模和模拟

建立了BGL气化炉的三维非稳态煤气化模型,模型考虑煤炭颗粒的收缩过程,应用收缩核模型集成煤热解模型、气相湍流模型、气固流动模型、气固异相反应模型、气相均相反应模型、能量守恒方程以及相间传热模型等。该模型充分考虑了气化炉内部三维空间的温度和组成分布,通过煤热解段模型化学计量参数优化,得到CO/H2摩尔比在1.59左右,符合BGL炉热解段运行机制;然后对BGL炉气化段过程进行三维非稳态模拟,模拟出口气组成(CO,H2,CO2,CH4,H2O,O2)与文献结果对比,误差均小于4%。证明了BGL模型的准确性。基于该模型,本文对煤气化过程的主要参数进行影响分析。分析结果表明:煤气化效率随汽氧比的增加而提高,当汽氧比确定在1~1.3之间可以满足工艺要求及生产的需要,适合本文研究所用褐煤的特点;氧煤比增加会降低煤气化效率,但合成气中有效气的含量呈现出先增大后减小的趋势,当氧煤比在0.17左右时有效气含量达到峰值;随着煤粒直径的增加,BGL炉内的温度呈降低趋势,最高温度从2536.77 K降到了2047.81 K;同时,煤粒直径增加会减小CO、H2和CH4的生成量,并增大CO2的生成量。

山西沁水盆地煤生烃动力学研究

以生烃动力学方法对煤的生烃潜力进行定量评价是近些年发展起来的一种新方法. 文中通过对煤岩在高温高压封闭体系条件下的热模拟实验, 取得了热解产物烃类气体组分的动力学参数, 应用这些参数对沁水盆地上古生界煤生烃动力学特征和生烃史进行了研究. 结果表明, T末到J2末期间, 地质时间相对较长, 古地温较低, 使沁水盆地煤层甲烷产率增长比较缓慢, 煤的产烃能力较弱; 而J3到K1期间, 地质时间持续相对较短, 但是古地温较高, 这一阶段的甲烷产率增长最快, 煤岩产烃能力较强. 模拟和实测资料对比表明, 根据甲烷和C2～C4生成史所计算的干燥系数为判识沁水盆地不同研究地区煤层气成因提供了证据; 首次对成煤物质泥炭进行了生气动力学实验模拟, 并将模拟结果应用于沁水盆地的古地温演化史中, 与煤岩的生烃动力学特征进行了对比, 表明了泥炭比煤岩具有更高的生气能力; 具有较高演化程度的煤岩样品的化学动力学模拟实验结果不能完全恢复该煤岩的生烃能力, 会导致煤层气资源量评价结果偏小; 用泥炭生烃的动力学模拟结果进行煤层气生成量预测, 估算了研究地区的煤层气生成量的上限. 对研究地区不同煤层的煤层气生成量范围的计算结果显示, 所研究的阳城地区太原组和山西组煤层气生成量最高, 是最有利的煤层气形成地区之一; 沁源地区太原组和山西组煤层气生成量也较高, 是比较有利于形成煤层气的地区; 霍山地区煤层气的生成量最小, 煤层气形成条件最差.