循环流化床高碱煤气化技术研发及应用进展

系统回顾了循环流化床高碱煤气化技术的研发及应用历程,重点概况了在高碱煤基础理化特性、气化反应特性及碱金属的迁移特性、防结渣技术研究及循环流化床高碱煤气化工程应用四个方面的进展与成果。梳理了高碱煤的煤质特征、碱金属的赋存形态和含量、前处理方法对碱金属含量测定的影响,以及高碱煤的燃烧和成灰特性。总结了煤种、反应进程、气化温度、氧碳摩尔比、反应气氛等对高碱煤气化性能指标和气化灰结渣特性的影响。阐述了配煤、添加剂及更换床料等方法对预防高碱煤气化结渣的作用和反应机理,采用刚玉做床料实现了循环流化床高碱煤气化中试装置稳定运行。评述了循环流化床高碱煤气化技术的自主创新以及在工业燃气、合成气领域的成功应用。最后,从建立高碱煤气化用煤数据库、开发纯用高碱煤的气化技术、开发高效脱碱及原位耦合利用革新技术、探索高碱煤与其他物料协同利用技术并制备高性能材料四个方面展望了未来高碱煤气化技术的发展方向。

流化床反应室内铁矿石的临界流化特性

U型反应室是悬浮焙烧装备的核心部件,明确其内物料的临界流化特性具有理论与实践意义.为此,自行搭建了冷态试验系统,并以赤铁矿粉、氧化铝粉为原料,研究了松动风量、物料性质对物料临界流化特性的影响规律,并对原有经验公式进行了修正.结果表明:临界流化气速随物料粒度、密度的增加而增加;在松动室床层为固定床的条件下,临界流化气速随松动风量的增大而减小;修正后的过程方程与试验数据吻合较好,可用于反应室内物料流化行为的预测.研究结果利于悬浮磁化焙烧技术实体化,对该技术工业应用具有一定的指导意义.

生物质循环流化床机组协调系统模型研究

针对生物质循环流化床(CFB)机组,通过机理分析,研究了生物质燃烧的动态过程,建立了生物质CFB锅炉燃料侧燃烧模型。通过能量守恒,确定了生物质CFB机组汽水侧和汽机侧主要参数之间的函数关系,建立了负荷控制系统模型。基于某30 MW生物质CFB机组实际运行数据,通过稳态工况推导、回归分析和遗传算法辨识了模型的参数和函数关系,在Simulink软件平台验证了模型的结果并进行了模型阶跃试验。结果表明:模型的输出与实际数据能较好地吻合,主蒸汽压力、负荷的平均相对误差均在4%以内,阶跃响应符合实际经验,证明建立的模型能够反映机组的动态特性。

循环流化床气固流态化实验平台的设计及应用

为开展卓越工程科技人才培养,基于气固流态化专业实验分析,研制了一套循环流化床气固流态化实验平台。该平台包括多功能循环流化床实验装置和配套测量系统。实验装置主体由有机玻璃制成,分为颗粒内循环回路和颗粒外循环回路。通过改变颗粒回路中的操作条件可观测流型转变和流化速度对床层压降的影响并进行颗粒循环回路压力测试、颗粒质量浓度分析等实验,同时测量系统可对实验过程中压力及颗粒浓度数据进行实时采集。本实验平台实验数据可为循环流化床故障诊断和工业生产提供参考。

成型生物质流化床气化及结渣影响因素研究

为提高生物质气化产物的品质,采用成型桉树皮和成型玉米秸秆2种典型农林废弃物,并选取稻壳和木屑作为对比,在中试规模的流化床实验台上进行气化实验,得到成型桉树皮、成型玉米秸秆、稻壳和木屑的最佳空气当量系数,分析了成型生物质在气化中出现结渣现象的原因。结果表明:在实验条件下,成型桉树皮、稻壳和木屑的最佳空气当量系数为0.20,其燃气热值分别为5.5 MJ/m^(3)、5.5 MJ/m^(3)、6 MJ/m^(3),气化效率分别为60%、45%、52%;成型玉米秸秆由于其高灰分、低热值,所需空气量更大,最佳空气当量系数为0.24,燃气热值为4 MJ/m^(3),气化效率为35%;气化温度提高可促进不同生物质的气化反应,碱金属、碱土金属含量较多的成型生物质在气化过程中更易结渣。

首套流化床甲醇制丙烯装置工艺优化

为了顺利完成首套流化床甲醇制丙烯FMTP工业示范装置投料试车。通过对采用大连化物所甲醇制烯烃DMTO技术、中石化甲醇制烯烃SMTO技术、神华集团甲醇制烯烃SHMTO技术和甲醇制丙烯MTP技术的同类型企业考察和技术交流,经过与FMTP工艺技术对比分析,发现原FMTP装置催化剂回收系统、三器之间催化剂循环管道、洗涤水换热系统、余热回收系统和反应器测量仪表系统在设计方面存在不足。根据同行业装置建设和运行经验,废催化剂回收系统设计改造锁斗回收系统,催化剂循环管线优化改造为提升管加法兰管帽,洗涤水换热器优化改造二甲苯清洗系统,余热回收设备优化改造蒸汽自动吹灰系统,反应器测量仪表优化改造反吹系统。经过上述工艺优化,催化剂回收系统解析气中可燃气含量显著降低,且避免催化剂粘黏结块;三器之间催化剂循环管线优化设计提升管、提升管顶部设计缓冲管加管帽,在装置运行期间三器之间的催化剂流通顺畅,反应器待生催化剂循环量、待生管温度、待生管密度、待生管压力指标接近或达到设计指标;启动二甲苯清洗系统对堵塞的换热器进行化学冲洗,换热器清洗效果明显;自动蒸汽吹灰系统投运后,余热回收系统效率显著提高;反应器仪表反吹风优化为工艺气后避免惰性组分对分离工艺影响。FMTP装置在四次试车过程中上述系统运行平稳,为装置长周期安全稳定运行奠定基础。

CFD-DEM-IBM方法探究流化床倾斜挡板内构件受力特性

在密相床层内安装内构件可显著改善工业流化床的流化质量、强化气固传质和提高化学反应效率。由于长时间受气体和颗粒的挤压和冲击,流化床内构件可能会发生变形或断裂。为实现流化床内构件设计的科学性,确保其长周期可靠性,需要明确其受力机理与不同操作条件下受力特性。利用粗粒化CFD-DEM-IBM方法,实现了利用笛卡儿网格模拟流化床中倾斜挡板内构件受力特性的定量模拟,该方法拓展原有挡板应力统计方法,获得了不同倾斜角度对挡板所受应力的定量影响规律。模拟所得挡板受力随时间的演化曲线与实验报道较为一致,在流化床启动阶段会出现较大的峰值,同时成功复现在启动阶段的峰值受力总体与挡板在水平面上的投影面积成正比。模拟结果显示,在启动阶段,挡板受力中颗粒挤压作用力占主导,但在流化阶段,除颗粒作用力达到极大值外的大部分时间中挡板受到的气相压差力要大于颗粒作用力。当挡板倾斜角度较小时,挡板受力较大但抑制床内返混效果较好,因此在工业流化床内构件设计中应兼顾强化传递及长周期可靠性的需求,当挡板倾斜角度较小时应选择强度大的挡板材料。

加压流化床Co-Ca催化煤焦加氢气化反应动力学

煤催化加氢气化是极具发展潜力的煤制天然气技术,包括煤催化加氢热解和煤焦催化加氢气化2个步骤,其中煤焦催化加氢气化的反应速率远小于煤催化加氢热解的反应速率,是整个气化过程的速率控制步骤,因此建立适宜的煤焦催化加氢气化反应动力学对该技术的应用具有重要的意义。在小型加压流化床中,研究了Co-Ca催化煤焦加氢气化过程中煤焦颗粒密度和孔隙结构随碳转化率的变化规律,发现随反应进行煤焦颗粒密度减小,孔隙总比表面积与反应速率线性相关,表明Co-Ca催化煤焦加氢气化反应符合随机孔模型的特征。通过调控反应温度、氢分压和Co负载量,获得了煤焦中碳转化率的变化规律。结果表明:650~850℃反应仍处于动力学控制阶段;反应温度超过750℃后,反应速率显著提升,进一步提升温度至850℃时,碳转化率由650℃时的16.32%增至95.32%。随氢分压升高,碳转化率增大,氢气分压由0.6 MPa增至2.5 MPa时,碳转化率由19.49%提高至94.11%。随Co催化剂负载量由1%提高至3%,碳转化率持续提升,继续增加Co负载量至5%,碳转化率变化较小。采用扩展随机孔模型,引入经验参数c和p对试验数据进行分析,得到煤焦催化加氢气化反应的活化能为122.7 kJ/mol,反应级数为1.54。模型预测的反应速率值与试验值之间的平均偏差为4.81%。

工业水处理中的流化床Fenton工艺技术进展

传统Fenton反应产生大量的铁泥,限制了该技术的推广应用。流化床Fenton是将传统Fenton和载体结晶相融合的一项高级氧化技术,在强化催化氧化废水处理效果的同时可以起到削减铁泥的作用。首先,文章从均相反应、非均相反应、载体结晶和技术机理4个方面,全面阐释了流化床Fenton的基本原理。继而,系统性地从载体特性、反应条件(Fenton试剂、pH、床层膨胀率和水基质)以及反应器结构等方面,全面分析了流化床Fenton工艺在废水处理中的关键影响因素。然后,回顾了近年来流化床Fenton工艺在难生物降解性工业废水等处理领域的工程化应用。最后,拓展性地从高效活性载体与耦合技术(光催化和膜生物处理)两方面详细地阐述了流化床Fenton技术优化,并对未来的研究方向和兴趣提出展望和思考。

循环流化床锅炉快速变负荷调节技术研究进展

在“碳达峰”与“碳中和”背景下,煤电是我国目前可再生能源大规模消纳的最经济调节电源。循环流化床燃烧技术因具有低负荷稳燃能力强、污染物控制成本低、负荷调节范围宽等独特优势在煤电深度灵活调峰中担当重要角色,但其独特的燃烧方式导致变负荷速率慢,无法满足未来可再生能源大规模并网的调节需求。该文结合循环流化床锅炉的燃烧原理及应用场景,深入分析制约循环流化床锅炉变负荷速率的关键影响因素,包括循环灰的流动惯性、燃料的反应惯性、床料与耐火耐磨材料的传热惯性、污染物排放等。此外,对可行的循环流化床快速变负荷调节技术进行探讨与分析,可为我国燃煤循环流化床锅炉深度与快速灵活调节技术的工业应用提供一定参考。

燃煤耦合农林废弃物在流化床内燃烧的氮氧化物生成特性模拟研究

通过化学反应动力学模拟方法构建了流化床燃烧反应模型,研究了燃煤耦合农林废弃物燃烧过程中氮氧化物的生成特性与反应机理。结果表明:氮氧化物转化率随着农林废弃物掺混比例增加而增大,且随着生物质掺入量增加,转化率增长速率提高;燃烧温度对氮氧化物转化率的影响较大;随着燃烧系统氧体积分数增大,氮氧化物转化率先缓慢增大,在氧体积分数达到一定值后迅速增大,之后变化趋于缓慢;出于经济性与技术可行性的考量,可以选择降低风量小的燃尽风氧体积分数来进一步降低氮氧化物生成量,为实际燃煤耦合生物质燃烧锅炉控制污染物排放提供一定的技术支撑和指导意见。

预热空气当量比对循环流化床掺混煤泥预热燃烧的影响

煤泥灰含量大、颗粒细、热值低,煤泥的高效清洁燃烧是固废资源化利用的重要方式之一。采用煤粉流态化预热耦合循环流化床燃烧技术,在30 kW预热燃烧综合评价试验台上,控制煤泥掺混比、给料量、还原区当量比、二/三次风比例及过剩空气系数等参数不变,并借助煤气分析仪和烟气分析仪等测量仪器,开展了循环流化床烟煤掺混煤泥的预热燃烧试验。结果表明,循环流化床预热燃烧系统运行稳定可靠,预热温度800℃以上,预热燃料可持续稳定输送到循环流化床中;烟煤掺混高灰分的煤泥,循环灰量增加,循环流化床燃烧室温差小,温度均匀;预热空气当量比由0.36增至0.51时,预热器内温度增加,预热煤气中CO_(2)、HCN体积分数增加,CO、H_(2)、CH_(4)及NH_(3)体积分数降低,煤气热值由2.02 MJ/m^(3)降至1.49 MJ/m^(3);且随着预热空气当量比的增加,循环流化床燃烧室沿程NO体积分数增加,CO体积分数底部高、上部低,NO_(x)排放量由172 mg/m^(3)增至242 mg/m^(3)(6%O_(2)),可见,较低预热当量比有利于烟煤掺混煤泥的高效清洁燃烧。研究结果可为煤泥的高效燃烧利用提供新型技术路线和数据支持。

循环流化床大气污染物机理模型及关键状态变量研究

基于循环流化床机组炉内脱硫、炉内自脱硝和选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术等,对循环流化床锅炉(CFB)机组大气污染物排放进行了研究,建立了CFB机组炉内燃烧模型以及污染物生成、脱除模型,并对影响污染物排放的关键状态变量进行了分析。结果表明:所建立的循环流化床机组SO_(2)和NO_(x)排放模型可以较好地拟合实际运行数据,且具有一定的预测效果和较强的模型通用性;即燃碳的燃烧影响了炉内还原气氛,其会显著影响炉内NO_(x)的还原;活性石灰石量以及炉膛温度是影响SO_(2)与活性石灰石固化反应的主要因素,相对较高的炉膛温度以及较少的活性石灰石存量均会使SO_(2)排放质量浓度升高,但温度越高,NO_(x)的排放水平越低。

基于微型流化床的油页岩与棉秆共热解特性及其动力学

采用微型流化床反应分析仪分析油页岩与棉秆共热解特性,探讨不同热解温度和混合比例对H_(2)、CH_(4)、CO、CO_(2)释放特性的影响,并利用等转化率法求解动力学参数,研究共热解过程中的相互作用。结果表明,油页岩和棉秆的单独热解气体释放特性存在明显差异,而在等温共热解过程中,棉秆的添加能加快反应的转化率,提高气体生成速率。通过Friedman-Reich-Levi方法计算气体生成活化能,结果显示共热解活化能明显低于理论值,表明共热解能提高原料热解反应性,促进气体的生成。

330 MW循环流化床锅炉深度调峰技术

为推进“双碳”政策的实施,消纳波动性较强的新能源并网发电,当前对火电机组的深度调峰要求越来越高。循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉机组在深度调峰低负荷运行工况有着先天优势,但实现20%以下的超低负荷运行依然面临众多的困难,如炉内流化的稳定性、氮氧化物的排放及炉内局部超温带来的安全性等问题。以某330 MW CFB锅炉的深度调峰技术应用为例,介绍了输煤筛分破碎系统、风帽节流圈、下二次风管等机组部件的改造,并配合烟气再循环等技术应用,成功实现了18%的超低负荷深度调峰运行,同时也很好地控制了NOx的排放。最后总结了CFB机组超低负荷深度调峰技术的关键点和难点,对深度调峰运行带来的潜在问题进行了分析,并提出了相应的解决措施。研究结果具有重要的工程借鉴作用。

350 MW超临界循环流化床锅炉天然气点火系统调试实践

针对350 MW超临界循环流化床(CFB)锅炉天然气点火系统的调试过程中存在的床下气枪在一次流化风量偏大或者热态的情况下,点火容易失败,着火后容易脱火,床上点火气枪点火困难, 床上主气枪无法着火及床上点火气枪退出后主气枪灭火等问题,通过设备改进、点火参数调整以及点火程序的优化等一系列手段,解决了现场问题,使天然气点火系统满足了锅炉启动要求。

非均相Fenton降解甲基橙染料废水流化床实验

在(25±5)℃下,将β-FeOOH负载在SiO_(2)上得到β-FeOOH/SiO_(2),作为非均相Fenton催化剂,在流化床装置中探究对甲基橙染料废水的降解效果及降解机制,结合XRD、FT-IR表征手段探究β-FeOOH/SiO_(2)在流化床工艺中的适用性、循环利用性以及稳定性。结果表明,β-FeOOH/SiO_(2)添加量为5.00 g/L,H_(2)O_(2)添加量为0.031 L/L,反应83 min,对250 mg/L甲基橙染料废水的去除率可达100%,COD去除率为88.36%,TOC去除率为67.5%。β-FeOOH/SiO_(2)与流化床结合具有适用性较广、去除率高等优点。

基于机器学习的Geldart A类加重质流化床的床层膨胀特性研究

为了预测Geldart A类加重质的膨胀特征,通过床层塌落试验,研究了床层流化过程中的气泡相和乳化相的组成与操作因素之间的关联,构建了操作气速、静止床高以及床层膨胀高度的数据集,进行了数据统计分布和相关性分析,利用具有最佳超参数的GBDT模型成功模拟了膨胀高度和影响变量之间的非线性关系,分析了特征变量的敏感性。结果表明,随着气速的逐渐增加,乳化相与气泡相的膨胀呈现先增加并略有减小的规律。对于不同的初始床高与床层膨胀高度,气泡相组成不受其变化的影响且组成比例相对稳定。操作气速的重要性得分是0.68,是膨胀高度最敏感的变量。而静止床高的重要得分仅为0.32,表明此变量对床层膨胀的影响较小。此外,由部分相关性分析可知,床层的膨胀高度对操作气速的依赖性具有一定的敏感性区间。

流化床锅炉多源废弃物耦合利用技术现状

循环流化床锅炉优良的燃烧特性适于多源废弃物的耦合燃烧利用,为便于流化床锅炉用户选择工艺路线,避免浪费时间及资源,本文对多源废弃物在循环流化床中耦合利用技术现状进行归纳整理。笔者将多源废弃物耦合燃烧利用以固态、气态、液态三大类进行了归纳总结,并对多源废弃物耦合燃烧利用技术关键点进行了说明。建议用户耦合燃烧利用废弃物时保持科学、谨慎的态度,充分调查研究,避免造成人力、物力浪费及经济损失。

制冷剂含氟废水流化床深度处理工艺调试与运行

由于氟化物在环境中的过量积累会对环境及人体健康造成严重威胁,近年来,含氟废水的深度处理日益成为水处理领域关注的热点问题。针对某氟化工企业制冷剂生产过程中产生的混合废水,应用流化床工艺,进行了制冷剂含氟废水的深度处理,并对工艺中流化床运行调试进行了总结。调试运行结果表明,流化床搅拌转速为1 r/min,pH值为6.5时除氟效果最好,实现F~-质量浓度自30.47 mg/L降低至7.77 mg/L,流化床药剂投加量控制在1600 mg/L较为经济。通过调试运行使设备处理负荷稳定达到4 m~3/h,实现系统稳定运行。该工艺调试完成后,运行至今一直稳定高效。与传统除氟剂吸附工艺相比,能够显著降低运行成本。调试运行结果表明,流化床深度除氟工艺可实现含氟废水高效、经济处理,为含氟废水处理工程提供思路与经验。