气化灰渣的理化性质及其对石油焦/CO_2气化反应特性的影响

采用XRF、XRD和SEM/EDS等分析手段对神华煤气化灰渣的理化性质进行了表征,并考察了气化灰渣对金山石油焦/CO2气化反应活性的影响。结果表明：炉底灰渣和炉顶飞灰的灰分质量分数分别为78.39%和62.71%;炉底灰渣中Ca和Fe的质量分数较炉顶飞灰高,而炉顶飞灰中Si和Al的质量分数则比炉底灰渣高;气化灰渣中的矿物质主要以对气化反应无催化活性的惰性物质形态存在,炉底灰渣中对含碳物料气化反应有催化作用的主要是少量的硫酸钙、氧化铁和钾芒硝（K3Na（SO4）2）,而炉顶飞灰中则是少量的硫酸钙;随着气化灰渣添加量的增加,石油焦催化气化反应速率达到最大值时所对应的转化率逐渐减小。当气化灰渣的添加量为5%~30%时,石油焦的气化活性提高了2~7倍,其中炉底灰渣的催化活性稍优于炉顶飞灰。

钾催化的石油焦/水蒸气气化反应活性及产氢特性

在固定床反应器中考察了钾盐对金山石油焦/水蒸气气化反应活性和产氢特性的影响,并与石油焦/水蒸气非催化气化反应特性进行了对比研究。研究结果表明,钾盐不仅能有效降低气化反应温度、改善石油焦的气化反应活性,而且能够促进气化反应过程中发生的各种反应(碳/水反应、水煤气变换和甲烷/水蒸气重整反应)。随着气化温度的升高,非催化气化的产物气中H2的含量逐渐增加,而催化气化的产物气中H2的含量则有所降低,这是由于非催化和催化气化条件下水煤气变换反应处于不同的状态。与非催化气化相比,催化气化条件下单位质量石油焦完全气化生成的产物气中H2不仅产率高,而且含量也高(非催化和催化气化条件下H2的含量分别为47.2%～54.1%和55.0%～60.4%)。各种钾盐对石油焦/水蒸气气化反应的催化活性顺序为:K2CO3>KAc>KNO3>K2SO4>KCl,但不同的钾盐对气体产物分布的影响较小。

高温气相炭化焦的物理结构及CO2气化活性

以石油醚和蒽油为原料,在炭化温度为1 000-1 300°C的条件下制备了两种气相炭化焦,主要考察了这两种高温气相炭化焦的物理结构和CO2气化活性,并与液相炭化焦和煤焦进行了对比。结果表明：石油醚气相炭化以裂解和缩聚反应并存,而蒽油气相炭化以缩聚反应为主;两种气相炭化焦的颗粒均为均匀的球形颗粒（粒径为0.1-0.5μm）,且随炭化温度增加,颗粒粒径减小,焦块结构趋于致密化;炭化温度增加有利于气相炭化焦的碳微晶结构向有序化方向发展,在相同炭化温度下,气相炭化焦最具石墨化倾向,液相炭化焦次之,煤焦最小;炭的气化活性不是仅由碳微晶结构唯一决定的,不同炭化过程所形成焦的气化活性顺序为：煤焦〉气相炭化焦〉液相炭化焦。

高温下神府煤焦/CO_2气化反应动力学

在950～1400℃,以神府煤为原料制备了各种慢速和快速热解焦,并对各种热解焦的CO2气化反应动力学进行了研究。研究结果表明:在高温范围内,修正体积模型对神府煤焦/CO2气化反应的模拟明显优于收缩未反应芯模型和随机孔模型;神府煤焦气化反应动力学从低温到高温存在一个偏折点,即低温区(950～1150℃)属化学动力学控制,高温区(1150～1400℃)属扩散动力学控制。在950～1150℃,神府慢速和快速热解煤焦的表观活化能范围分别为109.21～205.30kJ/mol和86.88～116.90kJ/mol;在1150～1400℃,分别为16.58～52.16kJ/mol和14.00～32.91kJ/mol;神府煤焦/CO2气化反应过程也存在动力学补偿效应。

撞击流气化炉内颗粒停留时间分布的随机模拟

根据多喷嘴对置式气化炉流场测试,将气化炉划分为若干区域,运用时间离散、状态离散的马尔可夫链随机模型,模拟了气化炉内颗粒相的停留时间分布(RTD)。当颗粒在撞击区和射流区间的回流比为0.5,向下撞击流股区和管流区为平推流模型,其他区域按全混流模型处理时,模拟值与实验值吻合较好。随着进料流量的增大,平均停留时间减小,量纲1方差减小;随着回流比的增加,平均停留时间增大;气固两相平均停留时间接近,但RTD存在一定差异。

水煤浆气化生成的氨对生产系统的影响

分析了水煤浆气化过程中氨的来源,概括了氨对生产系统和环境的影响,阐述了生产中铵盐问题的解决方法。系统中适量的氨,可中和酸性物质,防止管路和设备腐蚀;而过量氨的积累则可影响系统水质,在系统低温处析出铵盐和钙盐结晶,影响生产稳定、危害环境。本研究为煤中氮在气化过程中的转化问题提供了实际背景,为铵盐问题的解决提供了思路。

水煤浆气化炉耐火砖损蚀量的灰色预测

针对水煤浆气化炉中耐火砖存在损蚀的特点,采用灰色预测理论建立了耐火砖损蚀量的不等时距GM(1,1)预测模型,并提出了模型的优化方法。通过预测值与实际值比较得出,GM(1,1)模型用于水煤浆气化炉中耐火砖损蚀量的预测是可行的;优化后的预测模型与实际值吻合较好。在模型优化过程中还发现,模型优化后平均相对误差由4.41%降为3.73%,最大相对误差也由14.36%降到9.09%,验证了优化方法的有效性。预测结果可为水煤浆气化炉耐火砖的研制及检修提供依据和指导。

气态烃自热转化炉冷态实验研究与数值模拟

采用恒温式热线风速仪测自热转化炉内速度分布,用Realizableκ-ε湍流模型对流场进行模拟,其模拟结果和实验结果比较吻合。轴距小于21d_0(喷嘴直径)时,轴线速度的衰减规律不受催化剂床层高度和气速的影响。转化炉内回流量随着轴距的增加,先增大后减小;随着催化剂床层高度的增高,回流比分布曲线变窄,回流量最大值为进口流量的6～7倍;轴距小于20d_0,催化剂床层高度对回流比大小的影响不大。在实验条件范围内,改变气速,回流比的大小不变。

直接还原炼铁行业中两段粉煤气化工艺模拟的研究

根据碳和水蒸汽、二氧化碳气化是吸热反应的原理,开发了用化学反应法回收高温煤气显热的煤基两段组合式新气化工艺,在发电及钢铁行业有着非常广阔的应用前景。论文用模拟软件Aspen Plus,建立了两段(一段气流床,二段固定床)组合式粉煤气化模型,模拟直接还原炼铁过程(DRI)中的两段组合式气化工艺。研究在二段是否补加水蒸汽,以N_2及CO_2作为粉煤输送介质的气化工艺指标,模拟结果表明:二段炉内补加水蒸汽时,将会增加二段气化用煤量,而降低了出口煤气中的有效气含量。因此两段气化工艺用于炼铁行业时,选择一段气流床的粉煤以CO_2作为输送介质,既增加二段炉内的气化剂,又增加整个气化工艺出口煤气的有效气成分,满足直接还原炼铁行业的要求。

两喷嘴对置撞击流驻点偏移规律

运用烟线法和热线风速仪对两喷嘴撞击流流场进行了实验研究,考察了不同喷嘴间距、不同气速比下撞击面的稳定性和撞击面驻点的偏移规律。结果发现,当2D≤L≤4D(L为喷嘴间距,D为喷嘴直径)时,若两喷嘴气速相等,撞击面不稳定,在轴线上发生振荡;当两喷嘴气速有小的差异时,撞击面驻点将发生大幅度的偏移,此时流场变得相对比较稳定。当2D≤L≤8D时,撞击面驻点位置对气速比变化很敏感;当L<2D和L>8D时,撞击面驻点位置对两喷嘴气速比的变化逐渐变得不敏感。

高温下煤焦的碳微晶及孔结构的演变行为

以贵州煤为原料,在热解温度950℃-1400℃制备了各种慢速和快速热解焦,主要对高温热解过程中煤焦的碳微晶和孔结构的演变行为进行了研究,同时也研究了高温气化过程中煤焦的孔结构变化规律。结果表明,慢速热解焦和快速热解焦的C和H含量明显不同;随热解温度的升高,煤焦的碳微晶结构向有序化方向发展,但慢速热解煤焦比快速热解煤焦的＂石墨化＂程度大;快速热解煤焦的微孔比表面积和微孔容积明显高于慢速热解煤焦,即快速热解煤焦的孔隙结构明显比慢速热解煤焦发达;在气化反应初期,煤焦的微孔比表面积下降,微中孔比表面积增加,反应后期煤焦的总比表面积快速下降。

城市污泥水热液化过程及产物特征

以城市污泥为原料,考察反应温度对城市污泥水热液化过程及液化产物特征的影响。结果表明:在370℃时生物粗油产率和沥青烯产率分别达到最大值26.82%和27.73%,水回收率及体积减量度也分别达到最大值94.81%和80.16%,说明城市污泥经水热液化处理后能取得良好的减量化效果;生物粗油主要含有脂肪酸类、胺类和脂肪烃类,且脂肪酸类碳链长度主要集中在C16~C18;水相有机质则主要由羧酸类、酯类、胺类和酚类组成;液体燃料热值回收率在53.23%~98.20%之间,说明水热液化处理在城市污泥的资源化利用方面具有良好的前景。

自热转化炉停留时间分布

以氢气作为示踪剂,运用脉冲法测定自热转化炉内停留时间的分布。实验结果表明:随着催化剂床层的增高,停留时间分布密度函数变窄,平均停留时间和量纲一方差均减小;当进口气量增大时,平均停留时间减小,量纲一方差增大。应用N个全混流反应器(CSTR)、轴向混合模型和平推流模型串联建立自热转化炉停留时间分布模型,由Laplace变换法和阻尼最小二乘法对模型参数进行估算,模型估计停留时间曲线与实验测量曲线吻合良好。

气化炉与辐射废锅接口托架传热的数值分析

以通用的三维导热模型为基础,应用有限元法,计算了不同结构参数和操作条件下气化炉与辐射废锅接口内金属托架的传热特性。结果表明,托架长度、耐火纤维厚度、炉内温度是影响托架温度和热流密度分布的主要因素。托架最高温度和最大热流密度随着托架长度的增加而增大,随着炉内温度的提高而增大。托架外围包裹20 mm厚的耐火纤维,能有效降低托架的最高温度和最大热流密度。对于稳态操作的气化炉,其炉内温度变化范围约1200℃～1400℃,相应的金属托架最高温度变化范围约为420℃～480℃,最大热流密度约为(42.8～50.0)kW·m^(-2)。