农林废弃物循环流化床空气气化特性实验研究

【目的】考察生物质种类在不同参数下对循环流化床空气气化特性的影响,为宽燃料适应性的生物质循环流化床气化技术和生物质气化耦合燃煤发电技术提供相关数据参考。【方法】在自行搭建的小型常压循环流化床气化实验装置上,开展了以空气当量比(equivalent ratio,ER)、气化温度为参数,农林废弃物(稻壳、木屑、玉米秸秆和稻草)为原料的空气气化实验研究。【结果】稻壳、木屑、玉米秸秆和稻草气化气组分在不同空气当量比下的变化规律基本一致,随着空气当量比不断增加,稻壳、木屑、玉米秸秆和稻草的气化燃气低位热值和冷煤气效率均呈现先增后减的变化趋势,对于稻壳、木屑和玉米秸秆,ER为0.20时均为最优工况,最高冷煤气效率分别为46.19%、38.07%和37.71%;而对于稻草,ER为0.25时为最优工况,最高冷煤气效率可达39.55%;稻壳、木屑、玉米秸秆和稻草气化气组分中的三大可燃气体(CH4、CO、H2)在不同气化温度下的变化规律也一致,随着气化温度不断升高,稻壳、木屑、玉米秸秆和稻草的气化燃气低位热值和冷煤气效率也均呈现先增后减的变化趋势,其中稻壳和玉米秸秆冷煤气效率在气化温度为750℃时达到峰值,分别为46.19%和37.71%,而木屑和稻草在气化温度为760℃时达到峰值,分别为38.07%和37.56%。【结论】研究结果可为宽燃料适应性的生物质循环流化床气化技术和生物质气化耦合燃煤发电技术提供相关数据参考。

具有自萃取功能的相变CO_(2)吸收剂体系开发

二氧化碳(CO_(2))捕集工程应用的吸收剂存在再生能耗高、传质速率低、运行损耗大等问题,严重制约了CO_(2)捕集技术的大规模推广应用。为解决这些问题,该文开发适用于低分压CO_(2)捕集的相变吸收剂。该相变吸收体系以亲水性胺N-氨乙基哌嗪(N-aminoethyl piperazine,AEP)为主吸收体系,添加亲脂性分相剂二正丁胺(Di-n-butylamine,DPA)和活化剂(activator,ACT)。通过核磁共振波谱(nuclear magnetic resonance,NMR)和捕集CO_(2)连续测试实验研究该相变吸收剂的性能。实验结果表明,吸收负载达1.082 mol CO_(2)/mol溶液,再生温度降至98.5℃,具有优异的吸收性能和解吸性能。NMR分析表明,反应产物具有氨基甲酸盐分子结构,捕集CO_(2)连续测试实验研究与同浓度3 mol/L一乙醇胺(Monoethanolamine,MEA)溶液进行对比分析可知,相同再生能耗下,单位体积同浓度相变体系相比MEA吸收容量提高33%以上;相同再生能耗下相变体系的再生率比MEA提高15%,相同再生率下相变体系的再生能耗比MEA降低31%以上。结果表明,该相变吸收剂对于低分压CO_(2)捕集具有良好的应用前景。

锡盟褐煤干燥和重吸收特性的实验研究

针对内蒙古的锡盟褐煤,采用快速水分干燥仪模拟恒温蒸发干燥过程。利用扫描电镜测试发现干燥后的煤样表面形貌有所变化,出现断裂、粉化等现象。选择不同的干燥温度（70、100、120℃）、粒径（0.5~0.6、0.6~1.6、1.6~4 mm）、干燥时间（2、3.5、9、30 min）研究该褐煤的干燥和重吸收特性。发现干燥过程主要受温度、粒径的影响;而重吸收水分主要取决于最终水分含量、孔隙结构的破坏情况、粒径和环境湿度变化。将干燥过程的实验数据与常用的干燥方程进行拟合,其中Modified Henderson and Pabis模型拟合效果最好。并应用Fick扩散模型和Arrhenius经验公式计算得到该褐煤恒温蒸发干燥过程的有效扩散系数和活化能。

热解温度对褐煤半焦成浆特性影响的实验研究

采用低温热解法(450～650℃)对褐煤进行改性处理,研究热解终温对褐煤半焦成浆特性的影响,并从煤质特性和微观孔隙结构的角度对成浆性改变的原因进行了分析,选用Herschel-Bulkley模型对浆体流变特性进行拟合分析,直观地显示了水煤浆流变特性随浆体浓度和热解终温的变化情况。实验结果表明:低温热解有效地提高了褐煤的成浆性能,褐煤水煤浆的最大成浆浓度由改性前的44.31%,最大可升至66.78%,热解终温越高,定黏浓度越大。在表观黏度相近的情况下,热解终温越高,半焦水煤浆的稳定性越好。低温热解能有效脱除褐煤中的水分,促进含氧基团的分解,提高煤阶。热解后,煤的孔隙结构发生变化,热解终温升高,孔比表面积和孔容积减小。

六回路循环流化床颗粒浓度及循环流率实验研究

在六回路循环流化床冷态实验台上,采用差压法和积料法分别测定床内的颗粒浓度分布和物料循环流率,实验研究运行参数对颗粒浓度分布和循环流率的影响规律。结果表明,六回路CFB颗粒浓度分布与单回路CFB相似,沿炉膛高度呈下浓上稀的分布,炉膛出口区的颗粒浓度和速度决定了物料循环流率。当空截面气速增加时,炉膛出口区的颗粒浓度和速度均增大,六回路的循环流率大幅度增加。当二次风率小于30%时,对颗粒浓度和循环流率影响不大。颗粒浓度和循环流率随静止床高增加而增加。颗粒粒径增大时,密相区颗粒浓度增加,稀相区颗粒浓度减小,循环流率减小。基于炉膛出口区颗粒浓度和颗粒速度计算的循环流率理论值与实验数据比较吻合。

煤分级利用多联产技术及其发展前景

20世纪末期以来,面对我国一次能源以煤为主、能源需求日益增长以及世界环境恶化的现实,构建资源、能源、环境整体化的可持续发展能源系统是我国能源战略方向。煤分级利用多联产系统是实现整体最优、跨越行业的资源、能源、环境一体化系统。本文介绍了煤多联产技术的主要技术类型,包括煤热解气化为核心的多联产技术、煤部分气化为核心的多联产技术及煤完全气化为核心的多联产技术。重点介绍了煤热解气化为核心的热电气焦油多联产技术,详细阐述了该多联产装置的工艺流程和运行特性。最后,基于煤分级利用联合循环发电系统,从节能减排等方面对多联产技术的发展前景进行了展望,指出用煤分级利用联合循环发电系统来改造老电厂,可以提高现有电厂运行经济性及节能特性。

440t/h循环流化床锅炉颗粒物排放特性的实验研究

针对440t／h大型燃煤循环流化床电站锅炉，分别在静电除尘器（ESP）前后水平烟道进行颗粒物采样，研究不同燃烧工况变化（包括煤质、锅炉负荷、n（Ca）／n（S）和氧量）对颗粒物排放的影响。分析结果表明：静电除尘器效率随着粒径减小逐渐下降，对亚微米颗粒收尘效率不足90％，排放颗粒物中可吸入颗粒物占据较大的份额，一般在70％-90％左右；随着煤中灰分含量的增加，锅炉负荷的增加，颗粒物排放浓度逐渐增加，静电除尘效率下降；添加石灰石后颗粒物浓度明显增加，CaO对颗粒物凝并和团聚有一定作用，使得静电除尘器前粗颗粒物所占烟尘总量的百分比增加，烟尘颗粒d（0．5）从35．25μm增大到48．50μm；燃烧气氛含氧量增大时，排放颗粒物的粒径逐渐减小，PM1、PM2.5和PM10总排放量都是增大的。

尿素溶液高温热分解特性的实验研究

在一管式石英反应器上实验研究了尿素溶液的高温热分解特性以及添加Na2CO3后对相关因素的影响,实验结果表明:保持很高的尿素有效分解率时所能达到的HNCO水解率很低;尿素初始浓度、氧含量对尿素有效分解率无显著影响,而氧含量对热解气中NH3或HNCO比例也无明显影响;氧气在高温下将部分热解气体氧化成了NO,而在一定温度时的自身选择性非催化还原作用产生了部分N2O;Na2CO3可以有效地促进HNCO的水解,添加Na2CO3时,停留时间的延长,提高了HNCO的水解率,降低了HNCO水解反应所需的温度,并且停留时间越大,温度对HNCO水解率的影响就越小,而较低温度工况HNCO水解率对停留时间的敏感度相对更大。

尿素催化水解特性实验研究

在一石英管式炉上进行了尿素掺杂不同金属氧化物热解制取氨气的实验研究,比较了不同氧化物作为床料催化尿素水解制取氨气的性能。实验结果表明:纯尿素的分解不受水汽的影响,产氨率在50%左右,氨气主要生成在133～230℃区间;在水汽存在的情况下,金属氧化物的添加能大大促进尿素的分解和产氨率,氨气主要生成在133～300℃区间,产氨率可达100%。在150～400℃下对不同金属氧化物对HNCO水解的催化活性进行了实验,催化活性如下:TiO2>γ-Al2O3>沸石分子筛>SiO2。催化条件下HNCO水解反应的活化能很低,水解反应主要受传质作用的影响。流化态金属氧化物催化水解实验结果表明,γ-Al2O3具有较高的催化活性和优良的稳定性、耐磨性,更适合当作床料进行流化态催化尿素水解。

烟煤煤粉及热解产物对NO的还原特性实验研究

在固定床反应器中,不同温度下将烟煤煤粉及其热解产物分别对NO进行还原性实验,研究了热解气体、焦炭以及煤粉的还原作用。结果表明,煤粉在不同温度下析出的热解气体因组成不同而具有不同的还原性。随温度升高,热解气体和焦炭的还原效果均越好。同温度下,在反应前期热解气体对NO的还原作用优于焦炭对NO的还原作用,后期则后者优于前者。煤粉对NO的还原效果均比同温度下的热解气体或焦炭的单独还原效果好,但比各自单独还原的效果总和要差,这是因为同时存在同相还原和异相还原以及二者相互竞争的影响。煤粉还原反应的前期同相还原起主要作用,后期则异相还原起主要作用。加速煤粉热解气体和焦炭的分离有利于煤粉对NO的还原。在煤粉再燃区,没有燃烧的煤粉对NO的还原贡献更大。

煤炭清洁发电技术进展与前景

近年来,我国大气复合污染问题日益突出,燃煤是造成大气污染的主要原因之一,我国电力行业耗煤量约占全国耗煤总量的一半,实现燃煤电厂烟气污染物高效控制是重中之重。本文介绍了我国煤炭清洁发电实现超低排放的最新进展及未来发展前景。通过理论研究、技术研发及集成应用,形成了符合我国国情的燃煤烟气污染物超低排放技术路线,建立了超低排放清洁环保岛,实现了污染物排放优于天然气机组排放标准限值,为我国大气污染防治特别是高用能密度区域的污染物减排提供了一条重要出路。研究综述了近年来我国超低排放技术的示范应用情况,通过费效分析表明超低排放可实现污染物大幅度减排,具有良好的环境、经济和社会效益。未来,我国燃煤电厂还将进一步发展烟气污染物深度脱除技术及二氧化碳捕集技术,最终实现燃煤烟气污染物的近零排放,为建设全世界最清洁的燃煤电厂奠定坚实的技术基础。

加压O_2/CO_2气氛下煤粉着火特性的实验研究

研究了加压O2/CO2气氛下压力、氧浓度、煤焦结构和煤种等因素对大同烟煤和神火无烟煤着火特性的影响,并采用可燃性指数和综合燃烧特性指数评价不同压力下煤的着火和燃烧特性。加压热重实验结果表明,压力从0.1MPa升高至2MPa,着火温度先降低后升高,在1MPa下着火温度最低,燃烧特性最佳。在常压和加压条件下,提高氧浓度均可加快煤的着火。在常压下,随氧浓度提高,着火温度下降的幅度较小,但在加压时,较高氧浓度会改变着火模式,着火温度降低明显。扫描电镜分析显示加压促进煤在脱挥发分过程的破碎,提高碳氧反应速率,降低着火温度。煤的着火与煤种有关,挥发分含量较高的煤,其着火越容易。结果反映了加压富氧燃烧比常压富氧燃烧更有优越性。

频率对燃煤飞灰声波团聚影响的模型及实验验证

为研究声波团聚过程中频率的影响,基于碰撞效率修正的同向作用机理,提出一种声波团聚的新模型。通过实验对模型的计算结果进行了验证,发现该模型能很好地描述声波团聚过程。计算所得的声波团聚中的粒径分布和浓度变化与实验值基本吻合。数值模拟再现了气溶胶在声波团聚中粒径分布的变化,细颗粒逐渐团聚产生大颗粒,气溶胶总浓度降低、平均粒径增大。计算结果和实验值均表明,频率对团聚效果影响很大,声波团聚中存在最佳频率,高于或低于该最佳频率均使团聚效果迅速降低。计算结果还表明,在声波作用下,燃煤飞灰气溶胶总浓度随时间呈指数衰减规律降低。

添加H_2对选择性非催化还原影响的实验与模拟研究

在一管式石英反应器上采用实验结合模拟的方式详细研究添加H2对选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction,SNCR)过程中NOx、N2O、NH3排放以及N2转化率的影响,实验采用氨水作为还原介质。随着H2添加量的增加,实验与模拟结果均表明:脱硝温度窗口、最佳脱硝温度持续向低温方向移动,最佳脱硝效率有所降低,而脱硝温度窗口宽度则呈现出先增大后减小的趋势;N2O生成峰值逐渐升高,其生成的温度窗口主要向低温侧扩展,同时,NH3泄漏曲线也向低温方向偏移;扣除N2O影响的N2转化率最大值将低于对应的最佳脱硝效率,但达到最大N2转化率时的温度将比相应的最佳脱硝温度要略高。通过CHEMKIN软件对添加H2后的脱硝反应机制进行了分析,认为反应H2+OH=H+H2O的加强是引起脱硝特性改变的起始原因;H的大量存在间接促使了NO2作为中间产物的生成,而NO2对于脱硝效率的提高以及N2O排放的控制都是不利的。

渗铈活性焦汞脱附性能实验研究

为了提高渗铈活性焦(activated coke,AC)CeO2/AC循环汞脱除效率,研究了其在纯N2条件下热再生时的汞析出规律,发现CeO2/AC再生后释放出的汞形态基本为Hg0,大量汞在270℃左右溢出,少部分在530℃左右溢出,再生温度超过300℃时,其汞再生效率都达到了90%。CeO2/AC的汞脱附特性只与脱附温度有关,而与升温速率关系不大。表面物理结构测定证明了CeO2/AC吸附汞的过程不仅是物理吸附,也存在化学吸附。利用Boehm法和X-射线能谱分析对CeO2/AC表面化学性质检测,发现其二次脱汞效率随再生次数以及再生温度的增加而降低,其原因可以归为活性焦表面的碳在再生过程中受到烧蚀和氧化导致CeO2的损耗以及表面酸性官能团的分解;因此,选择合适的再生温度是保证CeO2/AC循环汞脱除效率的必要条件。

气固两相圆柱绕流近场特性的实验研究

采用PIV实验技术对气固两相圆柱绕流的近场特性进行了研究。通过对图像进行数据处理,发现Stokes数为0.97的颗粒与涡结构的相互作用最为强烈,在尾迹中心区流向平均速度较低,且变化幅度较大,但脉动速度和湍动能较高。而较大Stokes数的颗粒不易受涡结构的影响,流向平均速度在尾迹中心区的分布也较平缓,但脉动速度和湍动能在两侧的剪切层区较高。各种颗粒在圆柱绕流回流区的脉动速度和湍动能都要高于近尾迹区的相应值,这为颗粒的混合和稳定燃烧等提供了有利的条件。

粒度对石灰石分解动力学影响的热重实验研究

由于粒度对石灰石分解动力学影响的研究结果差别较大,因此采用多重扫描速率法和单个扫描速率法相结合的动力学方法作进一步研究。通过对5种不同粒径的石灰石进行考察,结果表明:活化能随转化率的增大而减小,随粒度的增加呈现先增大后减小的规律,Avrami-Erofeev方程控制的随机成核和随后生长模型为石灰石分解的最概然机制函数,因此该方法是可行的和可信的,也说明动力学方法的选择是重要的。

不同O2浓度下NH3选择非催化还原NO的实验和模型研究

NO的选择性非催化还原反应是燃烧过程重要的脱硝途径。文中在800~1200℃，初始浓度CNO,ini=200μmol／mol、CO2ini=0％-10％、氨氮比CNH3/CNO=1.2的情况下，进行了NH3／NO／O2的均相流反应器的实验和化学动力学模拟研究，着重研究不同氧浓度对NO和N20浓度变化规律的影响。实验结果表明，在微量氧气杂质（Co2=50μmol／mol）条件下，脱硝温度更高，而脱硝率达到了95％。化学动力学模型预测的NO和N2O浓度变化规律与实验结果非常吻合：氧浓度的升高使NH3／NO的最佳反应温度下降，同时降低脱硝的效果；N20生成浓度随着氧浓度的升高而降低，对应N2O最大浓度的温度也降低。微氧工况的N2O最大生成浓度比低氧浓度下更低，而生成温度更高。

再燃煤粉轻质挥发分动态析出特性实验研究

在一管式炉上对煤粉高温热解小分子挥发分的动态析出特性及产量、构成等进行了研究。实验选择从烟煤到无烟煤的4种煤,热解温度范围在800～1200℃。实验结果表明:随着热解温度的升高,在动态析出峰值上,HCN、C2H2、CO、H2持续增大,C2H6持续减小,而NH3、CH4及C2H4则是先增大后减小;在各物质析出产量上,HCN、CO、H2随温度而增加,CH4、C2H6随之下降,而NH3、C2H2、C2H4则存在一个最大析出值;烟煤挥发分平均分子量随温度升高而变小,无烟煤则是先变小后增大,在整体上烟煤的挥发分平均分子量要大于无烟煤。此外,在各种研究的小分子挥发分物质中烟煤的析出量均要大于无烟煤的析出量,CO、H2的最大析出量分别与煤中的氧及氢含量多少相对应。

煤分级利用多联产技术及其发展前景

20世纪以来,面对我国一次能源以煤为主、能源需求日益增长以及世界环境恶化的现实,构建资源、能源、环境整体化的可持续发展能源系统是我国能源战略方向。煤是一种复杂的混合物,作为单一用途来利用往往会造成很大浪费,如果能把以煤作为资源的多个生产工艺作为一个整体考虑,从整体利用的角度,分级转化,分级利用,实现煤炭高效低污染利用,更好地解决人们所面临的资源与环境问题。基于煤气化技术的不同,目前多联产系统的主要技术方向可以分为以下三类:(1)以煤热解燃烧为核心的多联产系统;(2)以煤部分气化为核心的多联产系统;(3)以煤完全气化为核心的多联产系统。针对我国煤碳以发电为主,浙江大学提出了新的煤分级利用多联产技术,即在煤燃烧发电前先提取液体燃料和可燃气体,剩余半焦再送锅炉燃烧,灰渣提取有价元素并用于建材生产综合利用,实现煤炭的分级利用,将大大提升煤炭的综合利用水平。计算表明,与常规的煤燃烧、焦化、气化、液化技术相比,煤炭的分级利用技术可以实现节能率10%以上,减少SOx、NOx等污染物排放50%以上。本文详细阐述了多联产装置工艺流程和运行特性。最后从联合循环发电和减排潜力等方面对多联产技术发展前景进行了展望。