生物质定向气化制合成气—气化热力学模型与模拟

通过对气化炉内反应的热力学模型构建和模拟,探讨了实现生物质定向气化为合成气(H2∶CO=2∶1) 的条件,以便使用该合成气直接合成液体燃料—甲醇.在考虑气化过程中物质平衡、能量平衡和化学反应平衡的 基础上,建立了生物质气化模型,并使用PASICAL语言及其外挂DELPHI程序,编写了FBGB程序,用于模拟生物 质、水蒸气输入量与产气中各种气体组分含量之间的关系.通过模拟,发现水蒸气与生物质输入速率的比值 (S/B)是影响H2/CO值的关键参数.模拟结果显示当其它反应条件确定时,S/B与H2/CO呈线性递增关系,通 过调节S/B,H2与CO的比例可以得到控制.     

基于CO_2吸收增强气化的氨电联产操作条件分析

本文以煤和低浓度煤层气为原料,采用CO_2吸收增强气化,在造气工段制得φ(H_2)/φ(N_2)=3、φ(CO_2+CO)≤0.30%的粗煤气,直接进入气体精制岗位,并取消常规制气的补氮过程或替代空气气化;采用单元建模和流程模拟的方法对系统可行性和适宜操作条件进行分析;预报煤和煤层气共气化的产物分布,提出满足精制岗位进口气体品质要求的制气温度、压力、水煤比、钙煤比和煤气流量等参数;分析循环倍率对合成氨产量、系统净输出功等参数的影响,得到实现系统能量自平衡、且合成氨能耗最低的循环倍率。理论分析表明,该流程可用于合成气制备及氨电联产。     

太阳能驱动的生物质气化发电系统研究

本文提出一种基于太阳能驱动生物质气化的新型发电系统,利用塔式定日镜场聚光产生1000~1500 K高温太阳热能驱动生物质进行气化反应,并集成先进燃气-蒸汽联合循环发电系统高效利用气化合成气。对该系统进行了热力学性能分析,结果表明:与常规生物质气化方式相比,通过驱动生物质发生气化反应,不仅将间歇性的太阳能转化为稳定的合成气化学能,并增加了气化合成气的化学能,同时合成气中的H_2和CO的摩尔含量之比在气化温度为1000~1500 K时达到1.65~2.44,有利于直接合成甲醇等清洁液体燃料。在设计工况下,系统的太阳能热功转化效率将达到23.68%,随着气化反应温度的升高,系统的太阳能份额和输出的电功率增大,系统的总热效率和总效率均下降。研究成果将为高效利用我国西部丰富的太阳能与生物质能提供一条有效途径。     

湿法液柱喷射烟气脱硫反应的实验研究

湿法液柱烟气脱硫技术是基于简易湿法石灰-石膏烟气法开发的新型湿法脱硫技术,本套设备在2000-2001年问进行了工业级示范实验运行,得到了湿法液柱脱硫反应的一些基本数据与规律。本文主要探讨了湿法液柱脱硫系统中液气比、吸收塔浆液pH值、烟气温度和烟气中SO2含量等工艺参数对系统脱硫效率的影响规律,并进行了初步的机理分析,为进一步的改进湿法液柱烟气脱硫系统的工艺奠定了基础。     

焦炭和甲醇/动力多联产系统集成与特性

本文提出了一个新型的焦炭和甲醇/动力多联产系统,新系统在焦炉子系统中采用煤炭燃烧替代焦炉煤气燃烧;在合成气制备过程采用焦炉煤气与气化煤气共制合成气,取消了重整反应和变换反应;在合成单元中采用了部分未反应气再循环方式.新型联产系统具有较高的热力性能,系统节能率高达22%.对新系统的(火用)分析结果表明:采用煤炭燃烧替代焦炉煤气燃烧,取消重整单元,以及合成煤气与焦炉煤气共制合成气是系统性能提升的关键所在.总之,新系统进一步拓展了煤基多联产,将为洁净煤技术指引一个新的方向.     

基于光闪烁法的烟气流速反演和路径加权函数的分析

为了对工业管道排放的污染气体的流速进行连续监测,设计了一种双路平行对射式烟气流速测量系统,并对基于光闪烁法测量烟气流速的相关理论进行了研究.利用相位屏技术对湍流介质中的光闪烁现象进行了理论分析,得到了用于工业管道烟气流速反演的光闪烁互相关的表达式.对烟气流速反演过程中平均流速的路径加权问题进行了探讨,给出了路径加权函数,数值模拟表明路径加权函数具有近似高斯线型的轴对称分布特性,反映出管道中心流速对于平均流速的较大贡献.在此基础上,分析了光源光谱对路径权重函数的影响,实验证明由于光源光谱具有一定的带宽,使得路径加权函数值有一定的变化,但加权函数的分布形状保持不变.对于平均流速的路径加权函数的分析为计算工业管道中烟气流速的空间分布提供了依据.     

基于光闪烁法的烟气流速反演和路径加权函数的分析

为了对工业管道排放的污染气体的流速进行连续监测,设计了一种双路平行对射式烟气流速测量系统,并对基于光闪烁法测量烟气流速的相关理论进行了研究.利用相位屏技术对湍流介质中的光闪烁现象进行了理论分析,得到了用于工业管道烟气流速反演的光闪烁互相关的表达式.对烟气流速反演过程中平均流速的路径加权问题进行了探讨,给出了路径加权函数,数值模拟表明路径加权函数具有近似高斯线型的轴对称分布特性,反映出管道中心流速对于平均流速的较大贡献.在此基础上,分析了光源光谱对路径权重函数的影响,实验证明由于光源光谱具有一定的带宽,使得路径加权函数值有一定的变化,但加权函数的分布形状保持不变.对于平均流速的路径加权函数的分析为计算工业管道中烟气流速的空间分布提供了依据.     

利用低温烟气余热的吸收-压缩复合热泵系统

针对工业过程中大量低温烟气直接排放带来的能源浪费和热污染问题,本文提出一种吸收-压缩复合热泵系统,回收200℃以下的低温烟气余热,制备0.5 MPa工艺蒸汽。该系统将热压缩和机械压缩有机结合,利用烟气高温段余热驱动热压缩过程,替代了部分机械压缩耗功,烟气低温段余热用于氨液在蒸发器的气化,氨气在吸收器中被稀氨水吸收,放出的热量用于生产工艺蒸汽。建立了系统热力学模型,模拟了系统设计工况的热力性能,每100 kW低温烟气,仅需耗电4.81 kW,便可制得25.33 kW高温热量(高于152℃)。进一步研究了发生压力、浓溶液质量分数,精馏塔塔顶温度对系统性能的影响,为系统热力性能优化提供了理论依据。本研究为利用低温工业余热制备工艺蒸汽提供了一种新方法。     

纸类废弃物流化床热解气化研究

为开发低污染城市生活垃圾气化熔融处理技术,对城市生活垃圾中广泛存在的废纸组分进行了流化床热解与气化试验.在400～700℃、过量空气系数0～0.8的范围内,分析反应产物特性及其变化规律.结果表明,随热解温度的提高,热解油与热解气产量增大,热解炭产量减小,热解温度达到600℃及以上时,热解气产量达到60%左右;气化温度700℃、过量空气系数0.6时,气化效率最高,达到32%,此时气化气热值为2150 kJ/Nm3,固定碳转化率80%,气化气产率为2.3 Nm3/kg.     

铁矿石载氧体生物质化学链气化实验研究

本文以铁矿石为载氧体,在小型流化床上分别考察了载氧体存在、气化温度和O/C摩尔比三个因素对生物质化学链气化过程的影响。试验表明,载氧体的加入提高了碳转化率,却略微降低了合成气产率。气化温度升高,碳转化率和合成气产率相应增大,CO和H_2产率升高,而CO_2和CH_4产率则呈单调递减的趋势。随着O/C摩尔比的升高,碳转化率变大,但所供给的氧量有所提升,导致了合成气产率的下降。     

生物质气化-天然气重整-甲醇动力多联产系统特性分析

本文根据生物质能源具有的自身特点,提出一个适合生物质能源利用的新型多联产系统.在原有天然气基甲醇生产系统中增加生物质气化子系统,充分利用天然气-水蒸气重整与生物质气化制取合成气中碳氢有效成分互补的特点,通过合理配气满足最佳的甲醇合成要求,因此屏蔽掉了变换,补碳,脱碳等分产必需的工艺过程,同时借助动力系统实现未反应气的合理利用,在满足较高的甲醇产率前提下降低了化工产品能耗,动力系统借助化工过程克服燃料燃烧过程品位损失过大的难题,是组分对口分级转化能量梯级利用的本质体现.针对不同天然气生物质输入比情况下合成气一次性通过,以及最佳输入比情况下未反应气适度循环两种方案,本文分别进行了深入分析,具有8%～14%的节能潜力.为生物质能的高效应用以及缓解能源危机提供了一条有效的途径.     

煤粉加压气流床气化特性实验研究

煤气化技术由于具有高煤炭利用率和低污染排放,近年米得到快速发展.我国煤种灰熔点普遍偏高,约占保有储量的57%,无法满足现有液态排渣气流床气化技术的需要.为扩大该技术对我国高灰熔点煤种的适应性,本文在25kg/h规模的加压气流床气化装置上,对我国高灰熔点煤种进行了气化特性实验研究.研究结果表明:高温有利干气化反应向吸热方向进行,碳转化率升高,但过多氧气存在,使得气化炉内燃烧份额增加,导致合成气中 CO2和H2O的含量升高,CO、H2含量降低,冷煤气效率下降,因此,存在最佳气化温度.本实验条件下,最伟气化温度为1300～1350℃;1350℃连续运行1小时30分,此时气化炉底部和旋风分离器内的灰渣,整体上仍以固态形式存在,只有灰中部分低熔融成分发生熔融,其熔融部分在数μm左右.     

移动床内合成气化学链燃烧反应的实验研究

近年来,全球变暖带来的一系列问题,减少温室气体CO_2排放已成为全世界关注的焦点。化学链燃烧技术作为一项有前途的CO_2分离技术,已成为各国研究的热点。本文搭建了移动床反应器实验台,对以烧结矿为载氧体的合成气化学链燃烧反应过程进行了研究,获得了稳态工况下气体浓度随床高的变化趋势,并分析了反应温度、烧结矿颗粒粒径、气固流量比对反应的影响。结果表明:自移动床底部到顶部,还原气体浓度逐渐下降;随着温度的升高,合成气转化率有明显的提高;烧结矿载氧体颗粒粒径减小,合成气转化率增加;气固流量比的减小可提高合成气转化率。     

基于化学链燃烧生物质煤互补的天然气动力联产系统研究

针对传统煤制天然气过程存在的能量利用不合理、碳捕集能耗过高等技术瓶颈,本文探索了一种能实现CO_2零排放的基于化学链燃烧的生物质煤互补天然气动力联产系统。生物质与煤互补从气化源头调节了合成气中H_2/CO比例,有利于甲烷化反应过程,化学链燃烧实现了零能耗的CO_2捕集。研究结果表明:系统总能效率(η_(en))为57.03,效率(η_(ex))为54.65,系统能源节约率高达18.6,实现了系统CO_2零排放。分析了关键参数如氧气碳比(O/C)、蒸气碳比(S/C)、生物质煤互补比例和未反应气循环倍率对系统热力学性能的影响。     

纤维素、木质素含量对生物质热解气化特性影响的实验研究

本文采用化学方法测定了六种生物质中纤维素和木质素的含量,通过热重研究了实际生物质及用纤维素、木质素按一定比例混合模拟生物质的热解和气化特性,并结合电子扫描电镜(SEM)对焦样进行了微观形貌分析.结果表明:在本文所选择的生物质中纤维素的含量高于木质素,两者一般在55%～85%和10%～35%.生物质热解分为纤维素热解和木质素分解两个阶段,应于气化过程中挥发份析出和焦炭气化.在热解过程中,首先纤维素发生热解呈现快速失重过程,接着木质素缓慢热解.实验发现生物质中纤维素含量越高,热解反应速率就越大;反之,木质素含量越高,热解反应速率越小.通过对焦形貌与气化研究,发现气化特性与生物质中纤维素和木质素的含量有着密切联系.因此纤维素、木质素含量是影响生物质热解气化特性的重要因素之一.     

基于改进颗粒凝结方程模拟生长管内微细颗粒凝并与脱除

微细颗粒严重危害人类健康与环境,针对湿法烟气脱硫系统后烟气中微细颗粒浓度不降反升,湿式相变凝并技术是脱除烟气中微细颗粒物的新技术。本文首先考虑颗粒性质的不同以及颗粒与载流气体的速度差造成颗粒凝结长大速率不同,改进了颗粒凝结长大解析式并建立了颗粒凝并长大数学模型;其次,在普通生长管中加装两层旋流装置,以增加颗粒的离心力与烟气湍流强度;最后,采用CFD方法对普通生长管与旋流生长管流场进行数值模拟。结果表明:采用改进后的颗粒凝并长大数学模型能更准确地模拟生长管内微细颗粒凝并长大特性,模拟结果为试验测量值的88.2%,比原数学模型模拟精度提高了 11.3%;对比旋流生长管与普通生长管,烟气在旋流生长管内不仅停留时间长,而且可以获得较高且均匀的过饱和度,有效促进了微细颗粒凝并长大;旋流生长管对微细颗粒的数量浓度脱除效率高达65.8%。     

水煤浆与干粉给料方式两种IGCC系统的(火用)分析

通过将煤气化过程与联合循环系统相结合,IGCC成为目前最有发展前途的洁净煤技术之一.但以往对IGCC系统的研究多集中联合循环或气化过程本身,而忽略了气化效率对系统整体性能的影响.为揭示气化过程与系统性能之间联系,本文对Texaco与Shell公司的两个IGCC系统实例分别进行了流程模拟和(火用)分析,并着重从热力学角度比较了系统煤气化部分的差异对系统整体性能的影响,得出结论:Shell煤气化技术与Texaco煤气化技术相比,气化过程的(火用)损失相对减小15%,冷煤气效率提高2.6个百分点,系统热转功效率上升2.1个百分点.本文研究成果为IGCC系统进一步改进提供了热力学基础理论支撑.     

热子动力学模拟方法

提出热子动力学模拟方法,以理想气体中的热质粒子即热子为模拟对象,建立热子间的碰撞模型,统计可获得热子气系统的热力学性质,实现对热质的直接模拟.基于该方法,对氩热子气的平衡态系统和非平衡态系统进行模拟计算,模拟计算的热子气的状态方程同理论表达式一致,准确得到了氩气热导率在微纳尺度下的变化规律,验证了热子动力学模拟方法的可行性.     

管状燃烧器中低热值预混气的燃烧特性

实验研究了低热值CH₄/N₂/Air预混气在旋流管状燃烧器中的燃烧以及污染物排放特性。固定过量空气系数为1.17,通过调节N₂比例得到热值在3.6～5 MJ/m³之间的低热值预混气。结果表明,管状火焰半径随预混气热值降低而减小,当热值小于一定值时,燃烧器的燃烧效率急剧下降,烟气中CO含量大量增加,但NO_x含量始终很低。     

气液混输管线与立管系统严重段塞流数值研究

针对气液混输管线与立管系统严重段塞流问题, 采用严重段塞流形成条件一致的等效原则, 发展了一种将三维管道系统等效为二维管道系统的计算流体力学(CFD)数值模拟方法. 以文献中某下倾管与立管组合系统为对象, 结合其实验工况, 对严重段塞流气液流动过程进行了数值模拟, 获得了其周期、压力波动幅值及喷发时间等关键参数的变化规律, 数值模拟与文献所述实验结果符合. 在此基础上, 建立了立管入口气液折算速度、立管含气率以及立管出口平均速度的理论模型, 获得了这些关键参数随时间的变化规律, 并给出了确定立管内气液流型变化的理论方法, 理论结果与CFD数值模拟结果一致. 建立的CFD方法大幅缩减了严重段塞流数值模拟所需的时间和资源, 推导的理论模型揭示了严重段塞流特性参数之间的关联, 可以对严重段塞流所引发的危害进行快速评估及预测,具有一定的工程应用价值.