不同常压流化床煤气化方案的模型预测 Ⅱ. 模型预测及分析

利用已建立的流化床煤气化模型系统地研究了不同气化方案下的流化床煤气化性能，包括空气气化、空气/蒸气气化、空气/二氧化碳气化、氧气/水蒸气气化、氧气/二氧化碳气化5个气化方案，结果表明：空气/水蒸气和氧气/水蒸气方案具有较优的气化效率和较高的煤气品质，氧气/蒸气气化方案在煤气组分、气化效率和热效率等方面比空气/蒸气气化方案更具优势。     

煤焦CO_2气化反应动力学及内扩散对气化过程的影响分析

采用热重分析仪考察了气化温度(850-1 150℃)和煤焦粒径(60、505、950、1 515、2 000μm)对常压下神木煤焦气化反应的影响。在此基础上,运用体积模型、缩核模型和随机孔模型研究了煤焦常压二氧化碳气化反应动力学,分析了内扩散对煤焦气化反应的影响。结果表明,随机孔模型能够准确预测反应速率随煤焦转化率的变化。基于本征动力学数据,通过对Thiele模数、内扩散效率因子的计算,并将其与实验效率因子相比较,发现计算效率因子能够评估内扩散对初始气化反应的影响,但不能准确评估整个气化过程中内扩散对气化反应的影响。     

循环流化床锅炉氮氧化物的生成与分解模型

在国内外研究基础上，依据循环流化床锅炉炉内氮氧化物（ＮＯ和Ｎ２Ｏ）的生成与分解特性，建立了一个以化学反应动力学为基础的炉内ＮＯ和Ｎ２Ｏ的生成和分解模型，模型有机地结合在已有的循环流化床锅炉总体数学模型之中。模型对一台７５ｔ／ｈ循环流化床锅炉炉内氮氧化物的生成和分解特性的模拟预测结果与工业试验结果吻合良好。模型的预测和工业试验表明循环流化床锅炉的氮氧化物（ＮＯ和Ｎ２Ｏ）的排放受锅炉运行参数如温度、一二次风比例等的影响，可以通过调整锅炉运行参数来控制锅炉氮氧化物的排放。     

气-固流化床反应器内双流体力学模型及其验证Ⅲ.单组分两维射流床内射流特性

在湍流两相流理论建立的双流体力学模型基础上，编写了模拟气、固相流体动力学的ＣＡＳＩＣＣ软件包。本文详细地分析了射流流化床内射流（或气泡）边界的确定方法，模拟了不同操作条件下的射流穿透深度和射流频率，所得结果与前人的经验关联式相吻合。证明了该方法可用来预测灰熔聚粉煤气化及其它与射流床相关工艺的射流特性。     

动力学控制下焦炭颗粒气化特性的模型研究

焦炭颗粒气化反应属于典型的非催化气固反应,固体结构会随着反应发生变化,颗粒的气化模型包含了体现固体颗粒表面积变化的结构因子。建立了具体的焦炭颗粒与二氧化碳气化过程的扩散 反应模型,并将研究的内容限定在动力学控制区域。该模型的特点在于其反应速率项采用了形式简单的结构因子,模型结果与随机孔模型对比后显示了很好的精确性。利用该模型考察了不同初始孔隙率的焦炭颗粒的转化率变化特性以及固定初始孔隙率下,气化温度和气化剂分压对焦炭颗粒气化的影响。     

液化石油气自然气化钢瓶中组分变化的模拟计算

根据化学相平衡原理、质量守恒定律和实际气体状态方程，建立了液化石油气自然气化过程气相和液相组分变化理论计算的模型，可对多组元LPG自然气化过程中各组分的变化进行准确的计算，同时可计算组分变化引起饱和蒸气压、热值、华白数和燃烧势的变化。     

氢气存在下煤焦水蒸气气化:Ⅱ修正随机孔模型的建立

采用热天平对神府煤1200℃快速热解焦进行常压水蒸气／惰性气气化及水蒸气／氢气气化。考察神府煤焦在875℃～950℃时与水蒸气／惰性气的气化反应和水蒸气／氢气的气化反应特性,两者的特征曲线明显不同。不加氢的水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加缓慢而均匀地下降;加氢水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加先迅速降低,而后降低较缓慢。此种形式的气化曲线以往的动力学模型很难进行模拟,研究根据随机孔模型提出了一个新的气化动力学模型。此模型拟合的数据与实验数据比较,证明了修正的随机孔模型可以更好的模拟煤焦的加氢水蒸气气化,相关系数达到0．996以上。用修正模型求得的神府煤焦加氢水蒸气气化的活化能为251．990kJ／mol,指前因子为5．97877×10^9min^-1。     

氢气存在下煤焦水蒸气气化： II 修正随机孔模型的建立

采用热天平对神府煤1200℃快速热解焦进行常压水蒸气/惰性气气化及水蒸气/氢气气化。考察神府煤焦在875℃~950℃时与水蒸气/惰性气的气化反应和水蒸气/氢气的气化反应特性,两者的特征曲线明显不同。不加氢的水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加缓慢而均匀地下降;加氢水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加先迅速降低,而后降低较缓慢。此种形式的气化曲线以往的动力学模型很难进行模拟,研究根据随机孔模型提出了一个新的气化动力学模型。此模型拟合的数据与实验数据比较,证明了修正的随机孔模型可以更好的模拟煤焦的加氢水蒸气气化,相关系数达到0.996以上。用修正模型求得的神府煤焦加氢水蒸气气化的活化能为251.990kJ/mol,指前因子为5.97877×10⁹min^-1。     

随机孔模型应用于煤焦与CO2气化的动力学研究

考察970 ℃～1 165 ℃，北宿、神府、忻州、潞安煤焦与CO2在热天平中的气化反应，用恒温法进行热重分析，考察煤种、气化温度、灰分对煤焦气化的影响。用随机孔模型模拟北宿煤反应速率与碳转化率的关系曲线，与未反应芯缩核模型和混合模型模拟结果比较。在化学控制区内，实验数据用随机孔模型拟合最佳。1 066 ℃和1 165 ℃气化数据拟合的相关系数为0.99，970 ℃拟合效果较差。随机孔模型作为简单、精度高的模型可应用于煤炭气化反应中。应用此模型计算四种煤焦反应活化能、指前因子、孔结构参数、A0等动力学参数值。同一煤种气化反应温度越高初始反应速率越大，结构参数体现了孔结构变化对反应的影响，随着温度的升高值减小。     

喷嘴式分布器射流流化床的模拟研究

在D300mm喷嘴式分布器射流流化床上利用双流体模型结合颗粒动力学理论对空隙率分布进行了模拟计算。模拟结果与实验结果吻合较好。在此基础上运用该模型预测了不同喷嘴仰角对床内空隙率分布的影响规律。预测结果表明,喷嘴仰角改变将会影响床层空隙率。     

流化床生物质与煤共气化特性的初步研究

在热天平和流化床实验装置中研究了生物质与煤的共气化特性，采用程序升温热重法对稻秆焦、高粱秆焦、玉米秆焦和神木煤焦以及生物质焦与煤焦混合物进行水蒸气气化研究。结果表明，生物质焦和煤焦的反应活性依次增大，其顺序为高粱焦>稻秆焦>玉米焦>神木煤焦。一定温度下，生物质焦与煤焦混合物的气化碳转化率高于各自气化碳转化率的加和。在流化床气化实验中，比较了单独煤气化与稻秆/煤混合物气化的结果，实验结果表明，混合物气化碳转化率、气体中可燃组分的体积分数均高于单独煤气化，气体中CO2的体积分数低于单独煤气化CO2的体积分数。     

有指导的正交投影技术结合斜率/截距校正法实现小试水分近红外定量模型向中试传递

针对小试制剂过程建立的近红外定量模型难以直接应用于中试或大生产过程中的问题,该文以小试和中试条件下多批次药用糊精流化床制粒过程为载体,在线采集其近红外光谱数据并测定水分含量,建立小试过程水分近红外定量模型,提出并应用有指导的正交投影技术结合斜率/截距校正的模型传递方法跨尺度预测中试样本,使中试两个测试集A和B的水分相对预测误差分别由51.04%和26.64%降至4.90%和3.99%,显著提高了模型预测的准确度。将该结果与无指导的正交投影技术结合斜率/截距校正法以及模型更新相比较,该方法能更加有效地去除待测样本光谱中的干扰信息,适用范围广,为小试建立的模型放大应用到中试甚至大生产过程提供了新方案。     

恒温条件下DAEM模型新型理论分析及其应用

本文给出了恒温条件下DAEM模型的最新理论阐述，得出了反应过程中活化能的解析表达式，并给出了得到反应过程中活化能变化曲线的具体步骤。对两种中国煤的气化行为进行的解析结果表明，该方法能够很好地反映气化过程中活化能的变化情况，解析结果能够与常规气化动力学的解析结果吻合。     

正癸烷热解的小规模化学动力学机理模型

正癸烷是目前常用的吸热型燃料的替代组分, 但是其热解机理的研究迄今还很少, 且现有的少数几个机理由于规模庞大使用不便. 本文首先构建了一个包含33种组分和75个基元反应的正癸烷热解动力学机理模型(Mech33); 随后, 在该机理的基础上进一步通过灵敏度分析得到影响主要热裂解组分生成的速率控制步, 并采用局部平衡和稳态假设对Mech33机理简化得到了规模更小的、仅包含22种组分和59步反应动力学机理模型(Mech22). 在较宽的温度和压力范围内对流动反应器及激波管中正癸烷热解过程进行了数值模拟, 并与实验数据进行了对比, 结果表明, Mech33和Mech22两个动力学机理模型都能够很好地描述正癸烷热裂解过程,并准确预测主要热裂解产物的浓度分布, 为进一步实现化学反应与计算流体力学(CFD)耦合的工程计算提供了有价值的动力学机理模型.     

生物质洁净能源研究中的流化床动力学模型

分别对最小流化床、鼓泡流化床和腾涌流化床及相应的全混模型、鼓泡模型、气泡汇集模型等加以综述,分析其优缺点,并在此基础上提出动力学模拟研究的新思路.根据流化床内在的本质--流化态的不同,将流化床分为最小流化床、鼓泡流化床和腾涌流化床三种.总结了前人针对各种流化床提出的全混模型、鼓泡模型、气泡汇集模型等思想,建议今后可以在以下几个方面进行深入研究: ⑴使得模型更有普适性.⑵由于气泡有效直径尚不能在理论上求得,可以在理想气泡直径变化公式的基础上,加入非线性化学的计算.⑶确定不同情况下的参数,使得工作更有延续性,也使得模型更加具有生命力.⑷从高压的角度去进行模型的计算,并得到相应的试验数据支持.     

PVC塑料流化床气化试验研究

为开发城市生活垃圾低污染流化床气化与旋风燃烧熔融技术，研究了垃圾中广泛存在的PVC塑料在流化床内的气化特性与污染物生成机理。不同温度和过量空气系数下进行了流化床PVC气化试验，分析了不同工况对PVC中Cl转化为HCl的影响。实验结果表明，反应高于600 ℃、过量空气系数大约0.4时，Cl转化为HCl的选择性达到95％以上；气化效率达到22％～25％，气化气热值达到2 000 kJ/m3～2 300 kJ/m3。反应高于700 ℃，PVC流化床气化生烟量明显减少，过量空气系数0.6时，生烟量减少到PVC质量的10％左右。提出的HCl析出与生烟机理较好地解释了试验结果，为城市生活垃圾气化熔融技术提供了相关基础数据与污染物生成及控制方法。     

煤焦催化气化活性位扩展模型的研究

针对煤催化气化反应中传统的煤气化动力学模型不再适用或应用范围受到限制的现实，从催化作用机理分析入手，以煤焦CO2催化气化为研究对象，建立了描述气化反应速率与转化率关系的动力学模型——活性位扩展模型。并以KCl催化剂及K-Ni(10%Ni)复合催化剂作用下神府煤焦CO2气化的实验结果对模型进行验证。结果表明，活性位扩展模型很好地体现了煤焦催化气化的动力学规律，即催化剂的添加，有效地增大了反应界面处的活性部位和活性表面积，使气化反应在更温和的条件下快速进行；模拟值与实验值吻合较好，最大偏差10%。由于反应初期的传质阻力不可忽略，实验值与模拟值存在一定误差。     

循环流化床(CFB)煤/焦气化反应的研究Ⅲ.同鼓泡流化床(BFB)气化反应的对比

为了更进一步了解ＣＦＢ气化能力和碳利用率，本文报道了两种煤焦（西山焦煤飞灰，神木煤）以二氧化碳及氧气混合物为气化介质，在小型鼓泡流化床上进行气化反应的研究，并与相同气化条件下的循环流化床气化数据进行了比较。研究结果表明：在相同直径气化反应装置上，相同的气化条件下，循环流化床（ＣＦＢ）的气化碳转化率、气化强度远远高于鼓泡流化床（ＢＦＢ）的气化结果，但ＢＦＢ的煤气中可燃气组成高于ＣＦＢ的。ＣＦＢ气化反应装置更适合于生产中、低热值煤气。     

气化介质对生物质多孔床料流化床气化产气特性的影响

在自制小型常压流化床内采用多孔介质为床料,对生物质进行气化实验,分别考察了富氧气氛下温度和氧气浓度、水蒸气气氛下温度和水蒸气流量及不同种类床料对生物质产气特性的影响。结果表明,多孔床料下气化产气中可燃气体积分数随气化温度的提高而增大;随氧气浓度的增加,产气中H2的体积分数从14.52%增加到19.71%,CO的体积分数从43.41%降低到36.41%;气化剂水蒸气流量对生物质气化影响存在最佳范围;多孔床料种类不同对H₂和CO的生成以及对低碳氢化合物（C_xH_y）的催化裂解强度的促进作用也不同。     

煤催化气化中非均相反应动力学的研究

以神木煤焦为研究对象,在小型加压固定床上考察了不同气化剂(水蒸气、二氧化碳、氢气)、催化剂负载量、水蒸气分压、氢气分压和一氧化碳分压对碳转化率和气化反应速率的影响。结果表明,对于非均相的催化气化反应来说,反应速率顺序为C-H2OC-CO2C-H2。H2和CO不同程度地抑制煤焦水蒸气气化反应,CO的抑制作用明显大于H2。在700℃,当添加5%的CO,碳转化率降低约50%。基于Langmuir-Hinshelwood(L-H)方程,结合随机孔模型,同时考虑催化剂负载量及气化产物分压的影响,建立了煤焦催化水蒸气气化动力学模型,模型预测反应速率常数与实验值误差在10%以内,说明建立的动力学模型可以较好地模拟煤焦的催化水蒸气气化反应过程。