生物质在流化床中的空气-水蒸气气化研究

以流化床为反应器，对生物质的空气-水蒸气气化特性进行了研究。考察了一些主要参变量，如温度 (700 ℃～900 ℃)、水蒸气/生物质比(0～4.04)、空气当量比(0.19～0.27)以及生物质粒度(0.2 mm～0.9 mm)等对气化结果的影响。在实验研究的条件范围内，生物质产气率在1.43 m3/kg～2.57 m3/kg范围内变化，产气的低热值在6 741 kJ/m3～9 143 kJ/m3范围内变化。实验结果表明：较高的气化温度有利于氢的产生；但气化温度过高会使气体热值下降；与常规的空气气化相比，水蒸气的加入使生物质气化产气率显著提高，但水蒸气加入量过多使气化温度下降，产气率和产气热值降低；生物质颗粒粒度的大小对产气组分的分布和产气率均有影响，较小颗粒的生物质会产生较多的CH4、CO和较少的CO2。     

生物质与石油焦共气化特性的研究

在内径为50mm,高约950mm的固定床反应器上对生物质与石油焦共气化特性进行了研究。研究了气化模式、石油焦添加比例、添加方式、粒径大小及气化温度对气化效果及焦油量的影响。结果表明,石油焦可以起到催化裂解生物质焦油的作用。随着氧气的体积分数从2%增加到15%时,气体的热值从5.35MJ/m³降低到2.98MJ/m³。在气化温度为700℃时,四种氧气含量下生物质单独气化时焦油产率平均值为6.4%,气体热值为4.31MJ/m³;生物质和石油焦混合气化时焦油产率平均值为2.9%,气体热值为5.19MJ/m³。石油焦的最佳添加比例为1∶1。生物质和石油焦不混掺焦油的产率最大,混掺其次,石油焦提前加入效果最好。随着添加石油焦粒径的增大,石油焦对生物质气化焦油的裂解率逐渐降低。在两种气化模式下,随着气化温度的升高,焦油的产率均逐渐降低。     

循环流化床生物质气化炉内计算流体动力学模拟——鼓泡流化床内改进的颗粒床模型（英文）

采用改进颗粒床模型的CFD方法模拟了实验室规模冷模装置内鼓泡床的流体流动时空特性。模拟结果表明表观气速是影响气固动态特征和压力波动的主要因素之一：随表观气速的增大，气泡数目增加，气泡体积增大，压力波动增强；气速越高时均压降越大；在内循环鼓泡流化床内固体颗粒呈“单室”流型。上述与实验观察相吻合的模拟结果将有助于放大和设计商业化的内循环流化床生物质气化炉。     

木屑在鼓泡流化床和循环流化床中气化特性的对比研究

对木屑在内径分别为0.3m×0.3m的鼓泡流化床气化炉（BFBG）和内径0.4m的循环流化床气化炉(CFBG)中的气化特征进行了对比，重点考察了当量比对生物质气化特性的影响。实验结果表明,在相同当量比下，由于CFBG操作气速明显高于BFBG，床内强烈的气固传热传质，使得CFBG可以获得较高的热解速率,同时可以使 CFBG在较高温度下运行。较高的运行温度不仅有利于二次裂解气化反应，使可燃气体质量明显好于BFBG，同时也减少了燃气中焦油的量。在较低气化当量比下(ER≤0.28)，CFBG比BFBG可以获得更高的气体产率、碳转化率和气体效率;在较高当量比下,(ER＞0.28)，CFBG和BFBG的气体产率、碳转化率和气体效率则相差不大。     

神华煤流化床气化带出细粉的粒径分离及分离后细粉的CO_2气化特性研究

按粒径将神华煤流化床气化带出细粉(简称细粉)依次筛分为七个组分。采用工业分析仪、元素分析仪、热重分析仪、X射线粉末衍射仪、物理吸附仪等对各组分细粉的基本物化特性、CO2恒温和程序升温气化行为进行了考察。在此基础上,对气化活性差异及其原因进行初步探索。结果表明,细粉经历部分气化后,由于挥发分的析出,细粉的固定碳含量较原煤高,但较相应半焦低。细粉的粒径分布范围较宽,呈近似"M"形分布。随细粉粒径减小,灰分含量增大,而含碳量减少。CO2恒温气化与程序升温气化获得的气化反应活性顺序一致:均随细粉粒径的减小先逐渐降低而后又逐渐升高。不同细粉气化反应活性的差异与其自身的石墨化程度及灰分含量有关,而在研究实验条件下与孔径结构关系不大。     

循环流化床(CFB)煤/焦气化反应的研究Ⅱ.温度、氧含量及煤种对CFB气化反应的影响

报道了两种煤／焦（西山焦煤飞灰、神木煤），在小型循环流化床（ＣＦＢ）气化反应装置上，以二氧化碳及氧气混合物为气化介质，在不同条件（９００～９７０°Ｃ，０～３０％氧含量）下的气化反应的研究。结果表明，提高气化温度，气化反应速度提高，尾气中可燃气体浓度（ＣＯ，Ｈ２，ＣＨ４）、碳转化率及气化效率明显提高。气化介质中的氧含量增加，ＣＯ浓度、碳转化率及气化强度明显增加。反应性高、挥发分多的煤种更适合在ＣＦＢ气化反应装置上进行气化反应。     

粒径对不同煤阶煤焦气化反应活性的影响研究

选取气流床气化炉所使用不同煤阶的八种煤焦,通过多级筛分制得单分散煤粉样本,利用热重分析仪考察了气化温度、煤焦粒径对不同煤阶煤焦CO_2气化反应的影响。对比了不同碳转化率阶段下的反应差异,并讨论了高碳转化率阶段的情况。研究表明,随着煤阶的升高,煤焦碳微晶结构更为有序,其气化活性也随之降低。煤焦粒径对气化反应的影响与煤阶有关。对于无烟煤,平均粒径300μm的无烟煤煤焦转化率达到95%所需时间可达40μm煤焦的7倍;对于褐煤与烟煤,由于其孔隙结构较为发达,粒径变化对煤焦气化活性的影响并不明显。综合煤阶、气化温度、煤焦粒径对气化反应活性的影响发现,相较低阶煤,提高气化温度、减小煤焦粒径能够更有效地提升高阶煤气化反应活性。     

龙岩煤不同宏观煤岩组分的热破碎性质研究

用筛分和浮选法对龙岩煤进行分选, 得到不同粒径、不同宏观煤岩的龙岩煤颗粒。在热天平上进行热解破碎研究,并在自制的小型流化床上进行燃烧破碎试验。结果表明,亮煤与灰煤均发生一次破碎, 破碎后生成许多细小颗粒, 其中粒径0.8mm以下的细颗粒占多数;暗煤则不发生一次破碎。随着升温速率和颗粒粒径的增大, 一次破碎变得较为剧烈;颗粒性质、颗粒粒径、炉床温度和燃烧时间等因素对龙岩煤在流化床燃烧中的破碎均有重要影响。亮煤与灰煤因结构致密, 颗粒中大孔隙少, 显微硬度大, 灰分少等原因使得它们在燃烧中发生严重破碎;而暗煤颗粒则因相反的原因不发生破碎或仅发生轻微破碎。粒径越大, 炉床温度越高, 燃烧时间越长, 破碎越剧烈;亮煤与灰煤在燃烧中均发生了二次破碎, 其中亮煤的二次破碎更剧烈;燃烧后期, 亮煤的颗粒破碎比灰煤更快;由于破碎, 入炉煤颗粒平均粒径在燃烧早期迅速减小, 而后随着燃烧的进行而逐步趋于一个稳定值;亮煤在流化床燃烧中服从等密度燃烧模式, 暗煤服从等直径燃烧模式, 而灰煤则服从混合燃烧模式。     

天然铁矿石为氧载体的生物质化学链气化制合成气实验研究

在一个小型鼓泡流化床反应器上以Ar气为流化介质,对以天然铁矿石为氧载体的生物质化学链气化制合成气过程进行了研究。考察了反应温度对合成气组分、气体产率、碳转化率以及气化效率的影响,反应时间对合成气组分的影响;探讨了氧载体存在对生物质气化过程的影响。结果表明,天然铁矿石可以作为生物质化学链气化制合成气反应过程的氧载体,代替富氧空气或高温水蒸气作为生物质气化的气化剂;随着温度的升高,产物气体中CO、H₂的浓度逐渐增加,CO₂、CH₄浓度缓慢降低;随着反应时间的延长,合成气中H₂、CO、CH₄的相对浓度缓慢增加,而CO₂相对浓度逐渐降低;氧载体的存在能显著提高气体产率和碳的转化率及气化效率。扫描电镜-能谱(SEM-EDS)分析表明,当超过850 ℃时,铁矿石氧载体颗粒表面烧结现象明显,但反应前后,颗粒表面的成分及含量基本保持不变。     

流化床中生物质热解气化的模型研究

对水蒸汽和氮气流化条件下，流化床内生物质热解气化生成的纯煤气产率及低位热值随反应温度的变化特性进行了研究。在五种生物质原料实验数据的基础上，进一步研究了流化床内生物质热解气化生成气体产物的反应动力学模型，得到了纯煤气产率和热值的计算公式，并推荐了循环流化床条件下生物质热解的计算方法。     

福建无烟粉煤纸浆黑液富氧流化床催化气化研究

在实验室小型流化床反应器中研究了福建龙岩无烟粉煤纸浆黑液富氧催化气化的特性，考察了纸浆黑液催化剂添加量不同时氧体积分数变化对碳转化率、产气率、煤气组成与热值的影响。结果表明，纸浆黑液催化和富氧气体燃烧的双重作用明显地提高了煤的碳转化率和煤气有效组成；纸浆黑液中钠碱对煤焦气化的催化与对煤灰分中SiO2和Al2O3等氧化物的熔制反应同时发生并存在着竞争；纸浆黑液中钠碱对高温碳与气化剂之间多种反应表现出不同程度的促进。龙岩无烟粉煤在纸浆黑液富氧催化气化时适宜操作条件是氧的体积分数40％和蒸汽/富氧比为1.4kg/m3～2.0kg/m3。碳转化率94％、煤产气率为3.62m3/kg、煤气热值为7.33mJ/m3。     

现代煤气化技术的开发与进展

评述了现代煤气化技术开发现状，对加压固定床气化，流化床气化，水煤浆气流床气化和干粉气流床气化典型代表技术的发展进行分析。结合热力学和动力学分析提出了未来煤气化技术发展的原则。鉴于目前制氧成本仍然是制约煤气化技术发展的最大因素，认为一方面应加速高效廉价的大规模制氧技术的开发，另一方面要注重氧耗低的气化技术的开发，重视过程集成概念和技术经济的优化。理论分析和已有研究表明粉煤/块煤双粒级进料液态排渣固定床气化、两段（多段）进料干粉气流床气化、流化床部分气化与气流床气化或CFB燃烧集成技术具有各自特点和良好的发展前景。     

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。     

Numerical Modelling of Wood Gasification in Thermal Plasma Reactor

Biomass gasification for synthesis gas production represents a promising source of energy based on plasma treatment of renewable fuel resources. Gasification/pyrolysis of crushed wood as a model substance of biomass has been experimentally carried out in the plasma-chemical reactor equipped with gas–water stabilized torch which offer advantage of low plasma mass-flow, high enthalpy and temperature making it possible to attain an optimal conversion ratio with respect to synthesis gas production in comparison with other types of plasma torches. To investigate this process of gasification in detail with possible impact on performance, a numerical model has been created using ANSYS FLUENT program package. The aim of the work presented is to create a parametric study of biomass gasification based on various diameters of wooden particles. Results for molar fractions of CO for three different particles diameters obtained by the modeling (0.55, 0.52 and 0.48) at the exit are relatively good approximation to the corresponding experimental value (0.60). The numerical results reveal that the efficiency of gasification and syngas production slightly decreases with increasing diameter of the particles. Computed temperature inhomogeneities in the volume of the reactor are strongest for the largest particle diameter and decrease with decreasing size of the particles.     

水蒸汽流化条件下的煤气化实验与模型研究

本文在实验室条件下对赤峰的两种褐煤进行了煤热解气化实验研究，考察了气化室温度和流化状态等实验条件变化对煤气产率，组分的影响，得到了具体条件下的煤气化综合过程实验数据。     

工业废碱催化剂MA与煤混合浸渍干燥的研究

以转筒干燥方式考察了福建无烟粉煤与工业废碱催化剂MA同时进行混合浸渍与干燥脱水的过程，讨论了煤的粒径，干燥温度，时间、气速、转筒转速、催化剂含量和转筒处理量等因素对煤与催化剂混合浸渍与干燥过程的影响。研究表明采用转筒干燥的方式,进口干燥空气温度在80 ℃～160 ℃、转筒处理量为214 kg/m3·h～1834 kg/m3·h、干燥气速0.12 m/s～0.30 m/s、干燥时间20 min内，混合物料的湿含量可降至<5%，且催化剂与煤浸渍充分均匀，满足流化床操作的要求，实现了最佳的催化气化效果。基于实验数据拟合了煤和废碱催化剂转筒干燥的传热系数方程，通过物料与能量衡算，模拟了混合物料连续干燥时沿转筒的湿含量的变化。     

K_2CO_3催化剂在煤焦热解中的形态转变及其对煤焦催化气化的影响

在固定床中考察了不同温度下神府煤焦催化热解中K2CO3的转变形态,以及在TG-DSC分析仪上研究了K2CO3添加方式和粒径对其气化速率的影响。结果表明,随着气化温度的升高,催化剂的添加方式对煤焦气化反应速率的影响减弱;对热解残渣的SEM/EDX谱图显示,随着温度升高,K催化剂在煤焦中能展现更好的分散性;在热解过程中,煤焦中的碳通过与K2CO3反应释放出CO2和CO,生成的气体量与温度相关;在较低温度650℃下,不同粒径对气化效果影响差别较大,粒径越小气化反应性越好。K2CO3的流动性随着温度升高而增强,催化活性也越强;低于700℃时,要考虑添加方式对气化反应性的影响。     

Continuous fast pyrolysis of biomass at high temperature in a fluidized bed reactor

In order to perform biomass pyrolysis a continuous fluidized bed reactor (bench scale unit) has been assembled. The influence of experimental conditions such as heating-up time and optimum particle diameter is presented. By feeding the biomass (almond shells) directly into the bubbling bed, pyrolysis has been performed at temperatures ranging from 730° to 930°C at constant feed rate (44 g/h). Remarkable increase of H₂ in the product gas is observed when steam rather than an inert carrier such as nitrogen is used thus confirming the potential of this approach.The support of ENEA (Italian Agency for Renewable Energies) is gratefully acknowledged.     

不同常压流化床煤气化方案的模型预测 Ⅰ. 模型建立及验证

为评价不同气化方案对常压流化床气化的影响，从化学动力学角度并结合化学平衡建立了流化床气化模型，该模型考虑了煤热解和气化所经历的各反应过程。模型预测结果与文献报道的试验数据吻合较好，气化组分的平方误差和在10%左右，表明该模型可以用来预测各种气化方案对常压流化床气化的气化过程、生成煤气组分和气化效率等方面的影响。     

准东煤流化床气化飞灰的理化特性研究

采用灰熔点测定仪、X射线荧光光谱仪、扫描电镜和热重分析仪等方法,研究了准东煤流化床气化飞灰的灰熔融特性、物理结构和化学组成及气化反应活性。结果表明,准东煤与其流化床气化飞灰中Si O2、Fe2O3、Na2O和Ca O等矿物质含量存在显著的差异,但飞灰的灰熔点与原煤无明显差异。准东煤气化飞灰具有较宽的粒径范围,呈现双峰分布特征,且不同粒径区间飞灰的元素含量存在显著差异。提高气化温度,有利于提高飞灰的气化反应活性。准东煤流化床气化飞灰石墨化程度比煤焦要高,但其孔隙结构更为发达,含有丰富的中孔和中大孔,使得飞灰的气化反应活性高于煤焦。可通过提高气化温度、循环再气化的方法提高气化效率。