Analysis of the dynamics of coal char combustion with ignition and extinction phenomena: Shrinking core model

Single‐particle combustion of coal char is analyzed using a generalized shrinking core model. Finite volume method, which was earlier employed by the authors in solving moving boundary problems involving fluid–solid noncatalytic reactions in general, is used to solve fully transient mass and energy equations. The model takes into account convection and diffusion inside the particle as well as in the boundary layer. The computed results are compared with the experimental data of the authors for combustion of coal char in a fluidized bed combustor. The effects of parameters such as bulk temperature and initial particle radius on the combustion dynamics are examined. The phenomena of ignition and extinction are also investigated. Finally, the importance of Stefan flow, originating due to nonequimolar counterdiffusion, on combustion of coal char is analyzed. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Int J Chem Kinet 40: 569–582, 2008     

Analysis of the combustion reaction of carbon and lignite char with ignition and extinction phenomena: Shrinking sphere model

Single‐particle combustion of carbon and lignite char is analyzed in the present work using a generalized shrinking sphere model. Finite volume method (FVM), which was earlier employed by the authors in solving such moving boundary problems involving single particle analysis of general fluid–solid noncatalytic reactions, has been used in this work to solve the transient mass and energy balance equations. The computed results are compared with published experimental data of fluidized‐bed combustion of lignite char. The effects of various parameters like bulk temperature, initial particle temperature, initial particle radius, etc. are examined on the dynamics of combustion of carbon and lignite char. The phenomena of ignition and extinction are also investigated. The importance of nonequimolar diffusion in the combustion reaction has also been analyzed. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Int J Chem Kinet 39: 307–319, 2007     

Analysis of gas–solid noncatalytic reactions in porous particles: Finite volume method

Gas–solid noncatalytic (GSNC) reactions in porous particles are analyzed employing volume reaction model (VRM). Both single‐stage and two‐stage models have been used in the work. Earlier analysis for such reactions was mostly restricted to the first‐order reactions with respect to the gaseous component. The present work has used a range of reaction orders with respect to both gaseous and solid reactants. Front tracking method was employed for solving the moving boundary problem. Finite volume method (FVM) has been used for the first time for the analysis of GSNC reactions in porous particles, based on moving boundary zone models. The discretized equations are solved by tridiagonal matrix algorithm. The results for the first‐order reaction agree well with the analytical solution. FVM solution compares well with other numerical method (integral transformation followed by orthogonal collocation). Numerical results have also been validated with reported experimental data for reduction of Magnetite by CO. FVM is thus established to be a suitable numerical method to solve GSNC reactions in porous particles employing VRM. The effects of different process parameters on the progress of reaction have also been assessed.© 2003 Wiley Periodicals, Inc. Int J Chem Kinet 36: 1–11, 2003     

煤在燃烧过程中破碎模型的建立

针对煤在燃烧过程中破碎行为，建立了单颗粒煤的一维破碎模型。模型结果显示：煤在燃烧过程中的起始破碎主要是由于煤所释放的挥发分在煤粒中的集聚，造成煤粒中产生较大的压力梯度，从而引起煤粒的破碎。这就较好地解释了煤在燃烧过程中的热破碎现象，为今后预测煤在炉内的粒度分布打下基础。     

流化床气化炉半焦细粉水蒸气再气化特性及动力学研究

利用热天平考察了流化床气化炉半焦细粉的水蒸气再气化特性及其动力学,并与相应的自制半焦及脱灰半焦细粉进行了比较分析.结果表明,半焦细粉的再气化反应性随着温度的升高而增加.与自制热解半焦相比,半焦细粉的反应性较高,这主要取决于比表面积的影响,而不同细粉的气化反应性差异还与其石墨化程度和灰含量有关.在此基础上,利用缩核模型对半焦细粉的再气化行为进行了模型拟合并得到了动力学参数,从而为细粉的再气化提供了一定的理论指导.     

油泥焦流化床燃烧NO_x释放特性及控制

为无害化处理油泥焦,采用小型流化床反应器,研究了不同温度、不同颗粒粒径下油泥焦的燃烧氮氧化物释放特性,并借助空气分级燃烧技术降低NO_x排放。SEM电镜和物理吸附结果表明,油泥焦颗粒表面结构致密、孔道稀疏,不利于其内部有机质充分燃烧。燃烧实验结果表明,油泥焦燃烧产生的NO_x主要来源于焦炭氮,来自挥发性氮的较少。适当降低燃烧温度、减小颗粒粒径既能保证油泥焦充分燃烧,又能抑制氮氧化物排放。实施空气分级燃烧时,通过优化过量空气系数、二次风比例和二次风入口位置,能够获得显著的NO_x减排效果,同时可以有效抑制飞灰产生,有助于烟气终极处理。     

煤在热载体流化床中的热解模型

煤粒在热载体流化床中的热解规律对于设计煤气、热、电三联产的关键装置－热载体流化床干馏炉是十分重要的。本文建立了煤粒在热载体流化床中的传热和热解反应的微分方程，并对其进行了数值求解，得到了煤粒度、热载体流化床操作速度、热载体流化床床层温度、热载体颗粒粒径等对煤气产率的影响规律，为热载体流化床干馏炉的设计提供了计算方法和理论依据。     

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。     

煤焦在燃烧过程中孔隙结构变化的模拟

煤焦在燃烧过程中的物理特性，如比表面积和孔径分布会发生连续变化，直接测量煤焦在燃烧过程中的孔隙结构变化很困难，但可以通过合适的数学模型来观察，二维的圆柱孔模型已大量用来对煤焦气化与燃烧过程中表面积和孔隙结构的变化进行模拟，这个模型把孔隙分成两大部分－－大孔与小孔，因为小孔构成比表面的绝大部分，所以在反应过程中比表面积的变化可以由单一小孔模型来拟合，本文采用了用Ｔｓｅｎｇ和Ｅｄｇａｒ提出的孔模型对几     

O2/CO2气氛下煤焦燃烧实验研究

在热重分析仪上进行了不同气氛下徐州烟煤及其煤焦的燃烧实验,分析了O₂浓度、CO₂浓度和颗粒粒径等参数对其燃烧特性的影响;并对其进行了燃烧动力学分析。结果表明,气氛对煤和煤焦开始脱挥发分的时间影响不明显,但对其燃烧速率和燃尽时间影响很大;高浓度CO₂使煤焦的燃尽时间延长。气氛没有改变煤焦的燃烧反应动力学机理。O₂浓度提高、CO₂浓度降低和煤粉细化均可改善燃料的燃烧特性,但对煤焦的改善程度比对烟煤的小。扫描电镜（SEM）结果显示,同等O₂浓度下O₂/CO₂气氛较空气气氛煤灰表面孔隙结构更丰富。     

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。     

微型流化床反应分析仪中原位/非原位煤焦气化动力学研究

利用新开发的微型流化床反应分析仪(micro-fluidized bed reaction analysis, MFBRA) 考察了义马烟煤半焦的原位以及两种非原位半焦气化行为并测定了其动力学参数,其中,原位半焦气化是指煤热解温度和气氛与半焦气化过程一致,非原位半焦1气化是指煤在Ar气氛下热解,热态条件下直接在CO₂气氛下气化;非原位半焦2气化是指煤在Ar气氛下热解,冷却收集后再在CO₂气氛下气化。研究发现,原位半焦具有最大的比表面积和最小的平均孔径,石墨化程度最弱,且对CO₂的化学吸附能力最强,表面活性位点最多。在最小化气体扩散的实验条件下,原位半焦气化反应的反应速率明显比非原位半焦气化反应快,且求取的活化能数据较小。实验揭示了原位半焦和非原位半焦结构和反应性的差异,也证明了MFBRA对原位等温气化反应的适用性。     

射流流化床煤气化炉中气固流动和传热、传质的CFD模拟研究

通过双流体模型对射流流化床煤气化炉进行了CFD（Computational Fluid Dynamics,计算流体力学）模拟。模拟着重分析了流化床气化炉气固流动的特性和传质、传热过程。结果表明,流化床中气固两相的传热、传质过程与气体和颗粒的运动特性密切相关。     

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。     

燃烧福建无烟煤的循环流化床锅炉飞灰及其未燃炭分析

以三个燃烧福建无烟煤的商业CFB锅炉电厂飞灰为研究对象，分析飞灰的粒径和含碳量分布；观察并区分了飞灰中煤炭、烟怠、半焦和灰渣等颗粒的表面形貌；测定了飞灰炭的反应活性并与入炉煤作比较；并研究了飞灰炭的来源。结果表明，采用单级分离装置的CFB锅炉，粒径在0.0385mm～0.0500mm的飞灰质量最多，未燃炭份额也最高；而采用双级分离装置的CFB锅炉，飞灰质量分布和飞灰炭份额的峰值则出现在粒径为0.0500mm~0.0750mm处。飞灰主要由三种形貌的颗粒组成，颗粒状的未燃炭、絮团状的灰渣、和介于两者之间的半焦。与入炉煤相比，飞灰炭的反应活性较高，主要来源于入炉煤中的细粉和燃烧早期因破碎和磨蚀而产生的、来不及在炉膛中燃尽的细小含炭颗粒。入炉煤中易破碎、反应性较高的亮煤是构成电厂CFB锅炉飞灰炭的主要成分。     

Mean residence time of Markov processes for particle transport in fludized bed reactors

A new approach for studying the particle dynamics and RTD (residence time distribution) in processes is to formulate stochastic models. A common question to all models for RTD is whether Danckwerts’ law for mean residence time holds. In this paper we revisit a Markov process that has been proposed by Dehling et al. (1999) as a stochastic model for particle transport in fluidized bed reactors. Under the volumetric flow balance conditions, we deduce different boundary conditions at the entrance and the exit of the reactor, and in both discrete model and continuous model we show that processes satisfy Danckwerts’ law, stating that the mean residence time of particle transport in fluidized bed reactors equals V/v, where V denotes the volume of the reactor occupied by the fluid and v the volumetric inflow rate.     

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。     

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。     

氧化性气氛下流化床中煤的热解脱硫及硫的分布

兖州（YZ）原煤，在氧气体积分数为3.0%、5.6%、8.7%，热解温度400℃～800℃, 热解停留30min，在流化床反应器中进行了热解脱硫实验。结果表明，兖州煤在3.0%O2，600℃时的脱硫效果最佳，可达70%；此时的黄铁矿硫全部脱除，而有机硫也可脱除60%以上。而相同温度惰性气氛下的总硫和有机硫的脱除率则分别为25%和15%。在氧化性气氛下，脱除的硫主要分布在焦油中；随着氧气体积分数的提高，半焦收率下降的很快，下降幅度要比脱硫率的增加幅度大。因此，氧气体积分数过高，在选择性断裂C—S键的同时，也使C—C键发生了断裂。     

高挥发分烟煤的热解、燃烧特性研究

采用固定床热解反应器、热解 红外联用仪 (Py FTIR)和热重分析仪 ,考察了高挥发分烟煤的热解、燃烧特性 ,实验结果表明 ,高挥发分烟煤在热解过程中放出大量烃类气体 ,从燃烧试验看 ,明显分为热解段和燃烧段 ,且热解段挥发分的释放非常迅速 ,从而揭示出高挥发分烟煤燃烧过程中产生大量黑烟的原因。