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啤酒糟流化床气化中颗粒粒径对气固流动和产气影响的CPFD模拟

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煤炭学报 2024年

作者：国洪帅姜华伟杨海瑞王翠苹李延辉清华大学能源与动力工程系青岛大学机电工程学院山东科技大学储能技术学院

我国酿酒工业每年产生大量废弃啤酒糟，其具有挥发分含量高、硫含量低的特点，特别适合作为气化原料，而流化床气化炉以优异的气固混合和温度均匀性而著称，通过流化床气化实现啤酒糟的资源化和能源化利用具有重要意义。为探究啤酒糟流... 详细信息

我国酿酒工业每年产生大量废弃啤酒糟，其具有挥发分含量高、硫含量低的特点，特别适合作为气化原料，而流化床气化炉以优异的气固混合和温度均匀性而著称，通过流化床气化实现啤酒糟的资源化和能源化利用具有重要意义。为探究啤酒糟流化床气化过程中颗粒粒径对气固流动行为和产气的影响，基于计算颗粒流体动力学(CPFD)方法，对以空气和水蒸气为气化剂的啤酒糟鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟，研究了床料粒径和啤酒糟粒径的影响。通过CPFD数值模拟，获得了鼓泡流化床气化炉内颗粒体积分数分布、酒糟和床料的颗粒分布等流动特征，以及产气中主要气体组分的摩尔分数。借助鼓泡流化床气化实验装置，研究了床料粒径和啤酒糟粒径对产气中各气体组分体积分数的影响规律，并对数值模拟结果进行了验证。结果表明，床料粒径的增加不利于气化炉内的充分流态化和颗粒混合，使气化炉内温度沿高度的分布不均匀，并且不利于碳颗粒和水蒸气的充分混合以及气固反应和气相反应的均匀吸放热，造成H2摩尔分数显著降低；啤酒糟粒径的适当增大有助于延长其在气化炉内的停留时间，从而提高固态碳与水蒸气、二氧化碳之间的反应转化率，生成更多的H2和CO，但过大的啤酒糟粒径会造成啤酒糟和床料的混合较差，使啤酒糟比表面积减小，不利于热解和气化反应，导致H2、CO、CH4和NH3等可燃组分的摩尔分数均降低。

关键词：流化床气化啤酒糟床料计算颗粒流体动力学颗粒粒径

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流化床气化中小龙潭褐煤灰结渣行为

化学工程 2010年第10期38卷 127-131页

作者：李风海黄戒介房倚天王洋中国科学院山西煤炭化学研究所山西太原030001 中国科学院研究生院北京100039

为探索小龙潭褐煤流化床气化过程中的煤灰结渣行为,采用化学成分、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)相结合对小龙潭煤气化炉内残留渣块和不同温度热处理后煤灰的成分、形貌和晶相组成进行了表征和对比分析,并对升温过程中煤灰的矿物质演... 详细信息

为探索小龙潭褐煤流化床气化过程中的煤灰结渣行为,采用化学成分、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)相结合对小龙潭煤气化炉内残留渣块和不同温度热处理后煤灰的成分、形貌和晶相组成进行了表征和对比分析,并对升温过程中煤灰的矿物质演变进行了研究。结果表明:在小龙潭气化过程中流化床气化过程中渣块形成时铁元素发生了明显的富集,小龙潭气化残留渣块和950℃煤灰的微观形貌和晶相组成基本相同。小龙潭褐煤在流化床气化过程中950℃左右生成低熔点共融物钙长石、钙黄长石和铁钙辉石等是引起结渣的主要因素。

关键词：小龙潭褐煤流化床气化结渣行为

流化床煤气化循环物料沿分离器的物化分级特性

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工程热物理学报 2022年第8期43卷 2127-2135页

作者：田斌张涛王思禹王金云徐龙田原宇西北大学化工学院西安710069 中国石油大学重质油国家重点实验室青岛266590

生产富甲烷燃气的流化床煤分级热解气化工艺是实现煤炭低碳高效利用的重要途径。明确不同级数旋风分离器返回循环物料的物理化学演变行为对返料区域和位置的选择至关重要。本文采用多种近现代表征手段对煤炭分级热解气化工艺三级循环物... 详细信息

生产富甲烷燃气的流化床煤分级热解气化工艺是实现煤炭低碳高效利用的重要途径。明确不同级数旋风分离器返回循环物料的物理化学演变行为对返料区域和位置的选择至关重要。本文采用多种近现代表征手段对煤炭分级热解气化工艺三级循环物料的物理化学演化特性进行了详细研究。结果显示:随分离级数增加循环物料的颗粒尺寸逐级减小,颗粒更规则、均匀,半焦颗粒被富集,循环物料的微孔表面积和孔容增加、平均孔径减小,半焦的石墨化程度越低,燃烧/气化反应性越高。循环物料中无机矿相主要为石英、方解石和绿泥石,并随分离级数增加逐渐减少。一级、二级和三级循环物料应分别返回气化炉底部燃烧区、中部气化区和中上部热裂解反应区。

关键词：流化床气化旋风分离器循环物料物化性质

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流化床气化生物质成型燃料实验研究与模拟

流化床气化生物质成型燃料实验研究与模拟

作者：裘啸华北电力大学

学位级别：硕士

通过自然干燥对生物质成型燃料进行预处理,实验结果显示成型燃料内部水分与外部环境水汽平衡所需时间约为3天,环境湿度的减小并未对其再次平衡耗费的时间产生明显影响;成型燃料密度越大,平衡含水率越高。设计并搭建床径Φ300mm的鼓泡... 详细信息

通过自然干燥对生物质成型燃料进行预处理,实验结果显示成型燃料内部水分与外部环境水汽平衡所需时间约为3天,环境湿度的减小并未对其再次平衡耗费的时间产生明显影响;成型燃料密度越大,平衡含水率越高。设计并搭建床径Φ300mm的鼓泡床进行生物质成型燃料的冷态流化实验。实验表明成型燃料与床料混合流化质量的优劣取决于成型燃料密度及其尺寸。当成型燃料密度流化质量的影响比密度影响要大;当其密度>1g/cm3时,密度的影响占主导地位。设计并搭建床径Φ200mm鼓泡床进行热态气化实验。预热床料是个相对费时的过程,为达到预热效果并起到节能作用,预热时间以不超过1h为宜。操作条件相同的情况下,成型燃料的气化过程与散状原料气化没有本质区别,产气质量主要取决于原料种类和成分。成型燃料气化时产气稳定连续性较强,燃气持可续燃烧50-60s。测得飞灰中含有约25%的可燃物,若采用循环返料系统,飞灰可燃物比例会进一步降低。针对长距离热态输送提出散热和压力损失的估算方法,估算表明输送距离超过100m的管道出口燃气温度下降15%,沿程压损达0.5kPa。选择松木屑和麦秆两种生物质,基于能质平衡和吉布斯自由能最小原理,利用化工软件ASPEN PLUS气化建模,并结合实验数据验证模拟的准确性。考查了如高温气化剂,增压流化床等实验中较难实现的操作对气化过程的影响。模拟结果表明,松木屑气化时,最佳ER(当量比)范围约为0.2-0.25,而麦秆的最佳ER为0.3-0.35。对于松木屑而言,提高S/B比例(水蒸汽与生物质质量之比)更多是消极影响;麦秆气化过程在S/B为1时出现气化效率与热值的最大值,继续增加S/B,二者下降变化。提高流化风温对气化过程有利,但促进作用大小与原料种类和成分有关,提升流化风温对松木屑气化效果不如麦秆明显,从经济性考虑,有条件时可将流化风温加热至600-700℃。含原料水率高于45%会使生物质的气化效率、燃气热值分别下降47%和40%左右,入炉前的原料水分应控制在20%以内。一定范围内提高操作压力(松木屑工况为15bar,麦秆的为19bar)能明显提升生物质气化质量,继续提升压力的效果不显著。

关键词：生物质成型燃料自然干燥流化床气化 ASPEN PLUS模拟

成型生物质流化床气化及半焦与煤混燃的协同作用研究

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成型生物质流化床气化及半焦与煤混燃的协同作用研究

作者：李姜昊华中科技大学

学位级别：硕士

我国每年产生的生物质农林业废弃物占据世界的首位。燃煤耦合生物质气化发电将生物质气化产生一定热值的燃气送入燃煤锅炉辅助燃烧,是一种可以大规模处理生物质、与生物质直燃发电相比具有较高发电效率的技术。这种间接混燃的发电技术... 详细信息

我国每年产生的生物质农林业废弃物占据世界的首位。燃煤耦合生物质气化发电将生物质气化产生一定热值的燃气送入燃煤锅炉辅助燃烧,是一种可以大规模处理生物质、与生物质直燃发电相比具有较高发电效率的技术。这种间接混燃的发电技术已被列为国家新增鼓励产业,目前已有一些工程案例。成型技术将生物质能源品质提升,但会改变其组分。目前成型生物质的流化床气化特性、结渣特性研究报道较少,且气化过程中会产生大量的焦炭,对其规模化利用研究不足。若能在高效利用成型生物质气化同时,规模化的处理气化焦炭,将拓宽燃煤耦合生物质气化技术的利用前景。本文采用成型桉树皮和成型玉米秸秆这两种典型农林废弃物,并选取稻壳和木屑做对比,在中试规模的流化床上进行流化和气化试验,采用压力、温度传感器与煤气分析仪监测炉膛工况与气化特性,并采用XRD、XRF、EPMA等仪器分析结渣特性,并对气化半焦特性和产率进行分析。结果表明,破碎有利于气化试验中绞龙的送料,但在成型后破碎会使粒径分布不均,流化不稳定。成型工艺对气化效果影响较小,灰分和含水量是影响气化的主要因素。成型桉树皮、稻壳与木屑的最佳空气当量系数值为0.2,燃气热值分别为5.5 MJ/m、5.5 MJ/m、6 MJ/m,气化效率分别为60%、45%、52%。成型玉米秸秆由于高灰分低热值,需要更大的空气量,最佳空气当量系数值为0.24,燃气热值为4 MJ/m,气化效率为35%。温度的提高促进气化反应,增加一次风温对炉膛影响不明显,但会大幅提升炉底温度,影响设备安全。成型生物质更易在气化中产生结渣,因为其含有较多的灰分和碱金属、碱土金属。K、Mg等元素在床料中富集而形成低熔点熔融盐而将石英砂床料粘结,是结渣的主要原应。高密度、高灰分使成型生物质气化的焦炭产率和能量得率较高。产生的气化半焦分别称为EBC、CSC、RHC、SC,采用XRF、BET、SEM研究了化学成分、孔隙结构与表面形态,并在热重分析仪上研究其燃烧特性与反应动力学。结果表明,成型压缩工艺不会明显破坏气化半焦的碳骨架结构,但会在孔隙中掺混较多杂质,且四种气化半焦孔容积和比表面积都大幅小于同类热解焦炭,不适合作为吸附剂等利用。随着灰分增多,气化半焦的燃烧峰逐渐向高温区移动,SC与EBC以挥发分燃烧占据主导,而RHC和CSC焦炭燃烧占主导。SC的综合燃烧特性指数是RHC和CSC的40倍,燃烧特性最佳,EBC其次。灰分显著影响气化半焦的反应动力学和燃烧机理。随着灰分的增多,燃烧机理从一阶的化学反应模型变为三阶的扩散反应模型,活化能逐渐变高,顺序为CSC>RHC>EBC>SC。将气化半焦与末煤掺混,在热重分析仪下研究了混燃的燃烧特性与反应机理。采用定性与定量两种方法评价协同作用,并定量区分协同作用中催化与非催化机制。结果表明,掺混EBC和SC利于提升末煤燃烧特性,CSC和RHC相反。矿物质的催化机制和挥发分的非催化机制起到促进正向协同作用的效果,而灰分则起到抑制作用。催化机制在协同作用中占据主导。EBC掺混比在15%以上时,催化对协同作用的贡献不再增加。随着气化半焦掺混比例的增加,混合物的活化能呈现降低趋势,三阶扩散模型是末煤与RHC、EBC、CSC在各种掺混比例下最有效的反应机理。掺混SC时,高比例下一阶化学反应占主导,50%及以下时二阶的化学反应占主导。

关键词：成型生物质流化床气化中试试验气化半焦混燃协同作用

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流化床气化飞灰造粒燃烧的经济性分析

大氮肥 2017年第6期40卷 370-372页

作者：董文博曹敏程相龙河南省煤气化工程技术研究中心河南郑州450000

流化床气化运行过程中产生大量飞灰,通过分析飞灰产生原因,并将飞灰与原料煤在破碎、干燥过程中产生的难以入炉的细煤粉掺混造粒后与流化床锅炉燃烧使用的原煤进行对比,结果表明气化飞灰造粒后可适用于流化床锅炉燃烧。将气化飞灰造粒... 详细信息

流化床气化运行过程中产生大量飞灰,通过分析飞灰产生原因,并将飞灰与原料煤在破碎、干燥过程中产生的难以入炉的细煤粉掺混造粒后与流化床锅炉燃烧使用的原煤进行对比,结果表明气化飞灰造粒后可适用于流化床锅炉燃烧。将气化飞灰造粒后用于流化床锅炉燃烧,可消除其对环境造成的危害,节省企业运行成本,提升企业经济效益,并解决流化床气化技术存在的飞灰处理难题。

关键词：流化床气化飞灰造粒热重曲线流化床锅炉

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流化床气化技术对煤质的要求

大氮肥 2014年第3期37卷 145-148,152页

作者：郭森荣中国石油化工股份有限公司工程部北京100728

介绍流化床气化技术特点,从煤的分类、工业分析、半焦与CO2反应活性、卤族元素和碱金属含量等方面,分析煤质对流化床气化技术的影响,得出流化床气化适合可气化高灰、高水、高灰熔点的劣质煤,要求煤半焦的CO2反应性高,灰熔点不能偏低,反... 详细信息

介绍流化床气化技术特点,从煤的分类、工业分析、半焦与CO2反应活性、卤族元素和碱金属含量等方面,分析煤质对流化床气化技术的影响,得出流化床气化适合可气化高灰、高水、高灰熔点的劣质煤,要求煤半焦的CO2反应性高,灰熔点不能偏低,反应温度操作范围尽量大;原料中的卤族元素含量尽量低;碱金属含量低于2%。

关键词：流化床气化煤质 U—Gas TRIG输运床

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流化床气化技术在我国的应用现状及发展前景

化学工程师 2014年第1期28卷 50-52页

作者：褚晓亮苗阳付玉玲张玉斌苗雨旺烟台龙源电力技术股份有限公司山东烟台264006 阳煤集团淄博齐鲁第一化肥有限公司山东淄博255400

从1954年第一台工业流化床投产以来,循环流化床得到了广泛的应用和快速的发展。近年来,使用循环流化床做气化炉的工艺得到了迅速发展,使燃烧效率、碳转换率等得到了较明显的提高。综述了现行的几大流化床气化技术,分析其各自的特点,对... 详细信息

从1954年第一台工业流化床投产以来,循环流化床得到了广泛的应用和快速的发展。近年来,使用循环流化床做气化炉的工艺得到了迅速发展,使燃烧效率、碳转换率等得到了较明显的提高。综述了现行的几大流化床气化技术,分析其各自的特点,对各炉型的操作条件和产业化应用情况等加以说明。最后,对流化床气化炉以后的发展提出了相关建议。

关键词：煤气化技术流化床气化产业化

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流化床气化条件下煤灰低熔点共融物形成特性

流化床气化条件下煤灰低熔点共融物形成特性

作者：李小敏浙江大学

学位级别：硕士

煤灰熔融性是动力用煤和气化用煤的一个重要特性，直接决定着煤炭燃烧或气化利用方式的选择、设计及其运行。流化床气化技术由于具有煤种适应性强、污染物排放易于控制等特性是今后煤炭气化技术发展方向之一。针对流化床气化技术存在的... 详细信息

煤灰熔融性是动力用煤和气化用煤的一个重要特性，直接决定着煤炭燃烧或气化利用方式的选择、设计及其运行。流化床气化技术由于具有煤种适应性强、污染物排放易于控制等特性是今后煤炭气化技术发展方向之一。针对流化床气化技术存在的床料熔融、团聚、积灰等重要过程，本文开展了对这些过程具有决定性影响的煤灰熔融特性的实验和理论研究。论文首先对煤灰的化学组成、矿物组成以及所处的环境条件(气氛、压力等)等因素对煤灰熔融特性的影响的研究现状进行了文献综述，并介绍了煤灰熔融温度的不同测试方法。在文献综述基础上，通过组合智能灰熔点仪、差示扫描量热(DSC)分析、压力热天平和X射线衍射分析仪相结合以及FactSage软件计算等不同方法的特点和优势，研究了煤灰特性以及运行环境条件(气氛、温度和压力)对煤灰熔融特性的影响特性。氧化性气氛和还原性气氛下的特征温度均高于弱还原性气氛下的特征温度;由H和CO组成的气氛下的灰熔点要低于CO和CO组成的气氛下的灰熔点。由压力热天平和XRD分析得到增大压力能够促进低温共熔体的生成，促进低温熔融，但是因煤种不同而不同。利用FactSage可以得到已知灰成分的煤灰的熔融区间和熔融速率较快的温度区间，可以用来初步估计煤灰的熔融特性。并利用DSC曲线得到煤灰熔融过程的活化能和频率因子。最后利用所搭建的压差法测量煤灰烧结温度实验台分别研究了灰样放置装置、时间、气氛、煤灰成分对煤灰烧结特性的影响。惰性气氛(N)下的烧结温度与氧化性气氛(O、CO)下的烧结温度近似相等，还原性气氛(H、CO)下的烧结温度低于氧化性气氛(O、CO)下的烧结温度，CO气氛下的烧结温度高于H下的烧结温度。在氧化性气氛下，随煤灰中CaO、NaO、KO含量增加，煤灰烧结温度逐渐降低。在典型流化床气化气氛(弱还原气氛)下，煤灰烧结温度随FeO、CaO、NaO、KO含量增加而增加。烧结不仅与温度有关，还与时间有关。在达到设定的温度后，随着时间的进行，灰柱两端的压差不断减小，但经过一段时间后，灰柱两端的压差保持一个定值。研究结果同时也表明可以通过配煤或添加添加剂方式来改变煤灰烧结特性，使得流化床气化过程安全运行。本文研究结果初步揭示了气氛和压力对煤灰熔融特性的影响以及灰成分和气氛对煤灰烧结特性的影响，对流化床气化技术的设计和运行具有一定的指导作用。

关键词：流化床气化煤灰熔融特性压差法烧结温度低温共融物