粉煤气化炉内多相湍流反应的数值模拟与优化（流态化约稿）

为获得GSP粉煤加压气化炉内多相反应流场的详细信息及工艺参数对气化过程的影响，利用Ansys_Fluent软件对其进行三维数值模拟。采用涡耗散概念(EDC)模型耦合湍流 化学反应过程，Lagrangian坐标系下随机轨道模型追踪粉煤颗粒运动，P1模型模拟辐射传热过程。结果表明，气化剂以旋流数S为120入射时，气化炉内速度流场分为外回流区、旋转射流区、内回流区和管流区，粉煤作为离散相主要分布在外回流区、旋射流区、管流区及壁面处，煤灰颗粒具备形成灰渣层及渣层流动条件；当操作压力为38~44 MPa时，对合成气中CO和H2摩尔分数影响不大，但轴向速度减小，碳转化率增大；煤/氧质量比m(C)/m(O)由12增至15，碳转化率从约987%降至863%，当m(C)/m(O)=13时，CO和H2总摩尔分数达到913%。     

渣油气化的过程分析与三区模型

基于渣油气化炉冷态流场测试与停留时间分布测试以及工业现象,提出了渣油气化的三区模型,即燃烧区、回流区、二次反应区.二次反应区的主要气相化学反应为CO_2+H_2=CO+H_2O CH_4+H_2O=CO+3H_2     

水煤浆与天然气共气化热力学模拟

为了降低生产成本,减少CO_2排放,实现n(H_2)/n(CO)可调,将水煤浆与天然气进行联合转化。从热力学角度对共气化过程各反应的竞争能力进行了分析。利用Aspen Plus软件对该过程进行了模拟,分析了氧气进料流量、天然气进料流量对气化炉出口温度、气体摩尔组成、合成气摩尔分数、n(H_2)/n(CO)的影响。计算了多种不同进料流量下的出口参数,通过对这些数据进行筛选,得到气化室出口温度在1 340~1 360℃之间,n(H_2)/n(CO)大于1.15,合成气摩尔分数大于0.72时的天然气和氧气的进料流量。     

喷嘴结构对粉煤气化过程影响的数值模拟

为研究气化喷嘴对气流床干煤粉气化炉气化过程的影响规律，并对喷嘴结构进行优化，针对具有不同煤粉通道旋转角θ和旋流叶片安装角度α值气化喷嘴的气化炉建立三维模型并进行数值模拟。通过冷态模拟发现：气化室内流体的速度场主要受α值的影响，而θ值对气化室内煤粉颗粒的质量浓度影响更加明显。当θ=60°、α=30°时，煤粉颗粒的弥散性最好，气化室内流体的速度分布、煤粉颗粒的质量浓度以及气化剂分布更加均匀，有利于气化炉气化效率的提高。取喷嘴结构参数θ=60°、α=30°的模型进行气化过程热态模拟，辐射传热采用P-1模型、湍流-化学反应过程采用EDC模型、脱挥发分采用Two-Competing Rates模型。模拟结果显示，该喷射条件下气化室内的流场分布好，气化效率高，合成气有效气组分CO+H₂总摩尔分数达到91.6%，碳转化率达到98.11%。     

污水油泥掺配水煤浆气化数值模拟研究

在对炼油厂典型污水处理油泥及其掺配水煤浆产物分析的基础上,基于ANSYS Fluent模拟平台,对空白水煤浆及掺配5%油泥水煤浆进行气流床高温气化数值模拟研究。研究结果表明:含油泥水煤浆较空白水煤浆提高了碳转化率及有效气含量,粗煤气中有效气(CO+H_2)体积分数从81%提高到86%,组分中H_2和H_2O成分有所下降,CO含量有较小增大趋势,从而提高了气化炉运行的经济性并达到节能环保的效果。     

基本有机化学工业

TQ204200610108天然气非催化部分氧化制合成气过程的研究〔刊〕/王辅臣,李伟锋…(华东理工大学洁净煤技术研究所)∥石油化工.-2006,35(1).-47~51以多通道喷嘴为射流源,在φ1m×6m的大型冷模装置中测定了天然气非催化部分氧化气化炉内的流体流动过程、冷态浓度分布和停留时间分布。分析了天然气非催化部分氧化的反应特点,研究了工艺条件对反应的影响。结果表明,气化炉内存在射流区、回流区和管流区,在射流区主要为天然气燃料反应,在管流区主要为天然气转化反应。气化炉适宜的长径比约为5:1。合成气的产量随氧气和天然气体积比为:大型气化炉0…     

甲烷二氧化碳自热重整工艺分析

基于吉布斯自由能最小法,分析甲烷二氧化碳自热重整(CO_2/CH_4/O_2重整)工艺过程,可知:温度增加,合成气中甲烷含量减少、二氧化碳转化率增加;压力增加,合成气中甲烷含量增加、二氧化碳转化率降低;碳碳比n(CO2)/n(CH4)增加,合成气中甲烷含量减少、二氧化碳转化率降低;温度、压力对氢碳比n(H_2)/n(CO)有影响,但n(CO_2)/n(CH_4)对n(H_2)/n(CO)影响更为显著;少量或适量水蒸气可以保护甲烷二氧化碳自热重整转化炉内关键设备、调节产物n(H_2)/n(CO)等。根据工业生产要求和特点,定义出口合成气中甲烷的物质的量分数1%为临界条件,获得临界条件时n(CO_2)/n(CH_4)、重整平衡温度与压力、二氧化碳转化率以及n(H_2)/n(CO)等特性参数的关系图,指导工业生产的工艺过程和催化剂研究。     

惠生-壳牌下行水激冷气化炉的数值模拟

利用计算流体力学方法对商业化运行的惠生-壳牌下行水激冷气化炉进行三维数值模拟。采用离散相模型描述气固相流动之间的相互作用,利用随机轨道模型追踪粉煤颗粒的运动,将粉煤气化分为水分蒸发、煤热解、气气均相反应和气固非均相反应等过程;运用realizable k-e模型描述气相湍流流动;运用组分输运模型以及有限速率-涡流耗散模型描述气化过程中的复杂化学反应过程;采用P-1模型描述气化炉内的辐射传热。研究结果表明:建立的计算模型合理准确,气化炉出口有效气含量大于90%,碳转化率大于99%。     

基于Aspen Plus的一步法煤制天然气工艺优化研究

选取宁夏梅花井(MH)煤作为研究对象,运用Aspen Plus软件模拟计算了一步法煤制天然气工艺,讨论了气化温度、气化压力、气化剂以及钙基吸收剂对气化产物分布的影响。结果表明,煤水蒸气气化制天然气的适宜条件为:T=600°C,P=5～6MPa,n(H_2O)/n(C)=2。n(Ca)/n(C)=0.5时水蒸气的加入量由n(H_2O)/n(C)=2降为1.1,1mol C的甲烷产量由0.42mol增加至0.49mol。加入H_2且n(H_2)/n(H_2O)为0.1时,1mol C的甲烷产量增至最大值0.60mol,此时能量转化率为91.2%。以此优化的工况参数进行了固定床煤水蒸气气化实验研究,发现甲烷产率及能量转化率基本与模拟结果一致。所得结果可为煤制天然气的工艺优化提供指导。     

劣质重油脱碳改质接触剂上焦炭气化反应规律

采用微型固定床反应器,研究了劣质重油流化脱碳改质接触剂上焦炭与O₂、H₂O(g)和O₂+H₂O(g)混合气的气化反应,考察了反应温度、气化剂组成、反应时间对气体产物组成以及焦炭转化率的影响。结果表明,采用O₂为气化剂时,焦炭气化反应的主要产物CO与CO₂的摩尔比(n(CO)/n(CO₂))随反应温度提高先升高后降低。采用H₂O(g)为气化剂时,焦炭气化产物主要由H₂、CO、CO₂及微量CH4组成;在1025~1149 K范围,反应温度对气化产物组成的影响较小,反应温度1025 K、反应时间多于25 min时,气体产物中CO+H₂的体积分数在87%以上,反应温度高于1049 K时,焦炭转化率明显提高。采用O₂-H₂O(g)混合气作为气化剂,且气化剂中O₂体积分数较低时,焦炭气化反应产物组成与采用H2O(g)作为气化剂时的类似,但随着O₂体积分数增加,产物中H2体积分数大幅下降;气化剂中O₂体积分数大于10%时,产物中H₂体积分数几乎为零,产物组成与采用O2作为气化剂时的类似;焦炭转化率随着O₂体积分数和反应温度的升高而增加。     

基于CuMn2O4载氧体的生物质化学链气化热力学分析

建立了以CuMn2O4为载氧体、松木屑为燃料的生物质（B）化学链气化模型,对CuMn2O4载氧体和松木屑之间的化学链气化反应进行了热力学模拟。研究了气化过程中CuMn2O4载氧体的还原过程,考察了燃料反应器内载氧体与生物质摩尔比(n(O)/n(B))、反应温度、水蒸气与生物质摩尔比(n(H2O)/n(B))、CO2与生物质摩尔比(n(H2O)/n(B))等因素对气化反应的影响,分析了空气反应器内载氧体晶格氧的恢复过程。热力学分析表明：CuMn2O4在气化反应中可以提供晶格氧,有效促进松木屑的气化。CuMn2O4载氧体中的Cu和Mn组分在化学链气化反应中分别按照CuO→Cu2O→Cu和Mn2O3→Mn3O4→MnO的顺序逐级被还原,并且Mn2O3优先CuO被还原。以气化系统的碳转化率和合成气产量为主要评价指标,优化的反应条件为：n(O)/n(B)为0.16,反应温度为1273 K,n(H2O)/n(B)为0.40,n(CO2)/n(B)为0.20。在空气反应器内,CuMn2O4载氧体还原后失去的晶格氧经空气氧化后可以恢复到初始状态。     

基于铁基载氧体的市政污泥气化特性模拟及实验研究

基于Aspen Plus软件中的模拟及流化床反应器中的部分实验,研究了铁基载氧体在市政污泥化学链气化中对碳转化效率、合成气组分、硫氮污染物排放等特性的影响。结果表明：燃料反应器中氧/碳摩尔比(n(O)/n(C))的增加提高了污泥的碳转化率,但却降低了CO、H2的浓度,碳转化率趋于平稳时明显减少了羰基硫(COS)和H2S的排放;燃料反应器中温度的提升利于合成气热值和污泥气化率的提高,降低H2S排放量的同时增加SO2的生成;随着水蒸气与污泥质量流量比的增加,H2的摩尔分数明显上升,在其质量流量比超过12时,变化不再明显;空气反应器中空气与载氧体摩尔流量比(空载比)的增加会使载氧体再生程度提高,但空载比增加到1.3时,开始有大量NOx的生成;空气反应器中反应温度的升高对载氧体的再生影响不大,但会导致热力型NOx的产生。     

二氧化碳甲烷自热重整计算分析与中试

运用Gibbs自由能最小化方法和耦合详细反应动力学的计算流体力学(CFD)方法对CO_2-CH_4自热重整进行了相关的计算分析。结合自主研发的反应器和催化剂,在山西省潞安集团煤制油低碳循环经济园区进行了原料气处理量10 000m~3/h、运行压力2MPa、新型镍基催化剂装填量约5t的中试实验,获得合成气中甲烷摩尔分数小于1%、n(H_2)/n(CO)=1.1、有效气摩尔分数为60.7%的合成气。其中,CO_2-CH_4自热重整反应器设计主要尺寸为:内径1.6m,燃烧高度3.0m,催化剂装填高度2.8m,反应器总体高度约13.8m。     

整体式催化剂上CO在富氢气氛下的选择性氧化

以蜂窝状堇青石为载体,负载Co-Pt/γ-Al2O3催化剂,对富氢气氛下CO的选择性氧化反应进行了考察.结果表明,当CO体积分数低于ψ∞=0.02和V(O2)/V(CO)=1时,在120℃可获得接近100%的CO转化率,而O2选择性达到51%.与颗粒状催化剂相比,整体式催化剂同样呈现出优良的催化性能,但催化剂床层的温差更大.     

德士古气化炉冷态流场数学模拟

本文从流体力学基本守恒方程出发,标准的k-ε湍流双微分方程模型模拟湍流流动,用用SIMPLE算法求解偏微分方程,对双流股平行射流德士古气化炉冷态流场进行了数值模拟计算。计算结果表明,气化炉中轴向、径向都有明显的速度分布,有一回流区,明显地偏离平推流流型。本文提出的数学模型经检验与实测数据吻合较好。该模型描述了速度分布、回流量、涡眼位置与射流速度、炉体几何尺寸之间的关系。计算结果对理解德士古技术、设计、操作渣油(水煤浆)气化装置提供了流体力学依据。     

城市固体垃圾气化制合成天然气模拟研究

以城市固体垃圾为原料,O_2、水蒸气为气化介质,运用Aspen Plus模拟软件对垃圾气化制合成天然气过程进行模拟,考察O_2当量比(ER)、蒸汽进料与干燥垃圾质量比(m(S)/m(MSW))、甲烷化温度和甲烷化压力对合成天然气CH_4摩尔分数、低位发热量和能量转换率的影响。结果表明,降低ER、m(S)/m(MSW)和甲烷化温度及增加压力,有利于提高合成天然气CH_4摩尔分数、低位发热量和能量转换率。当ER为0.35、m(S)/m(MSW)为0.5、甲烷化温度和压力分别为250℃和0.5 MPa时,所得合成天然气满足GB 17820-2012《天然气》规定的二类天然气质量要求。     

单通道中集成燃料电池制氢功能研究

为了简化燃料电池氢源系统,考察了单通道中集成甲醇蒸汽重整、水汽置换和一氧化碳选择氧化单元对反应器出口参数的影响.利用计算流体力学软件FLUENT中的通用有限速率模型对该过程进行了二维数值研究.计算表明,在单通道中集成制氢和去除一氧化碳3个功能单元之后,在最佳反应条件,即进口温度453 K、进口速度0.4 m/s及水醇氧质量比0.369 90.630.000 1下,甲醇的转化率达98.8%,氧气的转化率为15.2%,出口氢气摩尔分数达到74%,而出口CO摩尔分数降低至3.43×10-8,能完全满足燃料电池对富氢燃料中CO摩尔分数的要求.     

Ce助剂对费托合成Co/γ-Al_2O_3催化剂的影响

采用等体积浸渍法制备了不同Ce含量的钴基催化剂,并用N_2低温吸附、XRD、H_2-TPR、CO-TPD和H_2-TPD等手段进行表征,同时在固定床反应器中对其费托合成反应催化性能进行评价。结果表明,Ce的添加能够改善催化剂的还原性能,促进CO及H_2在催化剂表面的吸附,从而影响催化剂的催化效果。当Ce添加质量分数为3%时,催化剂的反应性能最优,在220℃、2MPa、空速1000h~(-1)、n(H_2)/n(CO)=2.0的条件下,催化剂的CO转化率为84.20%,C_5~+选择性为74.38%。     

煤制替代天然气甲烷化反应原料气模值优化

通过对甲烷化反应过程的影响因素和反应特点分析发现,入口原料气模值对甲烷化反应过程有着显著的影响。根据耗氢平衡关系,推导出甲烷化反应原料气摩尔组分的模数公式;基于天然气产品的质量指标,计算得到煤基合成气中合理的CO_2干基体积分数百分比为0.1%~2.9%,CO/CO_2体积比为7~11。在一定范围内,原料中H_2的转化率随CO_2含量的增加而提高。另外,还定量分析了补碳对提高原料中H_2转化率的影响。     

草浆黑液半焦与石油焦水蒸气共气化特性

采用热重分析仪和管式炉在850℃下进行草浆黑液半焦与石油焦水蒸气共气化实验,并采用气相色谱、X射线衍射和扫描电镜等分析手段,从热失重、气体产物和残余固体特性角度探究了二者在共气化过程中的相互作用规律。结果表明,二者在共气化过程中存在协同效应;与二者单独气化的加权平均相比,其气化反应速率加快,产气热值和碳转化率增大,燃气品质和能源效率得到提高。当石油焦质量分数由25%增至75%时,协同效应加强,Na2CO3对石油焦气化的催化效果以及石油焦对Na2CO3损失的抑制作用均愈加显著。当石油焦质量分数为75%时,共气化残余固体的熔融现象得以抑制。