松木屑颗粒热解过程中的热/质传递规律

为探索在固定床反应器中有机固废颗粒热解过程中的热量、质量传递机理,本研究从颗粒尺度上对有机固废松木屑颗粒热解过程建模分析,模型中考虑了焦油的二次裂解反应及挥发分在颗粒孔隙中的质量、动量传递过程,并采用达西定律模拟了挥发分在颗粒孔隙内的流动现象,对颗粒热解过程的吸热反应以及挥发分逸出时的对流换热对颗粒温度的影响进行考察。基于两步反应动力学模型,探讨了不同颗粒尺寸、热解温度对有机固废松木屑颗粒热解过程的影响。结果表明,热解吸热反应和挥发分的对流换热阻碍了热量向颗粒中心的传递,延长了颗粒达到均温的时间;松木屑颗粒热解时,颗粒内会存在明显的温度梯度,在颗粒表面主要受化学反应动力学限制,在颗粒内部则主要受热量传递过程限制。此外,热解温度越低,粒径越大,颗粒内部的传热阻力越大。松木屑颗粒完全热解所需时间会随着颗粒粒径的增大而增加,但当颗粒粒径在10mm以上时,随着颗粒粒径的增大,颗粒完全热解所需时间的增量要大于10mm以下颗粒。     

典型气流床煤气化炉气化过程的建模

利用Aspen Plus、基于热力学平衡模型对GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉的气化过程建模。根据煤颗粒热转化的历程,将煤气化过程划分为热解、挥发分燃烧、半焦裂解及气化反应4个阶段,利用David Merrick模型计算热解过程,采用Beath模型校正压力对热解过程的影响,选用化学计量反应器模拟挥发分燃烧反应,编制Fortran程序计算半焦裂解产物收率,最后基于Gibbs自由能最小化方法计算气化反应。结果表明,采用建立的气流床气化过程模型模拟工业气化过程的结果与生产数据基本吻合,对GSP煤粉气化炉、GE水煤浆气化炉及四喷嘴对置式水煤浆气化炉等3种气化炉有效气成分（CO+H₂）体积分数模拟结果的误差均不超过2%,建立模型的可靠性得到验证。     

球型热载体回转窑褐煤热解过程的传热模型

为了了解热载体球煤粉热解过程的传热机理,建立了热载体球回转窑褐煤热解的传热模型并进行了模拟。结果表明:在热载体和煤的初始温度分别为973.15K和373.15K,煤粒径为6mm,热载体与煤质量比为6时,在330s后系统温度达到平衡,约786K。煤颗粒密度的变化以及热解气与热载体对流换热对系统的温度变化的影响较小,反应热对传热速率和平衡温度影响较大。     

基于失重曲线的煤颗粒热解传热传质计算

为提高煤颗粒热解传热传质模型的适用性和精确性,采用煤的热失重曲线替代分布活化能模型建模,结合热传导方程和质量守恒方程描述煤颗粒的传热传质过程,通过自制的煤颗粒热解失重测试平台进行验证。结果表明:4、8、12 mm长焰煤在900℃和载气流速0.06 m/s时,挥发分析出量预测结果的平均相对误差分别为6.21%、5.11%、4.92%;4 mm长焰煤在载气流速0.06 m/s,环境温度分别为900、750、650℃时,挥发分析出量预测结果的平均相对误差分别为6.21%、5.54%、5.20%。     

热等离子体裂解煤制乙炔下行反应器的研究进展

从反应器的工艺开发角度探讨了热等离子体裂解煤制乙炔下行反应器的研发进程,分析了热等离子体裂解煤制乙炔的快速连串反应特点,对比了下行及上行两种不同类型反应器对能耗及乙炔收率的影响,评述了下行床传递性能的显著优点,进而从超短接触反应、高乙炔收率与流体动力学角度出发指出了热等离子体下行床的集成工艺是裂解煤制乙炔工艺的合理选择。最后提出了制约该工艺实际连续生产的严重结焦难点与解决的方法。     

单颗粒煤粉热解过程中的破碎模型

以单颗粒煤粉燃烧破碎模型为基础,提出了以破碎比率概念来表征破碎程度,并以同心圆方式划分网格,由外向内依次按圆环形式模拟热解一次破碎过程.研究发现:煤颗粒粒径是影响煤颗粒破碎最重要的影响因素,粒径越小,反应的比表面积越大,相同膨胀应力产生的压强越大,破碎效果越明显;挥发分含量越高,热解析出过程中产生的膨胀应力越大,同时,气态的挥发分与固态的煤焦壁脱离产生更大的孔隙率,进一步降低了煤颗粒本身的屈服强度,破碎更容易产生;燃烧温度升高,起始阶段温度梯度增大,挥发分析出速度越快,膨胀应力越大,从而使破碎发生.     

用热失重仪研究煤快速热解

通过对原热失重仪气路进行改造 ,利用等温热重实验法研究快速加热条件下煤的热解 ,研究结果对认识气化炉内煤气化反应过程及设计、运行气化炉有重要意义 .研究表明 :煤从室温进到高温炉后 ,首先发生一个极快速裂解脱挥发分过程 ,它在 8s内可脱除绝大部分挥发物 ,然后是慢速脱挥发分过程 ;热失重仪炉温越高 ,煤挥发分析出量越大 ,有些煤快速热解可析出比其工业分析更多量的挥发分 ;煤越年轻 ,煤粒越细小 ,煤量越少 ,其挥发分析出量越大 ;煤粒快速热解焦渣电镜照片显示 ,焦渣颗粒黏结在一起 ,大颗粒表面有很深裂纹生成 ;煤挥发分的脱除速度是慢速热解 (升温速率 <40℃ /min)与快速热解的最大差异 .     

热等离子体裂解煤一步法制乙炔关键技术及过程经济性分析

热等离子体裂解煤一步法制乙炔过程为煤的直接化工利用提供了一条绿色、清洁和高效率的转化途径。基于兆瓦级热等离子体裂解煤反应器的研发,概述了已有的基础和工程研究成果,并重点从高效气固混合、结焦控制以及反应器优化与放大3个方面探讨了反应器的一些关键技术问题。从反应系统角度出发,基于对该过程的物料、能量衡算和经济效益分析结果,指出能量和物料的综合利用是该过程经济性的保证。     

热等离子体煤制乙炔裂解气烃类循环过程分析

针对等离子体煤裂解制乙炔过程, 提出了将过程裂解气中副产的烃类分离, 循环输入等离子体反应器的新型工艺流程。基于新疆天业2 MW示范平台装置的典型运行参数, 采用热力学分析手段, 理论上分析了该工艺流程对于体系乙炔产量、单位质量乙炔煤耗和裂解电耗等的影响。结果表明, 裂解气烃类循环可以有效提高裂解气中乙炔浓度和产率, 同时减少煤粉输送气等流程气体的使用。典型操作条件下, 采用裂解气烃类循环工艺可以增加35.6%的乙炔收率和13.4%的氢气收率, 降低30%的单位乙炔煤耗和裂解电耗, 是高效可行的优化方案。     

球型固体热载体煤粉热解过程传热计算及分析

为了优化球型固体热载体煤粉热解反应器和操作条件,建立了热载体球煤粉热解过程的传热模型。计算了不同热载体与煤质量比、热载体初始温度及煤粒径下的煤颗粒温度分布。结果表明:增加质量比、提高热载体的初始温度能够提高煤热解平衡温度,缩短达到平衡温度所需时间;减少煤粒径同样可以缩短达到热解平衡温度所需时间。在热载体初始温度973.15 K,煤初始温度373.15 K,热载体与煤质量比大于4时,煤热解温度才能高于732 K。     

Generalized model of heat transfer and volatiles evolution inside particles for coal devolatilization

Devolatilization is acknowledged as the first important step in coal conversion techniques. A comprehensive heat transfer and devolatilization model was established, with special consideration of the particle‐scale physics and chemistry, to predict the internal heat transport and pyrolysis behavior of particles. The chemical percolation devolatilization model with corrected kinetic parameters and structure parameters was validated with a lot of experimental data and then adopted to describe the devolatilization behaviors under a broader range of temperatures, heating rates, and coal types. The newly achieved understanding of the integrated effect of heating rate and coal type on coal devolatilization could help to provide a preliminary coal rank selection method for industrial processes. In particular, in‐depth discussion of the influences of heat conduction, volatiles diffusion, and endothermic heat of devolatilization inside particle indicated the dominant roles of these factors when the intensity of heat transfer was strong or the release of volatiles was rapid. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 2893–2906, 2014     

Rapid devolatilization and hydrogasification of bituminous coal

Rapid devolatilization and hydrogasification of a Pittsburgh Seam bituminous coal were studied and an appropriate coal conversion (weight loss) model was developed that accounts for thermal decomposition of the coal, secondary char-forming reactions of volatiles, and homogeneous and heterogeneous reactions involving hydrogen. Approximately monolayer samples of coal particles supported on wire mesh heating elements were electrically heated in hydrogen, helium, and mixtures thereof. Coal weight loss (volatiles yield) was measured as a function of residence time (0–20 s), heating rate (65–10000 °C/s), final temperature (400–1100 °C), total pressure (0.0001–7 MPa), hydrogen partial pressure (0–7 MPa), and particle size (70–1000 μm). Volatiles yield under these conditions increases significantly with decreasing pressure, decreasing particle size, increasing hydrogen partial pressure and increasing final temperature, but only slightly with increasing heating rate. The data support the view that coal conversion under these conditions involves numerous parallel thermal decomposition reactions forming primary volatiles and initiating a sequence of secondary reactions leading to char. Intermediates in this char-forming sequence can escape as tar if residence time in the presence of hot coal surfaces is sufficiently short (e.g. low pressures and small particles well dispersed). Hydrogen at sufficiently high partial pressure can interrupt the char-forming sequence thereby increasing volatile yield. Rate of total product generation is largely controlled by coal pyrolysis while competition between mass transfer, secondary reactions, and rapid hydrogenation affects only the relative proportions of volatile and solid products formed.     

固定床中热气体非稳态渗流传热与煤热解过程

针对煤燃烧前热解脱硫工艺 ,研究固定床中气体渗流传热传质与煤热解反应综合过程 ,建立多孔介质非稳态渗流传热传质与煤热反应相互作用的物理数学模型 ,研究不同情况下床内气固温度和煤热解挥发分析出浓度瞬态分布规律 .计算结果表明 ,固定床中煤料的热解反应主要发生在床层下部的热渗透作用区域 ,随着运行时间的延长 ,煤热解区段不断向床高方向推移 .提高热气入口温度 ,热渗透作用区域内的物料温度水平提高 ,煤粒热解反应期缩短 .在热作用区域 ,煤热解反应与渗流传热传质过程密切相关 .模型计算结果与文献中的实验数据进行了比较 ,两者符合较好 .研究结果对于煤燃烧前热解脱硫装置的设计与运行具有一定的参考作用     

非等温热重分析长焰煤热解过程与动力学特征

为提高煤热解过程中焦油的产率,用非等温热重分析方法研究了不同粒径、热解终温和升温速率条件下长焰煤的热解过程和机理,分析了20和100℃/min升温速率下长焰煤热解过程特征,并求解了热解动力学参数。结果表明,煤颗粒在2.8mm以下时,粒径对热解过程影响较小;热解终温越高,热解最终固体产物中挥发分产率越低;升温速率越快,挥发分的析出速率越快。在同一升温速率下,不同热解温度段得到的活化能呈现两头大中间小的特征,且指前因子随活化能的增大而增大。     

Experimental studies on pyrolysis of Datong coal with solid heat carrier in a fixed bed

An experimental apparatus was set up for batch simulation of coal pyrolysis with solid heat carrier in a fixed bed. Quartz sand as heat carrier preheated to about 700–800°C was mixed with Datong bituminous coal by an agitator. The thermal history of the coal particle has been followed by a K-type thermocouple. The effects of particle size, pyrolysis time and temperature on the gas yield during pyrolysis of coal with solid heat carrier were examined for different conditions. The experimental results showed that a dominant percentage of the gas product is produced during the first 1–3 min, although gas evolution would last for as long as 10 min. The total gas yield, insensitive to particle size of the heat carrier, depends on carrier temperature and coal particle size under tested conditions. The contact heat transfer of cold and hot particles was analyzed.     

基于过程强化与反应调控的煤定向热解制高品质油气产物基础研究及中试验证

对比了现有煤热解制油气技术的特点,从反应工程“三传一反”的角度系统分析和概括了煤热解过程中挥发分在颗粒内生成和释放、颗粒间扩散和反应器中停留等关键步骤中的热量、质量传递和挥发分二次反应对油气品质的影响,揭示了目前碎煤热解制油气技术普遍存在的目标产品产率低、品质差、含尘量高等技术难题的根源,并总结出煤定向热解调控的有效措施,即在挥发分生成和半焦缩聚段采用高温加热和快速传递的传热方式,在挥发分扩散过程中利用半焦床层重整焦油和过滤灰尘,在反应器中设置气体通道导流挥发分的定向溢出。针对研究团队前期开发的内构件移动床定向热解理念,介绍了导热板和集气腔等内构件的作用机制,即通过导热板和中心集气腔等内构件进行传热强化、热解气流动的有序引导,实现热量和挥发分的同向扩散和传递;通过移动床中颗粒的缓慢运动和床层的过滤作用除尘;概述了1~5 kg/次基础实验、反应器结构内传热和流动模拟,100 kg/次模试分析和1000 t/a中试验证的研究结果,充分证实了该技术在同步提高油气质量与品质、降低油中尘含量等方面的优势和对碎煤原料的适用性;基于上述研究形成了内构件定向热解技术及基于该技术的热/电-油-气联产技术。     

沛城煤矿天然焦的热解特性

天然焦是一种热值在18～28 MJ·kg-1 的化石燃料，虽储量丰富，但多被弃用，有待于开发利用。采用TG-FT-IR联用技术在Thermax500 型加压热重分析仪上比较徐州沛城煤矿天然焦与徐州韩桥烟煤的热解过程，并利用VECTOR 22 型红外分析仪对热解产物进行了分析。考察了升温速率、热解终温、颗粒尺寸和压力对天然焦热解特性的影响。结果表明，与煤的热解过程不同，天然焦的热解没有半焦形成阶段，只包括了2 个不同的脱气阶段；随升温速率的提高，TG曲线向高温区偏移，升温速率对天然焦挥发分的析出量几乎没有影响；热解终温对试样挥发分析出量的影响较为明显，高温时，试样颗粒在显微镜下呈现出丰富的微孔结构，有利于挥发分的析出和还原活性的提高；颗粒粒度的减小有利于挥发分的析出；低于某特定温度，热解压力的影响较弱，当温度继续升高，压力的影响逐渐明显。     

流化床煤燃烧过程不同气氛下的气态氮释放特征

利用微型流化床反应装置,结合快速过程质谱仪,在850~940℃操作温度下,研究了三种不同粒度分布烟煤和无烟煤在热解、气化和燃烧反应条件下四种主要气态氮产物HCN、NH₃、NO和NO₂的释放规律。结果表明,微型流化床可以实时检测挥发分氮和焦炭氮的动态释放序和类型,热解、气化和燃烧反应气氛的改变主要影响HCN和NH₃的释放量。热解产物的气态氮主要是来自于挥发分,燃烧反应的HCN和NH₃的释放量与温度有明显关系,而气化反应的各类气态氮释放量随温度变化波动不大。煤颗粒尺寸和温度变化对烟煤和无烟煤中各类气态氮释放量产生影响比较复杂,其中NH₃的释放特性是区分挥发分N释放和半焦N释放的重要特征。     

高硫煤泥燃烧过程中的汞排放特性

通过固定床程序升温汞脱附试验系统对所选高硫煤泥中汞排放特性进行在线监测,并利用热重分析仪对煤泥热解和燃烧特性进行研究,结合试验所得热解和燃烧特性参数,采用分布活化能模型,进行动力学分析。结果表明：煤泥的热解和燃烧过程可分为3个阶段,非等温条件下,随着升温速率增加,热解过程在高温区发生,最大失重率提升,对应峰值温度偏移,产生热滞后,利于挥发分析出;在煤泥热解过程中少量氧气的参与,抑制挥发分的析出,在7% O₂条件下综合热解特性参数值D最大。热解性能随CO₂浓度升高而得到改善;煤泥燃烧性能随升温速率的增加而得到加强,其活化能随转化率变化呈现“U”型趋势分布;煤泥中无机汞化合物主要为HgCl₂、α-HgS、HgSO₄以及硅铝酸盐类结合汞,总汞释放主要范围对应200~600℃;煤泥中汞释放量随O₂浓度增大,CO₂气氛条件下,随着CO₂浓度增加,总汞释放量逐渐增大。