多喷嘴对置式气化炉内颗粒挥发分火焰可视化研究

基于实验室规模多喷嘴对置式水煤浆气化炉及其可视化装置,研究了气化炉喷嘴平面非射流区颗粒挥发分燃烧过程。结合图像处理技术,在气化条件下对粒径小于300 μm颗粒挥发分火焰尾迹形态及变化过程进行分析。研究结果表明,颗粒挥发分火焰非典型包络型火焰,而是形成挥发分火焰尾迹。颗粒挥发分尾迹形态受颗粒脱挥发分所处阶段和颗粒相对于气流的运动状态的影响,随时间不断变化。颗粒挥发分最大火焰尺寸随颗粒粒径增加而增加。气流床气化还原性气氛条件下颗粒挥发分燃烧时间较颗粒在富氧气氛中燃烧时间显著增加。     

新型干煤粉气流床气化炉的冷态数值模拟

为了考察基于无焰氧化技术所提出的新型干煤粉气流床气化炉的流场和颗粒停留时间分布特性,对该气化炉进行三维冷态数值模拟研究,得到了不同工况下的模拟结果,可知:单喷嘴切向进气工况导致炉内速度场发生了偏移;双喷嘴中心对称切向进气工况导致炉内形成外圈速度大、内圈速度小的对称旋转梯度场。随着进口总气速、颗粒平均直径和颗粒密度的增大,气化炉内颗粒停留时间逐渐减小。颗粒停留时间随颗粒平均直径增大的减幅较随颗粒密度增大的减幅更大。当颗粒入射角度为正时,随着入射角度的增加,颗粒停留时间逐渐增大;当入射角度为负时,随着入射角度的增加,颗粒停留时间逐渐减小。     

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。     

复合流化床低阶煤热解制备兰炭的工艺条件

以不同粒径范围的新疆准东煤为原料,在耦合下部流化床和上部输送床的复合流化床中热解制备兰炭,考察了热解温度、过量氧气系数、气化温度、煤颗粒停留时间等对热解产物分布和热解半焦性质的影响. 结果表明,随过量氧气系数、气化温度和颗粒平均停留时间增加,气体产率升高,半焦和焦油产率降低;半焦的比表面积随气化温度升高而增大,而随过量氧气系数增大先增大后减小. 当煤从下部流化床进料时,在过量氧气系数0.11、流化床气化温度850℃、输送床热解温度750℃、流化床内煤颗粒停留时间90 s的操作条件下,可制备出固定碳含量超过83%(w)、挥发分含量低于9%(w)的兰炭.     

单颗粒煤挥发分火焰碳烟演化实验研究

搭建单颗粒煤燃烧检测平台,进行了单颗粒煤挥发分火焰中碳烟生成的检测研究。基于高速摄像仪检测得到的碳烟体积分数分布,结合热泳探针技术和扫描电子显微镜对挥发分火焰中碳烟颗粒的形貌进行分析,探究了单颗粒煤挥发分火焰中碳烟分布特征及演化过程。结果表明:在稳定燃烧阶段,最大碳烟体积分数出现在尾焰低温区,且相同燃烧条件下烟煤的碳烟体积分数较高;挥发分火焰的初期碳烟分散在焦油中,伴随焦油被消耗,碳烟颗粒由簇状团聚为尺寸更大的链状;成熟碳烟颗粒团聚物中,大同烟煤和神华烟煤燃烧生成的碳烟形貌参数相近,印尼褐煤燃烧生成的碳烟平均主颗粒粒径小、分形前置因子最大,团聚结构更紧凑。     

煤粉粒径对HNCERI气化炉碳转化率与固/液渣层分布的影响

以中国华能集团清洁能源技术研究院（Huaneng Clean Energy Research Institute,HNCERI）两段干粉加压气化炉为研究对象,采用考虑了焦炭颗粒表面气体组分扩散效应的随机孔模型计算焦炭气化反应速率以评估碳转化率。同时,耦合熔渣子模型计算气化炉一段壁面固液渣层分布特性和热损失,研究了煤粉粒径对HNCERI气化炉碳转化率和固液渣层分布特性的影响。结果表明所构建的模型可以准确预测气化炉出口主要气体组分组成、碳转化率和气化炉一段壁面热损失;气化炉一段碳转化率受固有气化速率和停留时间控制,二段主要受颗粒停留时间控制;因此,通过减小煤粉粒径可以减小气体在颗粒表面扩散阻力,有利于提高气化炉一段碳转化率,而适量增加煤粉粒径可以增加煤粉颗粒在气化炉二段的停留时间,有利于提高二段碳转化率。模拟结果显示煤粉颗粒粒径从20μm增加到200μm,一段碳转化率从99.68%降低到了95.06%,二段碳转化率从69.03%增加到了89%。煤粉粒径对气化炉上缩口和直段壁面液态渣层分布影响很小,但显著影响固态渣层厚度的发展。     

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 .     

气流床气化炉综合模型及颗粒粒径对气化结果的影响研究

采用颗粒停留时间分布表征炉内颗粒流动,建立了一种考虑了炉体结构、颗粒粒径以及煤焦反应动力学的气流床气化炉综合模型,其中包含了煤脱挥发份、均相反应、非均相反应、气-固相能量方程、相间传热等子模型。模拟结果与多喷嘴对置式水煤浆气化炉工业运行数据吻合良好,考察了气相组分、温度以及不同粒径颗粒的碳转化率和温度在炉内的一维无因次分布。对模拟结果的分析表明:煤颗粒的预热、脱挥发份和燃烧过程在约30 ms内完成,气化过程占颗粒反应历程的绝大部分;气化炉内100μm以下的小颗粒升温速率快,且温度较高,碳转化率基本接近100%;而200μm以上的大颗粒升温速率较慢,碳转化率较低,影响了气化炉整体碳转化率。     

粉浆气化炉内流场分布数值模拟研究

为了深入分析粉浆耦合气化技术的反应机理,以粉浆气化炉为研究对象,分别建立了气化炉的热力学模型和动力学模型。基于Fluent软件,对气化炉内粉浆气化过程进行了数值模拟和优化分析,考察了炉侧水煤浆喷嘴入射角度的变化对气化性能的影响。结果表明:采用顶部喷嘴干粉进料的粉浆气化装置是可行的,该进料方式可有效保护气化炉拱顶不受高速气流冲击的影响;随着炉侧水煤浆喷嘴入射角度的减小,颗粒停留时间延长,碳转化率提高,合成气组分更理想,但炉侧水煤浆喷嘴入射角度不宜过小。     

《煤炭转化》2007年第30卷总目次

序号题目期页研究与开发1微波条件下两种煤丙酮萃取物的GC/MS分析112煤热解过程中气态产物分布的研究153无烟煤二氧化碳气化反应动力学研究1104不同煤阶煤成焦过程中密度及挥发分的变化1145苯磺酸对镇城底煤电化学强化浮选脱硫的研究1186水煤浆气化炉的形式和新型气化炉的开发1     

运用Gibbs自由能最小化方法模拟气流床煤气化炉

基于 Aspen Plus工业系统流程模拟软件 ,运用 Gibbs自由能最小化方法建立了气流床煤气化炉的模型 .研究了气化炉的主要操作参数 (即水煤浆浓度、氧煤比、碳转化率和气化温度 )对气化结果的影响 .对模拟结果进行了分析 ,发现模型基本正确 ,可应用于一些反应机理复杂的气化工艺的化学和热力学平衡计算 .模拟结果表明 ,氧煤比和水煤浆浓度是影响气化炉出口煤气组成的主要因素 ,气化炉温度随着氧煤比的增加而增加 ,也随着水煤浆浓度的增加而增加 .结果还表明 ,氧煤比对气化结果的影响比水煤浆浓度的影响更为显著     

Numerical study on the coal gasification characteristics in an entrained flow coal gasifier

The coal gasification process of a slurry feed type, entrained-flow coal gasifier was numerically predicted in this paper. By dividing the complicated coal gasification process into several simplified stages such as slurry evaporation, coal devolatilization and two-phase reactions coupled with turbulent flow and two-phase heat transfer, a comprehensive numerical model was constructed to simulate the coal gasification process. The k– turbulence model was used for the gas phase flow while the Random-Trajectory model was applied to describe the behavior of the coal slurry particles. The unreacted-core shrinking model and modified Eddy break-up (EBU) model, were used to simulate the heterogeneous and homogeneous reactions, respectively. The simulation results obtained the detailed information about the flow field, temperature and species concentration distributions inside the gasifier. Meanwhile, the simulation results were compared with the experimental data as a function of O₂/coal ratio. It illustrated that the calculated carbon conversions agreed with the measured ones and that the measured quality of the syngas was better than the calculated one when the O₂/coal ratio increases. This result was related with the total heat loss through the gasifier and uncertain kinetics for the heterogeneous reactions.     

1.5 MPa多喷嘴对置式水焦浆气化炉的模拟与优化

针对w（水焦浆）和氧焦比预测优化过程未采用严格反应机理模型,工艺参数的预测优化与实际生产存在较大偏差的情况,以UniSim Design流程模拟软件为工具,采用Gasifier反应器严格机理模型建立了1.5 MPa多喷嘴对置式水焦浆气化炉模型,并根据工业数据对水焦浆气化炉进行标定,标定结果相对误差小于2%,同时研究了氧焦比和w（水焦浆）对焦煤气化工艺参数的影响。结果表明：w（水焦浆）和氧焦比是影响水焦浆气化过程和粗煤气组成的关键因素,通过气化炉模型标定和优化分析,石油焦的氧焦比控制范围为0.95~1.10,为焦煤浆气化工艺生产实践指导提供了理论依据。     

新型两段式气化炉的数值分析

对一种新型两段式水煤浆气化炉的气化效率进行了数值计算和分析。模型中将水煤浆的气化过程分为水分蒸发、煤热解、气相反应和气固异相反应等子模型。气相反应速率需同时考虑湍流混合和化学反应机理,气固反应的速率采用未反应缩芯模型。运用可实现k-ε模型描述气相湍流流动,随机轨道模型追踪水煤浆颗粒的运动。以中试多喷嘴水煤浆气化炉为建模基础,验证了该水煤浆气化模型的准确性。模拟计算得出新型两段炉的有效气组分含量为85.91%,冷煤气效率为76.42%。     

水煤浆水冷壁废锅气化过程的模拟研究

采用Aspen Plus流程模拟软件模拟了水煤浆水冷壁废锅气化过程,并将模拟结果与工业运行数据对比,验证了模型准确性。在此基础上,分析了气化压力和水煤浆浓度对气化温度、有效气产量、合成气组成、氧煤比、比氧耗和比煤耗等气化参数的影响。结果表明,气化压力对气化过程基本没有影响,可根据需要选择适宜压力;当保持氧气流量恒定时,随水煤浆浓度增大,有效气含量增加,气化温度升高,即提高水煤浆浓度易导致气化炉飞温,因此进一步研究了在前述模拟条件不变,且保持气化温度恒定时,水煤浆浓度变化对气化参数的影响。结果表明,随水煤浆浓度增大,氧煤比降低,有效气含量增加,比氧耗、比煤耗降低,因此在气化炉不超温的情况下,应尽量提高水煤浆的浓度,以降低系统能耗。     

盈德清华炉水煤浆气化工艺的影响因素研究

以过程模拟软件为工具,通过合理的简化与假设,建立了以氧气为气化剂的水煤浆气流床煤气化的研究模型,模拟计算了盈德清华炉的水煤浆气化过程,分析了煤中碳含量、灰分含量、水煤浆质量分数、操作温度、水冷壁副产蒸汽量等因素对比煤耗、比氧耗、合成气产量、合成气中各气体组分含量的影响。模型计算结果与生产实际运行数据对比表明,该模型能较好地反映运行工厂的实际生产情况。利用经过生产实际运行数据修正的研究模型,可研究煤质组成、煤浆质量分数、操作温度、水冷壁副产蒸汽量等因素对主要气化工艺指标的影响。     

Experimental Study on a Hot‐Oxygen Burner in a Bench‐Scale Gasifier

The direct‐ignition technology of an entrained‐flow coal‐water slurry gasifier with hot‐oxygen burner (HOB) is presented. Experimental tests were carried out using diesel oil and coal‐water slurry in a bench‐scale entrained‐flow opposed multi‐burner (OMB) gasifier. Using a CCD camera equipped with high‐temperature endoscope, flame images inside the gasifier were recorded and subsequently processed. The results show that the HOB diesel flame is more stable than the normal two‐channel burner flame typically used. Entrained‐flow coal‐water slurry gasifiers can start up using the HOB directly without a higher preheated wall temperature. An HOB can potentially save gasifier preheating time and operation costs and enables a wide range of future applications.     

煤气化细灰及其原煤的热解特性与官能团特征

对气流床水煤浆气化细灰和粉煤气化细灰及其原煤的热解特性与官能团特征进行研究,结合工业分析、元素分析、红外光谱(FTIR)方法以及热重-质谱联用(TG-MS)技术,分析了两种气化工艺所得细灰的特性,以及细灰与原煤官能团结构特征的差异。结果表明,气化细灰在经历煤气化过程后仍有部分挥发分未完全分解,细灰中的挥发分含量与其气化工艺有关;煤气化过程中,部分官能团未分解,并可能有部分官能团重排生成了较稳定的含氧化合物等新官能团。     

A novel process for preparation of an ultra-clean superfine coal–oil slurry

A novel process for the preparation of an ultra-clean superfine coal–oil slurry is presented. The process uses a high-pressure water-jet mill and a pumping slurry jet mill for coal superfine comminution. The mean diameter of coal particles in the slurry is 2.71 μm, and the ash content is 1.05%. The stability, rheological behavior, and heat value of the slurry are investigated. The results show that the ultra-clean superfine coal–oil slurry has a high heat value, a high level of stability, and low viscosity. The slurry can be used as fuel in a high-speed diesel engine. The total energy consumption of comminution of the coal particles to reduce the mean diameter from 3 mm to about 2.71 μm is 124 kW h per ton, which is lower than the total energy consumption by traditional ball mills by about 50–70%.