生物质气化气还原NO的化学反应动力学机制及数值模拟

采用生物质燃料再燃方式既能减少NOx排放,又能减少CO2、SOx排放,因此生物质燃料再燃是具有优势的生物质能利用方式,成为再燃技术研究的新方向。生物质气化再燃相比较直接再燃,气化后再燃不会破坏锅炉的灰成分,同时锅炉受热面的积灰、结渣、腐蚀等问题也可以避免,尤其适合难以直接燃烧的生物质。生物质气化气还原NO的化学反应动力学机制研究有助于深入理解再燃过程,优化再燃效果。提出1套详细的化学反应动力学机制,并对稻杆气化气的再燃进行模拟与分析,针对温度、当量比这2个重要再燃参数,得出稻杆气化气再燃的最佳当量比为φ=1.1~1.5,最佳温度范围在1 300 K以上。     

生物质流化床空气水蒸气气化模拟

生物质气化是一种可有效利用生物质能源的热化学转化技术。该文利用大型化工流程模拟软件Aspen Plus建立生物质在流化床气化炉内空气水蒸气气化模型,并研究气化温度对产气组分的影响。将模拟结果与试验结果进行了对比,吻合良好,表明该模型具有一定的适用性。利用灵敏度分析功能研究了空气当量比(equivalence ratio,ER)和水蒸气/生物质质量比(S/B)对产气组分、热值以及气化效率的影响。结果表明:提高气化温度,产气中H2和CO2含量增加,而CO和CH4含量减小;在空气当量比为0.27时气化效率最高;当S/B取1.3~1.7范围时,产气热值较高,可达11.8MJ/m3。     

煤粉热解气还原NO的数值研究

基于详细的化学动力学模型Dagaut机理(1 006个反应,145种组分),利用Chemkin4.1软件中柱塞流反应器模型模拟了煤粉热解气再燃还原NO的反应过程,揭示了影响热解气还原NO 2种主要因素(温度和当量比)的作用规律,并研究了热解气中含硫组分对NO还原的影响。结果表明：当量比一定时,温度高于1 100 K后不利于热解气还原NO,当量比为1.25时热解气还原NO的最佳温度是1 100 K;温度一定时,随着当量比增加NO还原效率升高,1 200 K时热解气还原NO最佳当量比范围为1.2~1.6,且随着当量比增加反应器中HCN和NH3浓度增大,而N2浓度减少;在模拟的工况中,热解气中的H2S和SO2对NO还原效率的影响不超过5%,且H2S对NO脱除的影响大于SO2。     

低当量比下生物质气化的数值模拟

为了研究两级气化技术,针对鼓泡流化床建立生物质气化的三维模型,气相采用k-ε湍流模型,固相采用颗粒动力学理论,并加入化学反应子模型,研究了低当量比下生物质产气组分随当量比、富氧浓度和流化速度的变化规律,分析了产气组分中的焦油含量。结果表明:当量比增大时,CO和H_2的浓度先增大后减小,CO_2的浓度逐渐减小;随着富氧浓度的升高,CO和CO_2的浓度迅速增大,H_2的浓度略有下降;随着流化速度的增大,CO的浓度增大,CO_2的浓度减小,H_2的浓度略有增加;出口产气组分中的焦油含量相对较高,需要在下一步工艺中进行深度裂解。     

空气气氛下褐煤和木屑共气化特性模拟

针对煤和生物质在单独气化过程中存在的转换率低、气体热值低和焦油含量高等问题,笔者通过CHEMKIN软件建立流化床反应模型对木屑和褐煤的空气气化进行模拟试验,研究生物质掺混比例（木屑/褐煤）、空气当量比,对产气组分、气体产率、碳转化率、热值和气化效率的影响.分析结果表明,通过建立柱塞流反应模型,依据燃料自身特性,选取合适的掺混比和空气当量比（ER值）,可以得到高热值气体,并提高气化效率.     

上吸式秸秆气化炉中当量比对气化特性的影响

我国拥有丰富的农作物废弃物生物质资源,生物质气化技术是洁净高效利用生物质能的有效途径。以自行研制的上吸式秸秆气化炉为研究对象,通过实验研究的方法,研究了当量比Φ对该气化炉气化特性的影响。结果表明:在实验工况下,最佳气化当量比Φ为0.25~0.3,此时气化区平均温度在950℃,秸秆气化煤气低位热值平均可达5.98MJ/m3(标准立方米),气化强度达到137.7kg/(m2·h),产气率为1.68m3/kg,碳转化率为86.4%,气化效率为73.3%。当Φ0.3时,气化煤气焦油含量随Φ增加较缓慢,但当Φ0.3后,煤气焦油含量迅速提升。     

地下气化煤气作为多组分还原性气体脱硝的实验研究

为了揭示再燃过程中地下气化煤气作为多组分还原性气体(H2、CO等)降低还原NO的影响规律,在气体反应器实验台上进行了多组分还原性气体脱硝的实验研究。实验结果表明：反应温度不变时,化学当量比增大,NO脱除率逐渐降低;化学当量比较低时,随着反应温度的升高,NO脱除率逐渐升高;化学当量比较高时,再燃区存在一个最佳反应温度条件;停留时间对多组分气体再燃脱硝的影响规律表明,为提高再燃过程的脱硝效率,在锅炉设计时应尽量增加再燃燃料在再燃区的停留时间;再燃燃料比的增加使再燃区还原性气体浓度增加,这必然提高NO与还原性气体的反应速率,有利于进一步提高NO脱除。实验结果有利于了解多组分还原性气体再燃降低还原NO特性,组织良好的燃烧条件,可为理论研究提供参考依据。     

稻壳空气／水蒸气气化再燃特性实验研究

为解决生物质燃料热化学转化过程中,生物质灰易结渣和气化气含量焦油高的2个难题,提出生物质低温气化后再燃的实验方案,并在自行设计的生物质气化再燃实验台上,通过改变稻壳气化介质的过量空气系数（αag）和雾化水与气化空气质量比S／A,利用高温热电偶测量了距震动炉排500mm处气化室的温度,以及炉膛内火焰锋面温度;并利用SP．3420A气相色谱仪离线分析了不同工况下,震动炉排上方1000mm处气化室的气体的体积百分含量。实验结果表明：随着αag的增大和S／A的降低,气化炉内的温度升高;而粗合成气燃烧形成的火焰锋面温度随αag和S／A的增大而降低;在αag=0．35,S／A=0．10时,气化炉内H2的体积百分含量最大CO的体积百分含量随着αag的增大而增大,但增大的趋势逐渐减小;CH4的体积百分含量随着αag的增大而增小,随S／A的增大有缓慢增大趋势。该文试验和分析结果为生物质气化再燃锅炉的设计和运行提供了依据。     

含氮低热值气体燃烧NO_x排放特性研究

对燃用生物质等含氮固体原料低热值气化燃气时NO_x的排放特性进行实验研究。利用NH_3作为燃气中的含氮组分模化物,与多种组分气按比例掺配组成人工燃气,考察含氮燃气在预混燃烧和强制对流扩散燃烧条件下,NH_3质量浓度、燃烧温度、过量空气系数对NO_x排放的影响。结果表明:含氮燃气燃烧产生的NO_x主要是NO,生成的少量NO_2主要由NO氧化形成;随NH_3质量浓度增加,NO排放质量浓度增加,但是NH_3转化为NO的比例降低,预混燃烧比强制对流扩散燃烧条件下NH_3向NO的转化率高;预混燃烧条件下,温度越高NO排放质量浓度越高,而强制对流扩散燃烧时,NO排放质量浓度在低温区随温度升高而升高,但是在高温区有降低趋势;过量空气系数对强制对流扩散燃烧条件下NO排放的影响大于预混燃烧,过量空气系数对2种燃烧条件下NO_2的排放都有促进作用;在一定的燃烧温度和NH_3质量浓度下,分级燃烧组织中存在一个合适的预混比40%,使得NO的排放质量浓度最低。     

煤粉预热–燃烧耦合过程中NO生成研究

为探究煤粉预热-燃烧耦合过程中NO生成规律,借助2个串联的高温管式炉详细研究预热区温度、停留时间及空气当量比对NO生成影响,并借助Chemkin Pro利用反应动力学进行NO生成模拟与生成率(rate of production,ROP)机理分析。实验结果表明:预热温度升高,预热停留时间延长,均降低NO生成;随预热区空气当量比增加,NO生成量先减小后增加,最佳空气当量比约为0.4。煤粉预热-燃烧过程中NH_2、CH_3、HCCO、NCO和HCO为主要的NO还原基团,且CH_i对NO的还原作用显著强于含氮化合物。此外,预热区O活性基团的存在是NO还原的关键。     

基于灰色GM(1,1)模型预测固废气化焚烧污染物排放

基于灰色理论,建立了有机固体废物气化处理气化燃料燃烧气态污染物部分组分浓度的GM(1,1)预测模型、预测精度评估,并编制了相应的M atlab应用程序。以氧气流量为3 m3/h,混合固废物料(12.9%稻壳、15.8纸屑、17.5%树叶、24.8%蒿草、29.0%内胎)在不同温度(650℃、700℃、750℃、800℃、850℃)气化时焚烧气结果为例,建立了不同温度下NO、NO2、NOX、SO2含量的GM(1,1)模型,利用该模型预测混合固废物料900℃气化焚烧气的产气组分中NO、NO2、NOX、SO2的含量分别是57.133 9 ppm、9.911 1 ppm、69.764 3ppm、28.774 7 ppm,残差百分率最大的是NOX,仅为-2.9534%,说明GM(1,1)模型预测精度较好。     

生物质气化焦油催化裂解脱除过程的建模与优化

通过对生物质气化过程中影响焦油催化裂解率因素的分析,依据最小二乘支持向量机建立了稻秆气化焦油催化裂解脱除过程的优化模型,并进行了验证,在此基础上对焦油催化裂解脱除过程做了参数优化计算.结果表明,该模型具有较好的泛化能力和拟合效果,可有效地模拟生物质气化焦油催化裂解脱除过程.     

生物质热裂解试验制焦油特性研究

在小型固定床热解炉内对部分典型的生物质物料进行热裂解试验,研究了热裂解产物中焦油的产率以及芳香族组分分布特性。结果表明:物料挥发分和水分含量越高,生物质热裂解反应生成焦油(含水)的产率也相应提高。随裂解温度的提高,焦油的产率先升后降呈阶段性变化;改变热裂解终温将会改变焦油中组分分布,特别是在650℃较高温度时组分分布发生较大改变。生物质热裂解焦油中的4种芳香烃中苯和萘是主要组分,联苯和芘是微量组分。随热裂解温度升高,焦油中苯的含量逐渐减少,而萘的含量逐渐增加。     

10.8 MW农林废弃物循环流化床气化装置性能试验研究

作为全国首个以高钾氯含量秸秆为主要原料的生物质气化耦合发电项目,某10.8 MW生 物质气化耦合燃煤发电厂成功实现未成型复杂多变特性农林废弃物的大型工业混合气化。为探究不同气化温度对大型农林废弃物循环流化床气化装置性能的影响,该电厂开展了额定负荷下50%稻壳-50%林业废弃物为燃料的性能测试试验。结果表明:当气化温度从700 ℃升至750 ℃时,可燃气组分体积分数和混合生物质气化后的湿燃气低位热值均先增加后减小;气化燃气中焦油质量浓度有微小上升,气化效率和气化热效率不断增加;750 ℃时,气化效率和气化热效率达到最大,分别为70.16%和89.16%。研究结果可为大型工业气化装置混合气化的优化运行提供一定的数据支持。     

热管式生物质气化炉间接气化模拟研究

建立了热管式生物质气化炉间接气化的动力学模型,研究气化温度和水蒸气与生物质添加量之比(简称为S/B)对气体组分、热值和气体总产率的影响。结果表明:H2和CO的体积分数随着气化温度的升高而增加,CO2的体积分数随着温度的升高而减少;增加S/B有利于H2和CO2的产生,不利于CO的生成;生物质气化气体产物中H2的体积分数在50%~60%之间时,气体热值可高达10MJ/m3。     

修正离散随机孔模型应用于两种秸秆生物质焦CO_2气化的动力学研究

生物质以其产量大、CO_2零排放等优点成为替代化石燃料的重要可再生能源。文中以中国2种典型生物质玉米秆焦和稻草焦为研究对象,在热重分析仪上对玉米秆焦和稻草焦CO_2气化特征进行研究。根据反应过程中生物质焦颗粒孔隙表面积与反应速率之间的关键关系,并基于其气化过程中在非常小时间微元内有效反应面积的修正,利用一种微元分析法求解随机微分方程,从而建立了在化学反应控制条件下预测生物质焦气化行为的修正离散随机孔模型(MDRPM)。通过与离散随机孔模型(DRPM)比较发现,修正离散随机孔模型的预测值比DRPM的预测值更接近实验数据,并利用该模型分析了在不同温度下玉米秆焦和稻草焦CO_2气化的特性。     

稻壳与水蒸气分段热解气化流程模拟

生物质分段热解气化工艺通过提升反应温度提高碳转化率、降低焦油含量。该工艺过程中利用部分生物质热解气化产气在气化炉外部的燃烧器进行燃烧产生高温烟气,为热解、气化过程提供热量。该文选取稻壳为原料,利用Aspen Plus软件,模拟稻壳与水蒸气分段热解气化工艺过程,该过程考虑了热量回收与利用以及产气的部分循环利用,通过流程模拟,分析了气化温度、水蒸气通入量对产气各组分的产量、碳转化率、产气低位热值的影响。结果表明:利用总产气量的15.4%~20.5%用于燃烧可实现分段热解气化工艺的热量自给。随着气化温度的升高,产气中H2和CO含量增加,碳转化率升高,产气低位热值在气化温度为700℃时最低,随后逐渐升高;水蒸气的通入量增加会提高H2和CO2的产量,使碳转化率升高,产气低位热值降低;在气化温度为800~1 000℃内,w(H2O)/w(B)0.15(水蒸气与生物质质量比)时,CO的产量随水蒸气的通入量增加而减少,碳转化率接近100%。     

恒温下生物质灰对煤焦气化的影响

生物质灰中含有K、Ca等具有催化作用的碱金属元素,因此生物质灰对焦样的气化可能产生催化作用。在热重分析仪上进行了煤与生物质的掺混气化实验,通过生物质灰与煤焦共气化和对焦样进行脱灰处理研究了生物质灰对掺混气化的影响。研究结果表明,生物质灰对焦样的气化过程有催化作用,松灰比麦灰有更好的催化作用。脱灰会使焦样的气化反应性降低,从侧面反应了生物质灰的催化作用。     

煤粉/生物质恒温混燃NO排放的协同特性

为探讨煤粉/生物质恒温混燃NO排放的协同特性,利用管式炉实验系统对煤粉/生物质恒温混燃进行实验,探讨了掺混比、温度及煤种等因素对其影响规律.研究表明,随着生物质掺混比的增加,燃烧初期的NO析出加快,NO排放曲线呈现的拐点前移,最终NO析出率降低,煤粉与生物质NO排放的协同作用增强;温度的升高总是有助于NO的生成.随着温度的升高,煤粉与生物质NO排放的相互作用逐渐减弱;掺混生物质,能够抑制挥发分含量高的煤种NO排放,对低挥发分含量煤种的NO排放表现出促进作用.     

生物质气化燃气耦合煤粉低氮燃烧的CFD数值模拟

针对生物质气化耦合煤粉低氮燃烧发电技术,考虑该技术包括煤粉和生物质气化燃气两类燃料特点,开发基于ED湍流燃烧模型的CFD数值模拟框架,建立了新型焦炭燃烧与气化模型和气相组分燃烧模型,进一步讨论了煤焦燃烧气化模型中离散项与连续相之间的质量、组分、动量和热量的耦合方法。在此基础上,通过编写UDF将新模型添加到商业CFD计算软件Fluent平台上,并对模型进行了验证。然后将所开发的模型和数值方法应用于600MW超临界对冲火焰锅炉的生物质气化耦合煤粉低氮燃烧的数值模拟,计算结果表明,新的模型可以非常合理的计算旋流燃烧器区域及炉膛前后墙、侧墙上的温度及浓度分布。文中所开发的CFD数值模拟框架、焦炭燃烧气化模型和气相组分燃烧模型以及数值实现方法,可以用于生物质气化耦合煤粉低氮燃烧发电技术的设计与优化。