基于Aspen Plus的生物质化学链气化耦合CO2裂解模拟研究

生物质化学链气化耦合CO₂裂解技术能够在产生高品质合成气的同时将CO₂转化为CO,是可以同步实现CO₂增量降低和存量减少的有效手段之一。使用Aspen Plus软件,建立了生物质化学链气化耦合CO₂裂解过程的模型,研究了温度、压力和生物质与氧载体质量比(m(Biomass)/m(Oxygen carrier),简称m_B/m_O)对反应产出合成气组分、气化特性参数和系统热负荷的影响。结果表明：随着温度的升高,反应产出的合成气中CO、H₂含量呈现上升趋势,CO₂、CH₄含量下降,产气热值增大,且在高于800 ℃时趋于稳定,反应温度在1000 ℃以下时,系统产热可以满足反应需要;当反应压力由0.1 MPa提高至0.5 MPa时,H₂、CO含量下降,CO₂含量提高,合成气热值下降,系统整体放热量增大;当m_B/m_O增大时,生物质进料量逐渐增多,氧载体还原产物中Fe含量增大,FeO含量降低,合成气热值上升;当m_B/m_O在0.3~1.3区间内时,系统产热可以满足系统反应所需。耦合CO₂裂解反应器后碳转化率有较大提升,并且在m_B/m_O为0.7时提升最为显著。     

低温等离子体二氧化碳和生物质炭协同反应特性

提出了生物质炭增强CO₂低温等离子体裂解反应的新方法，将碳作为CO₂裂解反应的还原剂，利用低温等离子体反应器实现C与CO₂Boudouard反应发生，促进产物O₂含量减低和CO产率提高。石英棉和生物质炭填充在介质阻挡放电低温等离子体反应器中，通过添加保温装置改善反应区域内部温度，考察CO₂流量、施加电压和反应区域温度对CO₂转化率、能量效率及产物分布的影响。结果显示：生物质炭的填充可有效地抑制产物O₂摩尔，提高CO的产率；施加电压和反应区域温度都是影响CO₂Boudouard反应的重要因素；随着保温装置的添加和施加电压的升高，CO₂Boudouard反应更容易发生，CO₂转化率和产物CO与O₂摩尔比逐步升高；当施加电压为25 kV时，CO₂Boudouard反应对CO₂转化贡献率达到35%,CO_...     

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。     

中药渣双回路循环流化床气化试验

中药渣是中药材煎煮后的残余物,其热解气化是中药渣类生物质处理应用的重要选择方向。为此,采用带有二级返料装置的循环流化床,对杞菊地黄丸药渣进行了气化试验。以200 ℃热空气为气化剂,研究了二级返料装置开启前后空气当量比（ER）对气化特性的影响,结果表明：①随着（ER）的增大,气化炉内温度升高,燃气热值和燃气中焦油含量降低,气化效率先增大后减小;②二级返料装置闭合时,较好的ER取值范围为0.24~0.30、燃气热值为5 100~5 800 kJ/m³、气化效率为71%~74%;③二级返料装置开启时,理想的ER取值范围为0.26~0.30、燃气热值为5 400~5 900 kJ/m³、气化效率为76%~78%。在二级返料装置开启状态下研究了水蒸气配比S/B对气化过程的影响,结果表明：①空气当量比为0.28时,随着S/B的增大,气化炉内温度逐渐降低,燃气中焦油含量升高,燃气热值先增加后减小,当S/B为0.4时燃气热值取得最大值（6 200 kJ/m³）;②在相同ER条件下,二级返料装置开启状态下燃气热值及气化效率均高于闭合状态。该研究成果可以为中药渣废弃物的高效清洁利用提供参考。     

CO2状态方程适应性对比研究

气体状态方程被广泛应用于计算CO₂的各项物性参数,但CO₂物性参数对温度和压力较敏感,不同状态方程计算的结果有偏差。针对目前常用的状态方程开展适应性研究,基于不同温度和压力条件下CO₂物性参数实验值对比分析了不同状态方程的计算结果。结果表明：1)GERG对CO₂密度及压缩因子具有较高的计算精度。计算CO₂密度时蒸汽区平均相对偏差小于0.5%,气相区小于1%;2)SW方程计算CO₂定压比热的平均相对偏差为0.29%,计算焦汤系数的平均相对偏差为0.87%;3)Fenghour法计算的黏度最大相对偏差不超过0.5%,平均相对偏差为0.34%,计算结果误差较小;4)V-W法对CO₂导热系数的计算结果与实验值较吻合,其平均相对偏差仅为1.24%。研究结果为油气田开发过程中涉及的CO₂物性参数计算提供了一定的参考依据。     

Ni的价态对接触剂上焦炭气化反应的影响

针对劣质重油接触裂化-焦炭气化过程中大量沉积于接触剂上的Ni金属，开展了不同价态Ni对接触剂上焦炭气化反应影响的研究。采用X射线衍射、静态低温容量吸附、X射线光电子能谱和H₂程序升温还原等方法对Ni污染接触剂进行了表征，并在小型固定流化床装置上考察了沉积于接触剂上的不同价态Ni对焦炭气化反应的影响，结果表明，在贫氧条件下，高价态Ni(质量分数小于2%时)对焦炭气化反应生成CO的选择性有促进作用，但低价态Ni对生成CO的选择性有负作用。对CO氧化的试验结果表明：接触剂上高价态Ni抑制了CO氧化生成CO₂的反应，但低价态Ni对该反应有促进作用；反应温度对CO氧化生成CO₂的影响较大，当温度为730℃时，CO氧化反应速率增加很快；增加原料气中O₂含量可促进该反应中CO₂的生成，而增加原料气中CO₂含量则对该反应产物的n(CO)/n(CO₂)影响较小。     

C8芳烃异构化催化剂内气相有效扩散系数的计算

针对C₈芳烃异构化反应中二甲苯等6种反应物在催化剂内的扩散过程,建立一种气相有效扩散系数的计算方法。根据此方法计算得到不同反应压力和温度的条件下,C₈芳烃异构化反应体系中6种气相物质在催化剂内扩散的有效扩散系数,验证了方法的可靠性,并讨论了温度和压力对分子扩散系数的影响,结果表明：随着压力增大,气体密度增大,分子间距变小,分子间作用力变大,分子扩散系数减小;而根据分子运动论,随着温度的升高,气体运动速率和扩散速率都会变大,分子扩散系数增大。     

煤气化炉

提供一种通过产生富氢的煤气化气体来实现变换反应器小型化的煤气化炉。在煤气化炉内投人气化原料如煤和气化剂,通过气化反应产生煤气。期间,将水和蒸汽中的至少一种加入到气化炉中作为在气化反应的同时促进生成氢的反应的原料。     

基于TG-FT IR分析的木屑热解机理

采用热重 红外联用（TG-FT IR）方法考察了木屑的热解规律,选择Kissinger和Ozawa 2种算法对木屑热解动力学参数进行估算,并采用固定床实验装置考察了木屑热解反应温度对产物分布的影响。结果表明,在不同升温速率及热解终温为950℃的热解条件下,木屑底物的失重率维持在77%～83%,且热解产物以气相产物为主,包括CO₂、CH₄、CO等;当温度高于200℃时,底物出现明显的热解过程,最高失重率下对应的温度随着升温速率的增加而升高。Kissinger和Ozawa 2种算法得出木屑热解反应活化能E分别为130.14和133.21 kJ/mol,频率因子lnA分别为  26.28和26.47 min^-1。木屑热解较理想的热解温度应控制在700℃以上,此时热解产物以CO、CO₂、CH₄、H₂气体为主;随着温度的升高,CO体积分数迅速下降,H₂体积分数迅速上升,CO₂和CH₄的体积分数基本不变。木屑固定床热解实验结果与其TG-FT IR的结果基本一致。     

高含CO2气井产能计算新方法

松南火山岩气藏高含CO₂,这种气体的存在对天然气的高压物性产生很大影响,使得气井产能预测与实际相差较大。在高含CO₂气体高压物性分析（PVT）实验的基础上,研究了温度、压力和CO₂含量对天然气高压物性参数的影响规律,建立了不同CO₂含量下天然气粘度和偏差因子与压力的相关关系,并结合气体渗流理论建立了考虑高含CO₂天然气高压物性变化的产能预测新模型。实例计算表明:①气井产能随着CO₂含量的增高而降低;②当CO₂含量大于20%时,气井产能评价必须考虑μZ值（天然气粘度与偏差因子的乘积）变化的影响;③开发中后期可以忽略CO₂含量对气井产能的影响。新的产能计算方法能反映CO₂含量对产能计算的影响,精确度更高,对于高含CO₂天然气田的产能评价和生产制度的制定具有重要的指导意义。     

醋糟间歇气化制备燃气试验

醋糟是酿造食醋后所剩余的残渣,由于醋糟具有盐度高、酸性强、自然分解慢等特点,将醋糟气化后制备燃气,对于提高酿醋行业资源利用率、减小环境污染均具有重要的意义。为此,采用单一流化床两步气化方法,以煤作为热载体与发热体,纯水蒸气作为气化介质,在自行研制的实验装置上进行了醋糟气化制备燃气的试验,探讨了气化温度(900~1 000℃)、水蒸气与醋糟质量比(1.23~3.57)对燃气组分(H2/CO、CO/CO2等)、产率、低热值等的影响。在实验研究的条件范围内,燃气中(H2+CO)含量为67.07%~73.72%,燃气产率为0.32~0.72m3/kg,低位热值为10 757.2~11 746.16kJ/m3。试验结果表明:①H2和CO是燃气中最主要的2种气体,随着气化温度的升高,燃气中H2与CO含量、CO/CO2值和燃气产率均增加,而CH4与CO2含量、H2/CO值和燃气低位热值则相应地减少;②随着水蒸气与醋糟质量比的增加,燃气中H2与CH4含量、H2/CO值、燃气产率和低位热值均增加,而CO含量呈现下降趋势。结论认为:该单一流化床两步气化系统能够稳定获得富含氢气的燃气,并可长时间平稳、安全、可靠地运行。     

串行流化床生物质气化动力学模拟

生物质是一种清洁、可再生能源,来源广泛。串行流化床气化工艺将生物质气化和燃烧过程分离,具有气化温度较低和合成气浓度高等优点,是国内外学者进行生物质能源利用研究的热点之一。为模拟其气化过程,针对松木和玉米秸秆这2种生物质原料,以水蒸气为气化介质,结合气化反应动力学方程,利用Aspen Plus系统(V7.2)对串行流化床生物质气化过程进行了动力学模拟,考察了进料水蒸气与生物质质量比(S/B)和气化温度对气化干气组成和产率的影响。模拟结果表明:①S/B值的变化、气化湿度的变化对松木和玉米秸秆气化所得干气组成及产率的影响趋势是一致的,但随着S/B增加,松木和玉米秸秆气化所得干气产率增加,CO_2和H_2含量升高,CO含量降低;②随着气化温度的升高,干气中H_2和CO_2含量逐渐降低,CO含量和干气产率增加;③在相同研究条件下,松木气化所得干气中的H_2含量与玉米秸秆气化相当,但产率优于玉米秸秆气化的产率。     

热管式生物质气化炉的研究

将高温热管技术引入生物质气化中,开发了一种间接供热的热管式生物质气化炉,对高温热管的传热性能和4种生物质原料(木屑、玉米秆、稻壳和稻草)的水蒸气气化特性进行了研究。实验结果表明,气化炉内床层轴向和径向温度的变化趋势与高温热管启动温度的变化趋势基本一致。反应温度和原料种类影响气体产物的组成。在反应温度为650～950℃时,4种原料的气体产物中H2体积分数均为50%～60%,且随反应温度的升高而增加,H2含量增长率的大小顺序为:木屑>玉米秆>稻壳>稻草;CO2体积分数为15%～30%,且随反应温度的升高而减少,木屑和玉米秆的气体产物中CO2含量高于稻壳和稻草;CO和CH4含量随反应温度的升高变化较小,原料种类对CH4含量影响较小,稻壳和稻草的气体产物中CO含量比木屑和玉米秆高。     

流化床中造纸黑液催化石油焦气化特性

利用实验室规模流化床气化反应器,考察了造纸黑液对石油焦水蒸气气化反应的催化效果,并分析了其催化反应机理。结果表明,造纸黑液不仅能显著提高石油焦的气化反应活性,还能大幅提高气化气中H₂的含量。脱水黑液添加量为黑液与石油焦质量之和的10%时催化效果较好,达到相同气化反应速率时的反应温度比纯石油焦气化低200℃左右;在相同反应温度下提高气化反应速率5倍左右,可提高气化气中H₂体积分数约8百分点。黑液中的碱金属活性组分能够破坏石油焦中的C=C芳香结构,同时与石油焦中的碳结合生成活性较高的碳氧复合物C(O),从而提高气化反应速率;碱金属还促进了水煤气变换和CH₄水蒸气重整反应,使得H₂的生成量增多。因此,造纸黑液是一种有效的石油焦气化生产富氢合成气的催化剂。     

CFD simulation on the gasification of asphalt water slurry in an entrained flow gasifier

Gasification technology is suggested to utilize asphalt particles, which are produced in the heavy oil deep separation process of using coupled low temperature separation of solvent and post extraction residue. In this work, the asphalt particles were first slurried with water and then gasified to produce synthesis gas. The gasification process of asphalt water slurry in an entrained flow gasifier was simulated using a three-dimensional computational fluid dynamics （CFD） model based on an Eulerian- Lagrangian method. The trajectories and residence time of asphalt particles, and the reaction rates, gas species distribution, temperature field and carbon conversion in the entrained flow gasifier were obtained. The predicted results indicated that the asphalt water slurry was a good feedstock for gasification. Moreover, the effects of particle size, oxygen equivalence ratio, and mass content of asphalt particles on the gasification performance of asphalt water slurry were investigated. These results are helpful for industrial application of asphalt water slurry gasification technology.     

化学链气化过程中昭通褐煤灰对锰矿石载氧体的影响

为探究化学链气化过程中煤灰及其组分对锰矿石载氧体的影响及作用机理,制备了昭通褐煤煤灰,以煤灰中主要组分Fe₂O₃、CaO和MgO等氧化物颗粒配制单一及混合组分的模拟煤灰,在高温流化床反应器中以水蒸气为气化剂进行了系列研究。结果表明：添加5%(质量分数)褐煤煤灰后,合成气产量升高而碳转化率降低,且随着煤灰添加量的继续增多,合成气产量呈先降低后升高趋势,而碳转化率则呈现先升高后降低趋势,在煤灰添加质量分数为15%时,出现最高的碳转化率79.7%和最低的合成气产量0.702 L。Fe₂O₃组分明显提高了碳转化率和合成气产量;CaO与Mn₂O₃高温反应生成了Ca₂Mn₂O₅,提高了载氧体选择性,使得合成气产量增大;MgO显著降低了碳转化率和合成气产量。双组分及MgO-Fe₂O₃-CaO三组分模拟煤灰的研究发现,MgO对气化反应进程抑制作用强于Fe₂O₃和CaO的促进作用,相比于Fe₂O₃-MgO双组分模拟煤灰,CaO-MgO模拟煤灰对载氧体气化活性的抑制作用影响最大。     

工艺条件对RFT-2催化剂固定床费-托合成性能的影响

在固定床费-托合成装置上研究了反应温度、压力、n(H2)/n(CO)、空速、汽包压力和表观气速对工业生产的RFT-2催化剂反应性能和催化剂床层温度分布的影响。结果表明反应温度对RFT-2性能影响显著,随温度提高活性迅速增加,催化剂床层的热点区域变宽和峰值增加,而且在不同温度范围对敏感程度不同。提高压力可以增加反应活性,改善选择性,催化剂床层温度分布变差。n(H2)/n(CO)主要影响费托合成催化剂的活性和产物选择性,对催化床层温度分布影响较小。空速增加会造成CO和H2的转化率的下降,选择性和催化剂床层温度分布变化不明显。通过调节汽包压力来控制催化剂床层温度非常有效和灵敏,对反应性能和温度分布影响显著。表观气速提高可以改善催化剂床层径向的传热,使反应管的传热得到强化,温度分布更加均匀。