煤催化加氢气化研究进展

煤加氢气化制天然气技术具有工艺路径短、热效率高等优点,其应用基础研究备受关注。但煤中存在部分致密的芳香碳结构,加氢反应性较差,即使在苛刻的反应条件下(~1 000℃、~7 MPa H_2),仍难以转化。通过引入催化剂,进行煤催化加氢气化可在温和的反应条件下实现煤的碳转化率和CH_4收率的同步提高。论述了碱金属(K、Na等)、碱土金属(Ca)和过渡金属(Fe、Co、Ni等)催化剂对模型碳加氢气化的催化作用原理。探讨了反应温度、氢气压力、和碳结构对C-H_2催化反应的影响规律,分析了适用于原煤催化加氢气化的最佳催化剂及工艺条件,并从CH_4和轻质液体焦油等产物生成规律、煤中碳结构随着反应进行的衍变过程等角度,讨论了催化剂分别对煤加氢热解和热解半焦加氢气化的催化作用行为。提出了煤催化加氢气化联产CH_4和轻质液体焦油技术从基础走向应用的进一步研究建议。现有研究结果表明,过渡金属与碱土金属组成的二元催化剂(Fe/Co/Ni-Ca)对煤加氢气化的活性较高。过渡金属元素在反应过程中主要提供C-H_2反应所需的活性氢,并削弱C—C键的键能;碱土金属元素Ca主要促进Fe/Co/Ni的分散,防止其发生硫中毒失活,并增强Fe/Co/Ni与碳之间的相互作用。温度升高一方面为化学键断裂过程提供了更高能量,加速C-H_2反应,另一方面促进催化剂在煤结构中扩散,提升催化剂的供氢和断键效率。升高压力促进了活性氢的供应,同时CH_4浓度得到稀释,反应向生成CH_4的方向移动。以5%Co-1%Ca为催化剂,在850℃、3 MPa H_2反应条件下,30 min内可同时达到90.0%的碳转化率和77.3%的CH_4收率。Co-Ca催化剂在煤加氢热解过程中具有催化解聚和催化加氢的作用,提高焦油和CH_4收率,同时催化剂在煤加氢热解过程中对煤结构产生催化活化作用,使得生成的半焦具有较高的气化活性。煤催化加氢气化的机理研究目前仍处于推测阶段,另外,该技术气化剂、煤种的适应性,催化剂循环利用性能有待进一步阐明。     

三类篦齿流动特性计算分析

为掌握直齿、斜齿、台阶齿三种结构在不同转速、旋转半径、齿数、篦齿高度、齿顶间隙、齿间距参数下的流动变化情况,本文对三类篦齿模型开展数值计算。在仅调整一项影响因素的情况下,分别分析转速、旋转半径、齿数、篦齿高度、齿顶间隙、齿间距变化对流量的影响。经分析,齿顶间隙、齿数及旋转半径对流量变化影响较大,齿高、齿间距、转速的影响较小。     

鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟

以二维和三维鼓泡塔内气液二相流动的动态特性为研究对象,寻找各自合适的湍流模型和边界条件设置。二维鼓泡塔的进口气速采用2种不同的方法:①实际进口速度法;②均值修正法。湍流模型选用标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型。结果显示二维模拟使用RNG k-ε湍流模型、三维模拟使用标准k-ε湍流模型能够得到周期性的羽流摆动,且二维鼓泡塔的进口气速采用均值修正法能够得到较合理的摆动周期。     

拟泡-乳曳力模型在大型高温费托流化床反应器中的CFD模拟研究

以带冷却盘管的大型高温费托流化床反应器为研究对象,开展三维计算流体力学模拟研究。传统双流体模型基于局部平均的假设,认为单位控制体内气固两相均匀分布,网格尺寸必须足够小才能正确揭示局部非均匀结构的所有细节。采用双流体模型模拟大型工业化流化床装置时,将导致网格数量过于庞大,远超现有计算能力。为提高计算效率的同时不损失模拟精度,提出了基于局部非均匀假设、适用于粗网格的拟泡-乳三相非均匀曳力(PBTD)模型。该模型将流化床分为乳化相气体、乳化相颗粒以及气泡三相,分别建立守恒方程,体现气泡的非均匀特性对气固曳力的影响。乳化相内气固曳力以及气泡相与乳化相内颗粒的曳力分开考虑。采用PBTD模型耦合传质和反应模型,建立基于局部非均匀假设的高温费托合成反应器三维流动-传递-反应模型,包括各相守恒控制方程、气泡尺寸模型、相间物质和动量交换模型、高温费托合成反应动力学模型以及初始和边界条件,预测反应器内的流场和组分浓度分布。研究结果表明:在粗网格条件下,非均匀曳力模型可以预测床层内相含率的分布情况,预测的床层膨胀高度与经验公式计算值接近,偏差为1.2%。反应器出口气体组分的质量分数与试验测量值相近,偏差在1.5%~16.0%。模拟结果证实,基于非均匀假设的PBTD模型适用于模拟工业规模的鼓泡流化床反应器,对其设计开发和工业运行具有指导价值。     

多喷嘴对置式粉煤气化炉的数值模拟

采用k-ε湍流模型对多喷嘴对置式粉煤气化中试装置进行了三维数值模拟研究。引入了多反应进程变量MSPV方法分别模拟了煤的脱挥发分、焦炭与氧气、焦炭与二氧化碳和焦炭与水蒸气的4个过程;用截断高斯分布的PDF函数表示湍流对化学反应的影响。模拟结果显示:常压下,火焰主体温度约2 500 K;除喷嘴区域外,煤中释放的气体在气化炉内分布均匀;焦炭与二氧化碳、焦炭与水蒸气的气化反应主要集中在折返流区。喷嘴高度上移0.2 m,撞击流股速度增加约50%,拱顶附近温度上升108 K。氧煤比/水蒸气煤比增大,撞击流对炉顶的冲刷力显著增加。