单颗粒褐煤高温烟气干燥过程研究

以褐煤颗粒中水分蒸发界面为基础,将褐煤颗粒分为干区和湿区,干区考虑传热传质,湿区只考虑传热,并采用有限体积法,建立了一维球坐标系下单颗粒褐煤干燥脱水过程模型.利用Crank-Nicolson六点差分格式对其离散,模拟得到不同工况(初始烟温、停留时间和颗粒粒径等)下的单颗粒褐煤含湿量及其内部温度分布的动态变化.实验结果与模型模拟结果对比表明二者吻合度较好,所建干燥模型可以较好地反映褐煤干燥的实际过程.研究发现,初始烟温越高、停留时间越长以及颗粒粒径越小,干燥效果越好.当粒径为20mm的褐煤颗粒在初始温度为873K的热气流下停留131s时,其含水量即可从25.3%降到12%以下,此时颗粒表面的温度为537K,略高于挥发分初析温度(520K),此工况可以作为褐煤实际干燥过程中的最佳工况参照.     

单颗粒褐煤高温烟气干燥过程实验研究

针对10mm~25mm粒径的大唐五间房褐煤,通过单颗粒高温烟气干燥实验,得到了600℃~900℃烟气温度下的干燥特性曲线,研究了干燥介质温度和粒径对褐煤高温脱水效果的影响,发现干燥过程主要处于降速干燥阶段;高温条件下,温度对干燥速率的影响并不显著;针对褐煤水分在干燥过程中的迁移特点以及大唐五间房褐煤的孔隙特征,基于努森扩散定律,建立了水分蒸发为蒸汽再扩散出煤粒的缩核干燥动力学模型;得到了不同温度下的有效水分扩散系数,并利用Arrhenius公式求出了10mm~25mm粒径下的干燥活化能.     

褐煤高温烟气干燥过程中挥发分析出实验研究

对伊敏褐煤和大唐五间房褐煤在高温烟气环境下的干燥过程进行了实验研究.实验中对大粒径煤颗粒采用固定床干燥法,对小粒径煤粉则采用下降管顺流干燥法.根据实验获得的煤颗粒和干燥介质温度曲线研究了初始烟气温度、粒径和初始含水率对褐煤中水分和挥发分析出的影响,结果表明,褐煤高温烟气干燥过程主要分为预热阶段和降速干燥阶段,褐煤在下降管中的干燥过程主要处于预热干燥阶段;在800℃的烟气初温下,增大粒径,提高初始含水率,可以避免挥发分析出;两煤种在下降管干燥过程中均比较稳定,且伊敏褐煤相比五间房褐煤吸收和脱除水分更为容易,但也更易受热分解.研究表明,下降管高温烟气干燥技术适用于伊敏和大唐五间房褐煤这两种煤种的干燥过程.     

基于Aspen Plus的褐煤高温烟气和回转管式干燥过程模拟

为了研究高温烟气干燥和回转管式干燥特性,采用Aspen Plus软件对高温烟气干燥和回转管式干燥过程进行流程模拟,并运用能量平衡法和分析方法对2种干燥系统能量利用效率进行分析。结果表明,Aspen Plus能够较好地模拟高温烟气干燥和回转管式干燥过程。烟气和蒸汽温度分别为750和203.1℃时,回转管式干燥的热利用效率为71.27%,较高温烟气干燥高4.04%,而回转管式干燥利用效率为87.68%,较高温烟气干燥高49.33%。随干燥介质温度升高,高温烟气干燥与回转管式干燥热利用效率提高,利用效率降低。     

离心流化床干燥过程中传热传质的数值模拟

通过对典型的多孔湿物料在离心流化床中干燥过程的理论分析和实验研究 ,首次将含湿多孔介质传热传质过程和物料与气流之间的外部传递过程相耦合 ,导出了离心流化床的理论模型和控制方程组 ,对于离心流化床中湿物料的干燥过程引进了数值模拟 ,结果表明增加气体表观流速、控制入口气体的温度和相对湿度以及加大床体转速均对干燥有不同的影响     

脱硫湿烟气喷淋冷凝过程数值模拟研究

大中型燃煤电厂多采用湿法脱硫技术,脱硫过程导致大量水分蒸发,600 MW机组经湿法脱硫后排放的烟气中携带水蒸气超过200 t/h。脱硫湿烟气中的水蒸气及低温余热是燃煤电厂水资源和能量损耗的重要部分。为降低烟气中的含湿量,有效回收烟气中的水分及余热,同时解决因湿烟气中水蒸气凝结引起的烟囱腐蚀、"石膏雨"及"白烟"等问题,基于Fluent软件,构建三维稳态CFD模型,对湿法脱硫后烟气的冷凝过程进行数值模拟研究,将优化设计后的冷凝室作为计算对象,充分考虑气液两相流之间的能量、质量、动量交换,全面讨论了冷凝室本身结构和气液两相参数对传热传质的影响。结果表明:两喷淋层的布置存在最佳间距,模拟中最佳间距为1 m,此间距可使液滴在冷凝室内停留时间和气液接触均匀性同时达到较高水平。在一定的烟气流速范围内,烟气流速高,烟气在冷凝室中停留时间短,气液两相接触时间少,换热程度差;烟气流速低,烟气雷诺数小,湍流流动弱,单位时间单位面积处理的空气量小,故存在最佳烟气流速,研究表明,最佳烟气流速为3.5 m/s。适当增大液气比、合理减小液滴直径、降低喷淋液温度、加大喷嘴角度,都可有效保证流场均匀性,提高气液接触强度,增强气液之间传热传质效果。但增大液气比需较大水量,不利于节水节能;降低喷淋液温度可加大换热温差,但需较低的冷却水源;加大喷嘴角度对提高冷凝效果幅度有限。其中减小液滴直径是最有效的方法,采用雾化程度好的喷嘴,使液滴直径小于210μm,可将湿烟气从323 K冷凝至311.75 K,600 MW机组每小时可回收至少80 t水资源以及6.59 MW能量,达到节水节能、"消白"、除尘一体化的目的。     

颗粒表面料层干燥过程的数值模拟

建立单颗粒表面料层干燥的物理及数学模型,并将方程组无因次化,采用全隐法对该无因次模型方程进行求解,从而分析惰性载体的直径、薄层物料厚度、薄层物料孔隙分布标准方差、均值、干燥气体温度、流速对干燥时间的影响.     

褐煤燃烧过程的Aspen数值模拟研究

利用Aspen Plus软件对某褐煤的预干燥及燃烧过程进行模拟分析,研究干燥介质种类、干燥介质温度和干燥介质流量对干燥特性的影响,过量空气系数、空气预热温度和过氧系数对有害燃烧产物产率的影响。结果表明,提高干燥介质温度和增加干燥介质流量都利于褐煤的干燥,而干燥温度的影响更加明显。提高空气预热温度会使燃烧产物中的NO和NO_2产量增大;过量空气系数大于1时,过量空气系数增大会明显降低燃烧产物中NO和CO的产量;过氧系数大于1时,过氧系数增大会明显降低燃烧产物中CO的产量,而NO的产量会增加。褐煤燃烧过程有害燃烧产物的Aspen Plus数值模拟将对褐煤的高效清洁利用提供参考数据。     

呼伦贝尔褐煤等温干燥过程

以水分含量高达40 %的呼伦贝尔褐煤煤粉为实验物料,利用热重法研究了等温条件下的干燥特性,对比分析了温度、颗粒粒度对干燥过程的影响。实验结果表明,呼伦贝尔褐煤干燥过程具有明显的恒速干燥阶段,其特征与干燥温度和自由水含量密切相关。获得了呼伦贝尔褐煤煤粉在不同温度和粒度条件下的临界含水量(MC_cr)和平衡含水量(MC_eq),发现随着颗粒粒度的减小,褐煤煤粉干燥速率略有增大,但当粒度较小时,粒度因素对干燥过程的影响不明显。MC_cr与MC_eq均随温度的升高而减小,而随着颗粒粒度的减小,MC_cr略有降低,MC_eq略有增大。实验结果可以为褐煤制粉干燥工艺条件的选择和优化提供依据。     

固体热载体法褐煤热解过程中的传质传热特性

为揭示在固定床反应器中固体热载体法快速热解褐煤工艺过程中的热、质传递机理,建立了固体热载体法褐煤热解过程中的传质传热模型。模型包括球型颗粒的一维非稳态导热方程和基于分布活化能模型的动力学模块,分别采用有限容积法与Matlab软件中遗传算法工具箱对二者进行数值计算。通过呼伦贝尔褐煤热重实验数据与温度测定实验数据分别验证了预测的动力学参数及颗粒传热模型结果。研究发现,热、质变化在固体热载体法褐煤热解工艺中呈现复杂的耦合特性。此外,考察了在不同初始温度、热载体进料比与煤颗粒半径条件下,褐煤在热解过程中颗粒内部温度场在径向上随时间的变化规律,并分析了产物释放速率与温度场的关联性,结果表明热历程改变是工艺条件对热解产物分布造成影响的根本原因。     

高温烟气颗粒物在线检测装置性能评价

为评价高温工况下颗粒物在线检测装置的性能,在催化裂化高温烟气过滤实验装置上使用光学在线颗粒物检测装置测定了过滤器下游烟气中的催化剂浓度及粒径分布,同时用离线式粉尘等动采样装置和Coulter粒径分析仪测量过滤器上游与下游的催化剂浓度和粒径分布,对在线式的测量结果进行验证。考虑了温度对在线式测量结果的影响。实验结果表明:在线式检测装置可以在操作温度320~465℃,操作压力0.21 MPa工况下实现稳定的测量,在线式测量结果和离线式测量结果吻合很好,实验和计算模拟结果表明操作温度对实验测量的影响可以忽略。在此基础上,针对煤化工行业的实际工况,提出了利用迭代方式来获得在线测量结果修正值的方法,该方法对煤化工工艺中高温气体管道内颗粒物的在线测定同样具有指导意义。     

湿法烟气脱硫塔内传递与化学反应过程CFD模拟

以某330 MW燃煤发电机组湿法烟气脱硫塔为研究对象，采用欧拉-拉格朗日方法建立了塔内气-液两相流动、热质交换模型，以溶解平衡、质量守恒及电荷守恒描述浆液内13种溶质组分瞬时化学反应特性，通过用户自定义函数实现流动模型与传质模型、化学反应模型的耦合。基于上述模型预测了脱硫塔内气-液两相流动、液滴蒸发与SO₂化学吸收过程，获得了SO₂浓度与浆液pH的径向分布特性，详细分析了气-液流动对化学吸收特性的影响，结果表明局部液气比分布特性是影响SO₂径向分布的关键因素之一，可通过调控近壁区及主管道区的两相流动状态提高脱硫塔的吸收性能；随着气相侧SO₂浓度提高或液滴粒径减小，浆液pH下降速率增大且各化学组分浓度达到稳定状态用时缩短。     

石灰回转窑烟气再循环燃烧特性的数值模拟

通过数值模拟的方法研究了烟气再循环对石灰回转窑内温度、组分、NO_x分布以及壁面传热等燃烧特性的影响。结果表明：循环烟气的加入可以减轻火焰偏斜的问题,并降低窑内中心线温度峰值102.5 K,降低平均温度峰值39.9 K;气体流速的增加强化了对二次风的卷吸作用,加快CH₄分解生成CO;在温度、O₂及CO三者的影响下,NO_x生成量降低至615 mg/m³,脱硝效率达到71.5%。     

高温烟气中煤焦气化行为

针对高温烟气中煤焦的气化行为,本文采用FactSage 6.1计算了煤焦在高温烟气下的高温反应特性,并利用热重分析仪分析了煤焦气化行为。通过沉降炉实验进一步研究了不同温度、气体配比、粒径条件下气体产物的动态析出特性,同时计算了评价指标α、β、LHV值。结果表明：随着温度的升高,气体产物H₂和CO的含量增加,β、α、LHV值增大,CH₄和CO₂的含量下降。在温度为1200℃时,β、α值分别由CO₂/CO比为10∶70时的10.80%、5.21%增加到CO₂/CO比为50∶30时的24.71%、41.06%。同时,随着CO₂/CO比值的增大,高温烟气对煤焦气化反应抑制减弱。通过对比反应温度和粒径对煤焦气化反应的影响,得出反应温度远大于粒径对煤焦气化反应的影响。通过实验验证了向高温烟气中喷吹煤焦制备高品质可燃气体方法的可行性。     

灰钙循环烟气脱硫反应器气固两相流动数值模拟

灰钙循环烟气脱硫反应器内气固两相流动及流场特性是直接影响装置稳定有效运行的关键因素,采用CFD软件Fluent中k-ε湍流模型对灰钙循环烟气脱硫反应器进行了数值模拟,确定反应器内各段阻力及流场分布。研究结果表明:灰钙循环烟气脱硫反应器的循环物料入口设置是影响反应器内流场分布的重要因素,且进料口前阻力占反应器总阻力大于90%,并对其在20 t/h煤粉工业锅炉配套灰钙循环烟气脱硫装置上进行了实验验证,在各测点测量气速与静压,结果证明模拟结果可靠,进料口前阻力模拟偏差率仅为1.7%。同时采用双进料口对反应器流场进行了优化,模拟结果验证该优化方法确实可行,计算得到良好的流场。     

高温干燥对褐煤孔隙结构及水分复吸的影响

利用卧式固定床实验炉制得不同温度下干燥处理的煤样,采用低温氮吸附法测试煤样的比表面积、孔体积和孔径分布等孔隙特征参数,使用复吸实验装置测定不同干燥程度褐煤煤样的平衡含水量,探索了高温干燥处理后褐煤孔隙结构的演变与其复吸特性之间的关联规律。结果表明：褐煤原煤及不同干燥温度(600~800℃)下半焦的等温吸附曲线均属于第Ⅱ类吸附等温线,褐煤原煤、600℃和700℃干燥半焦的吸附回线均属于L1型,800℃干燥半焦的吸附回线有从L1型转变为L2型的趋势;随着干燥温度的增加,干燥半焦的比表面积先增大后减小,介孔峰值的孔径微分同样先增大后减小,而大孔孔径微分基本保持不变;分形维数D₁和D₂呈相反的变化趋势,且D₂>D₁;不同干燥程度半焦的复吸曲线变化趋势相同,且平衡含水量随着干燥温度的升高而减小;半焦复吸特性与孔隙结构有关,平衡含水率与其孔容积之间呈较好的线性关系。     

烟气再循环在煤粉工业锅炉上的数值模拟研究

为考察烟气再循环对工业煤粉锅炉NOx排放及炉内燃烧过程的影响,对30 t/h高效煤粉双锅筒室燃工业锅炉进行研究。采用数值模拟和试验研究,考察烟气再循环的低氮效果,分析烟气循环倍率对NOx排放浓度的影响,并研究循环倍率对炉膛温度、排烟温度等炉况的影响规律。结果表明:循环烟气通入炉内,火焰尺寸增大,温度更加均匀,减少了NOx的排放浓度;同时随着循环烟气的加大,排烟温度逐渐升高,蒸汽流量逐渐降低;当烟气循环倍率为20%时,NOx减排17%。     

Modeling and simulation of the drying process of natural gas pipeline using vacuum drying method

Abstract

Vacuum drying is one of the most effective methods to protect submarine natural gas pipes from blockage caused by hydrate and internal corrosion. This article presents a model for analyzing the mass, momentum, and energy transfer processes in pipeline drying with vacuum drying method. Model of the evaporation rate of liquid water is derived from Hertz–Knudsen–Schrage equation. Finite volume method is employed to discretize the governing equations with an upwind implicit scheme in present work, and 2nd order upwind scheme for energy equation is adopted to weaken numerical dissipation. Non-linear algebraic equations after discretization are solved by Newton-Raphson method. Reliability and accuracy of this model are validated via three experimental cases. Numerical results coincide well with the experimental data, and the relative errors of the calculated drying time are 1.7% in Case 1, 1.2% in Case 2, and 5.5% in Case 3. Finally, the dynamic characteristics of the vacuum drying process are analyzed such as dynamic distributions of pressure, temperature, mass flow rate, and liquid holdup. Mathematical model and algorithm developed in present work provide understanding and insights of the vacuum drying process, which aids in determining cost-effective pipeline drying scheme.