生物质下吸式气化炉气化制备富氢燃气实验研究

以制取富氢燃气为目标,在自热式下吸式气化炉反应器内,进行了生物质下吸式气化炉富氧/水蒸气及空气气化的制氢特性研究。实验结果表明,与空气气化相比,富氧/水蒸气气化可显著提高氢产率和产气热值。在实验条件范围内,最大氢产率达到45.16 g/kg;最大低位热值达到11.11 MJ/m3。在富氧/水蒸气气化条件下,燃气中H2+CO体积分数达到63.27%—72.56%,高于空气气化条件下的52.19%—63.31%。富氧/水蒸气气化条件下的H2/CO体积比比值为0.70—0.90,低于空气气化条件下的1.06—1.27。实验结果证实:生物质下吸式气化炉富氧/水蒸气气化是一种有效的制取可再生氢源的工艺路线。     

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。     

上吸式生物质气化炉对碱金属的滞留原因分析

以花生壳、棉杆和玉米杆颗粒为燃料,设计一台可分别进行直燃和上吸式气化燃烧的装置,并对该装置在直燃状态下和上吸式气化燃烧状态下所产生的烟气进行碱金属含量测试。研究发现,尽管3种燃料的碱金属含量存在差异,但上吸式气化燃烧状态下的烟气碱金属含量均远低于直燃状态。以生物质为燃料时,上吸式气化炉特有的对挥发碱金属的过滤滞留效应,可有效缓解对下游用热设备的碱金属腐蚀。因而上吸式生物质气化炉是一种更为理想的替代煤炭的可再生能源利用设备。     

水煤浆气化过程中残碳量计算模型

基于气化炉大型冷模实验的研究结果和煤气化过程的特点,分析了气流床水煤浆气化炉内各个区域的流动与化学反应特征,建立了水煤浆气化过程中残碳量的计算模型,考察了煤的挥发分、煤颗粒平均直径以及气化炉平均停留时间对残碳量的影响。计算结果表明,平均停留时间增加,残碳量减小;在相同的平均停留时间和颗粒平均直径下,煤中挥发分增加,出气化炉残碳量减小;在相同的平均停留时间和挥发分含量下,煤浆中煤颗粒平均直径减小,出气化炉残碳量减小。     

玉米秸秆循环流化床气化中试试验

玉米秸秆是农业生产过程中产生的剩余物,其热解气化是秸秆类生物质处理应用的重要选择方向。为此,采用循环流化床气化中试装置对玉米秸秆进行了气化试验,研究空气当量比ER、原料含水率对反应温度、气化燃气组分与热值、气化效率及燃气中的焦油含量等气化特性影响规律,并通过改变进料量试验得到了在不同负荷运行条件下的优化工作参数。结果表明：①随着ER的增大,循环流化床气化炉内的反应温度升高,气化燃气中的CO₂含量增加,焦油与CO含量及燃气热值降低,气化效率随ER的增大呈现先增大后减小趋势,较理想的ER为0.26,此时的气化效率达到70.2%、燃气热值为5.1MJ/m³;②原料含水率的增大降低了气化炉内的反应温度,当原料含水率在5%～15%之间逐渐增大时,燃气中的H₂含量、燃气热值及气化效率均有提升,当含水率由15%继续增大到25%过程中,燃气热值与气化效率均出现了快速下降;③根据气化炉额定进料量设计值,改变进料负荷在66%～120%范围内,调节ER在0.26～0.3时均可得到较好的运行工况,对应得到的燃气热值为4.8～5.1MJ/m³、气化效率为69%～72%。     

粒度对壳牌气化炉气化过程的影响

对于壳牌气化炉来说,粒度对于其作用的效果有着很大的影响,它不仅能够改变气化产物的质量,对于气化的效率也是有着很大的影响,并且粒度还有着很多种的属性,不同的属性有着不同程度的影响,例如,粒度的波动性能够对运送过程中的流动性产生影响,粒度颗粒的大小对于气化反应的活性有着很大的影响。将针对粒度对壳牌气化炉气化过程的影响进行讨论。     

生物质炭水蒸气气化制取富氢合成气

以生物质炭为原料在上吸式固定床气化炉中进行水蒸气气化制备富氢合成气,考察了不同原料、粒径和催化剂对生物质炭水蒸气气化影响。结果表明,不同类型炭气化结果存在较大差异,其中木片炭气化结果最优,其次是玉米芯炭和稻壳炭,秸秆炭气化结果最差,木片炭产氢率最大为222.8g/kg。粒径的改变主要影响炭转化率,炭转化率随着粒径的增加呈增加趋势。通过炭吸收方式负载催化剂为有效的方法,其中在相同钾盐质量分数下,KOH催化能力较优于K₂CO₃,且气化速率为未加催化剂条件下的两倍。炭转化率随着碱液浓度的增加而增加,但浓度过高会增加灰分含量从而不利于产氢率,玉米芯炭催化气化最高产氢率为197.8g/kg,在碱质量分数为6%下获得。     

鼓泡流化床内粉煤气化的数值模拟

将应用欧拉双流体模型对鼓泡气化炉内的气化过程进行研究。摒弃传统颗粒动理学理论中颗粒光滑无旋转的假设,引入颗粒的旋转运动,构建粗糙颗粒动理学理论来封闭双流体模型。基于燃烧理论建立粉煤热解、气化模型以及鼓泡床内气固之间以及气体和气体之间的传热、传质模型。采用该模型进行数值模拟计算,分析床内的气固反应过程,对比实验结果表明粗糙颗粒动理学理论适用于模拟鼓泡床气化炉内的反应。     

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。     

多喷嘴对置式水煤浆气化技术应用总结

介绍了多喷嘴对置式水煤浆加压气化装置的运行情况,并与德士古气化炉的运行进行了对比.针对多喷嘴对置式水煤浆加压气化装置在运行过程中出现的不足之处,采取了相应的改进措施.     

白云石对稻草水蒸气气化特性的影响

以稻草为生物质原料,水蒸气为介质,白云石为催化剂,在固定床气化炉中进行生物质水蒸气气化等反应,考察了白云石粒径(5~20mm)、白云石床高(550~1 000mm)和煅烧白云石等对生物质水蒸气气化特性的影响。结果表明,在气化炉中装入白云石,有助于生物质水蒸气气化、催化裂解、二氧化碳重整和水蒸气重整等反应进行。白云石粒径减小、白云石床高和煅烧白云石含量增加,有利于产气中氢体积分数的增加。当白云石粒径为5~10mm、白云石床高为1 000mm和煅烧白云石为100%时,产气中氢体积分数最大为53.18%,产氢率最大为0.92m³/kg,产气率最大为1.72m³/kg,气化效率最大为99.93%,水蒸气近似分解率最大为51.28%。     

磁性灰粒在不同粒级气化灰渣中的分布特性

以气流床煤气化粗渣和细灰为原料,采用筛分和磁选的方法研究了磁性灰粒在不同粒级气化灰渣中的分布特性。结果表明：随着灰渣粒径的减小,在粗渣和细灰中,磁性灰粒的含量均呈现先升高后降低的趋势,磁性灰粒在粗渣中的含量高于细灰。粗渣中,磁性灰粒在0.5~0.25mm粒级中分布最多,该粒级神宁炉和GSP气化炉粗渣在粒度组成中的占比也最高,质量分数分别为38.42%和37.16%,各个粒级中磁性灰粒产率随粒径减小呈递增趋势;细灰中,磁性灰粒在0.074~0.045mm粒级中分布最多,而细灰粒度组成中的占比最高的却是大于0.25mm粒级,磁性灰粒产率在各个粒级都不高,呈现随粒径减小而升高的规律。气化过程中,磁铁矿会更多地富集在凝结团聚且高度玻璃化的大粒径粗渣中,粗渣和细灰中仍有相当量的含铁物相不显磁性。不同粒级煤气化灰渣中磁性灰粒的分布特性可为气化渣分级分质及高值化利用提供基础数据支撑和应用思路。     

Gasification of pelletized renewable fuel for clean energy production

The main aim of the study was to develop and investigate a small-scale experimental gasification technique for the effective thermal decomposition of pelletized renewable fuels (wood sawdust, wheat straw). The technical solution of the biomass gasifier for gasification of renewable fuels presents a downdraft gasifier with controllable additional heat energy supply to the biomass using the radial propane flame injection into the bottom part of the biomass layer. From the kinetic study of the mass conversion rate of pelletized biomass and variations of the composition of produced gas it is concluded that the process of biomass gasification is strongly influenced by the amount of additional heat energy and air supply into the biomass. The results of experimental measurements of the composition of produced gas have shown that under the conditions of the sub-stoichiometric air supply into the layer of pelletized wood biomass (α < 0.3) increasing additional heat energy supply in a range from 60 kJ up to 130 kJ leads to an enhanced mass loss of pelletized biomass and enhanced formation of volatiles (CO, H₂) in the flaming pyrolysis zone. For the wood biomass the average content of CO in the products can be increased from 73 g/m³ up to 97 g/m³, while the average content of H₂ increases from 4.7 g/m³ up to 6.2 g/m³. Similar variations of the composition of products are observed during the enhanced gasification of the wheat straw. At constant rate of additional heat energy supply and the sub-stoichiometric combustion conditions (α ≈ 0.17 − 0.30), a faster thermal decomposition of the pelletized biomass and larger average amount of the produced volatiles (CO, H₂) can be obtained by increasing the air supply rate from 0.27 to 0.43 g/s, determining the variations of air-to-fuel ratio in a range from 1.3 up to 1.6.     

Effect of biomass particle size and air superficial velocity on the gasification process in a downdraft fixed bed gasifier. An experimental and modelling study

A one-dimensional stationary model of biomass gasification in a fixed bed downdraft gasifier is presented in this paper. The model is based on the mass and energy conservation equations and includes the energy exchange between solid and gaseous phases, and the heat transfer by radiation from the solid particles. Different gasification sub-processes are incorporated: biomass drying, pyrolysis, oxidation of char and volatile matter, chemical reduction of H₂, CO₂ and H₂O by char, and hydrocarbon reforming. The model was validated experimentally in a small-scale gasifier by comparing the experimental temperature fields, biomass burning rates and fuel/air equivalence ratios with predicted results. A good agreement between experimental and estimated results was achieved. The model can be used as a tool to study the influence of process parameters, such as biomass particle mean diameter, air flow velocity, gasifier geometry, composition and inlet temperature of the gasifying agent and biomass type, on the process propagation velocity (flame front velocity) and its efficiency. The maximum efficiency was obtained with the smaller particle size and lower air velocity. It was a consequence of the higher fuel/air ratio in the gasifier and so the production of a gas with a higher calorific value.     

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。     

鼓泡流化床内高灰煤气化过程的颗粒尺度特性研究

基于多相流体质点网格方法(MP-PIC)对高灰煤在三维鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟研究。在欧拉-拉格朗日框架下将气相和固相分别视作连续介质和离散相处理。首先,将模拟得到的出口处气体组分结果与实验数据进行对比,实验数据与模拟结果具有良好的一致性。其次,研究了煤颗粒在气化炉内的温度、传热系数、速度和停留时间,从颗粒尺度揭示了鼓泡流化床气化炉内的颗粒分布特性和气固流动特征。结果表明:在气化炉入口附近煤颗粒与床层温差最大,传热系数最大;由于流化床内强非线性的气固流动,床中煤温度和传热系数的空间分布不均匀;煤颗粒和床料的瞬时速度具有稳定的波动幅度,其中垂直方向速度波动最明显,且煤颗粒的瞬时速度比床料的瞬时速度略大;由于颗粒间的剧烈碰撞,延长了煤颗粒停留时间。此外,对鼓泡流化床中煤气化过程颗粒尺度的研究,有助于深入了解固体颗粒的流动行为以及气固相相互作用特性,对鼓泡流化床反应器的设计优化具有重要意义。     

双流化床生物质气化动力学建模与分析

为进一步研究双流化床生物质气化器中合成气含量分布,将气化器鼓泡床层分为气泡相和乳化相,依据动力学反应分别进行各相质量和热量衡算,计算结果与实验值吻合较好. 随气化温度升高,CO含量增加,而H2和CO2含量降低;蒸汽与生物质质量比(S/B)增加促进水蒸汽变换和重整反应,消耗CO和CH4,生成H2和CO2,当S/B从0变化到1.2时,CO/H2变化44%,说明S/B增加主要促进了水蒸汽变换反应. 气化温度870℃及S/B=0.75条件下,当气化器高度为0~0.5 m时,H2O含量急剧下降,H2含量急剧上升,CO与CO2含量逐渐上升,当该高度大于0.5 m后,气化反应基本完成.     

感冒清热颗粒中药渣中试规模循环流化床气化实验

以感冒清热颗粒中药渣为原料,在双回路循环流化床中试设备中进行热解气化实验,研究原料含水率、原料粒径以及空气当量比ER对其气化特性的影响。结果表明：①随着原料含水率的提高,炉内平均温度降低,产生的燃气中焦油含量、CO2含量明显提高;CO含量、气体产率、碳转化率显著降低;H2含量、燃气热值以及气化效率均呈现先增大后减小的趋势。②原料粒径越小,反应炉内平均温度越高,燃气中焦油含量越低,燃气热值和气体产率越高,气化效率以及碳转化率越高;H2、CH4、CO、CnHm含量增加,CO2含量减少。③随着ER的增大,可燃气体尤其是CO的浓度不断降低,CO2含量不断增加;炉内平均温度、气体产率以及碳转化率均逐渐增大;燃气热值和燃气中焦油质量浓度逐渐减小;气化效率则呈现先增大后减小的变化趋势。④当原料含水量<9%、原料粒径<4mm以及ER在0.25~0.27时,气化效率较高,具有较好气化特性。     

浅析相关参数对气流床粉煤加压气化的影响

介绍了气流床粉煤加压气化的原理及我国粉煤加压气化技术的研发过程、试车情况,分析了粉煤粒度、密相输送氮气量、氧煤比、蒸汽煤比、气化压力及气化炉温度等因素对粉煤加压气化的影响,为我国粉煤加压气化技术的产业化提供参考。     

二次氧量对分级气化炉气化特性的影响

分级给氧气流床气化炉具有碳转化率高、炉内混合过程强烈、喷嘴附近温度较低等优点。本文采用CFD数值模拟的方法研究了二次氧量变化对气化炉运行特性的影响,分析比较了不同二次给氧量下相交射流火焰特性的变化,及相交射流对煤气化炉炉内整体混合过程、煤气化特性的影响。发现当二次给氧量下降时,受炉内回流流场的影响,二次火焰明显随回流发生偏斜,壁面温度升高。当二次给氧量小于总给氧量的8%时,其射流动量不足以影响主射流产生的宏观流场。