基于ReaxFF-MD和DFT的废旧PP塑料水蒸气气化机理研究

气化技术是处理日益增多的废旧塑料并生产富H₂合成气的重要方法。利用ReaxFF-MD与DFT方法相结合研究了聚丙烯(PP)塑料水蒸气气化的反应机理及各产物气的生成路径,进一步探究了温度、水含量对合成气产物分布的影响。研究结果表明：PP塑料的水蒸气气化前期以解离能较小处的单体连接键断裂形成丙烯(CH₃—CH\stackrel{}{̿}CH₂)单体为主要反应过程。随后,单体继续解离生成更小的C₁~C₂烃类分子及·H、CH₃·等自由基片段。在水蒸气重整反应阶段,H₂的生成有多种路径,但由前期含C结构上脱掉的游离·H自由基与H₂O的结合是H₂的最主要生成路径,占据了H₂生成量的70%。同时伴随产生的·OH自由基通过与小分子结合,脱H等过程,是CO的主要生成方式。提高温度和含水量可促进烃类的水蒸气重整反应,从而提高H₂和CO合成气产率,但改善效果逐渐减弱。以上结果对于掌握塑料水蒸气反应进程,以及实验参数调整有重要指导意义。     

褐煤自燃倾向测定及其低温氧化反应过程研究

褐煤的自燃是一个缓慢的低温氧化过程,搭建煤自燃倾向测定实验台,采用篮热法测定不同煤种的自燃倾向,求得不同煤自燃的动力学参数,并采用热重和傅里叶红外光谱(FTIR)揭示其低温氧化反应机理,分析褐煤自燃倾向的影响因素。实验发现,水分含量的高低会影响自燃发生的时间,但不影响煤种最终的自燃倾向。褐煤的自燃倾向性是与煤的低温氧化反应性直接联系的:褐煤在低温氧化反应过程中,主要发生烷基侧链断裂,然后氧化反应放热,造成热量的积累。煤中烷基侧链基团含量越高,芳香烃含量越低,其氧化反应性越强,更易发生自燃;煤样比表面积决定了对氧的吸附能力,吸附能力越强,其低温氧化反应性越高,越容易发生自燃。     

化学链燃烧铁基载氧体还原反应积炭趋势

利用热重分析仪对采用机械混合法自行制备的铁基载体还原过程中的积炭现象进行了实验研究。根据实验获得的热重曲线对铁基载氧体的CH₄还原特性进行了分析,实验结果表明,CH₄与铁基载氧体的还原反应过程中存在较为严重的积炭影响,且气体的浓度对反应有较大的影响。通过检测载氧体氧化过程中生成的CO₂量对这种影响进行了定量分析,结果表明积炭随着循环次数的增多而略有下降。XRD和SEM分析结果显示还原反应生成的C部分与载体反应生成Fe₃C,另一部分以碳丝的形式存在于载体表面以及颗粒之间。     

不同温度下煤灰熔渣的结构演变规律

采用热力学计算和分子动力学模拟方法研究了高铁煤灰熔体的结构特征以及结构随温度的变化规律,计算了不同温度下Fe~(3+)和Fe~(2+)的含量,分析了径向分布函数、配位数、键角、桥氧与非桥氧、Q~n结构单元等结构特征。热力学计算的结果显示温度升高有利于Fe~(3+)转变成Fe~(2+),据此得到了Fe~(3+)/Fe~(2+)随温度的变化规律。在采用BMH势函数的基础上,分子动力学模拟显示熔体具有短程有序,长程无序的结构特征。随着温度升高,各离子对的径向分布函数曲线的高度和尖锐度下降,各离子的较高配位状态减少,较低配位状态增加,键角曲线的高度和锐度降低并向较小的方向移动,预示着离子的聚集程度减弱,熔体内部的无序化程度增强。氧的配位状态和Q~n的变化是熔体聚合度变化的直观反映,温度升高导致三配位氧和桥氧含量降低,非桥氧和自由氧含量增加,并最终导致较高聚合度的Q~4结构单元解体生成较低聚合度的Q~3、Q~2、Q~1和Q~0结构单元。     

铁基载氧体的还原特性研究

采用热重分析仪和质谱仪联用对使用机械混合法制备Fe2O3和Al2O3载体的还原反应过程进行研究。还原反应中使用3种10%还原气体(CH4,H2,CO),氧化反应中使用5%氧气以避免较大的温升。从载体的还原失重曲线中可明显地看出铁基载体的还原过程分为3个阶段,且反应速率各不相同。还原的3个阶段中第一阶段的反应速率最快,且燃料能够完全被氧化生成CO2,随着反应进行速率降低,燃料不完全转化程度增加。通过XRD(X射线衍射)分析各个还原阶段的产物,发现与以前认识的载氧体活性相与惰性相不同,Al2O3在反应过程中会参与反应,生成新的化合物FeAl2O4,而此化合物不稳定能够进一步分解,被还原成Fe。3种还原气体中,H2的还原反应速率最快,并且无积碳,而CH4的还原反应中存在较为严重的积碳现象。     

非牛顿煤灰配渣的结晶特性

气流床气化炉内熔渣的结晶会对渣层的黏度产生重要影响,使熔渣由牛顿流体转变为非牛顿流体。采用单热电偶在线观察系统(SHTT)、高温淬冷炉、X射线衍射(XRD)等对一种五元组分的模拟煤灰渣从结晶的角度进行研究,在线记录了晶体的生长形貌,获得了熔渣析晶的时间-温度-转变(TTT)曲线,研究熔渣在不同温度和冷却速率下的结晶特性以及晶体的类型。实验结果表明温度的降低使结晶驱动力增加,结晶孕育时间减少,但温度过低使黏度增加,晶体生长受限,因此生成的晶体尺寸较小。熔渣的结晶在不同温度区间析出的矿物不同,主要的晶体产物在高温区为透辉石,低温区有少量钙长石生成。冷却速率的增加会使晶体的生长尺寸减小,非晶态含量增加,但对晶体的种类影响不大。     

旋流在气流床气化炉中的应用

在气流床气化炉内高温高压的环境下,气固混合是影响气化炉效率的重要因素,而旋流在强化气固混合方面已在燃烧中得到广泛使用,文中综述了旋流在气流床气化炉中的应用。首先介绍了旋流的数学描述,包括旋流的概念,旋流N-S方程的表示方法以及其解析解,旋流的解析解均是在一定假设前提下得到的,具有一定的局限性;其次,介绍了旋流的特性和生成方式,主要通过切向入口、旋流叶片和机械旋转引入旋流;然后介绍了旋流在气化炉中的应用,包括喷嘴旋流和炉膛旋流2种,并结合具体结构展示了旋流的作用,主要有增强混合和便于排渣;最后对旋流在气化炉中的应用进行了总结和展望。     

水冷壁气化炉内熔渣流动特性模型

通过将3D气化炉模型、熔渣一维流动传热模型和颗粒壁面捕捉模型耦合,对工业水煤浆水冷壁气化炉内的熔渣流动特性进行模型研究。重点分析了颗粒壁面行为对气化炉结渣的影响以及氧煤比变化对于渣层厚度的影响,并简要分析了水冷壁气化炉和耐火砖气化炉的差异。研究结果表明:大粒径颗粒易于被壁面捕捉,利于穹顶和直筒段渣层的形成,但不利于碳转化率的提高;小粒径颗粒具有高碳转化率,是下游细灰的主要来源,容易加剧下游受热面和灰黑水系统的负担;水冷壁气化炉内形成的固态渣层是气化炉热阻的主要组成部分,能够起到"以渣抗渣"的作用。     

基于双组分PDF模型的GSP气化炉数值模拟

GSP气化炉是国内最近引进的西门子公司开发的粉煤气化技术,由于对其炉膛内气固反应流动特性认识不足,运行中出现耐火砖烧穿、合成气含灰过高等问题。利用数值模拟方法,采用双组分PDF模型耦合湍流-化学反应、随机轨道法耦合湍流-颗粒运动,针对GSP气化炉内多相反应流场建立三维数值模型。计算结果与实验值及文献计算结果一致,表明该模型可用于GSP气化炉的模拟计算。研究发现,炉膛内流场主要分为旋转射流区、内回流区、外回流区和管流区。高温区位于发生氧化反应的旋转射流区和内回流区上部,而外回流区和管流区主要发生还原反应,温度较为均匀;炉膛高度1/3位置处为高温火焰直接冲刷处,在运行时需重点考虑该位置的热防护。