烟煤在双流化床中气化特性初步实验研究

实验四流化床基本特性的测定流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并使固体颗粒具有某些流体特征的一种床型，它是流态化现象的具体应用，已在化工、能源、冶金、轻工、环保、核工业等部门得到广泛应用。

化工领域中，加氢、烯烃氧化、丙烯氨氧化、费-托合成及石油的催化裂化等均采用了该技术。

因此，它是极为重要的一种操作过程。

流化床反应器的重要特征是细颗粒催化剂在上升气流作用下作悬浮运动，固体颗粒剧烈地上下翻动。

这种运动形式使床层内流体与颗粒充分搅动混和、物料连续、结构紧凑、传质速度快、传热效率高、床层温度分布均匀，避免了固定床反应器中的热点现象，但操作中会造成固体磨损、床层粒子返混严重、反应中转化率不高等现象。

一、实验目的1．通过冷模观察聚式和散式流态化的实验现象，建立起对流态化过程的感性认识。

2．了解流化床的压降分布原理，通过冷模测定流化床的特定曲线。

3．通过冷模观察得到临界流化速度和带出速度，并计算出费劳德数Fr、膨胀比和流化数。

4．掌握流化床液体停留时间分布的测定方法及实验结果分析。

二、实验原理1．流化现象流体从床层下方流入，通过图1中虚线所示的分布板而进入颗粒物料层时，随着流体流速u0的不同，会出现不同的流化现象（图1）。

(a)(b)(c)(d)(e)固定床临界流态化散式流态化聚式流态化稀相流态化图1 流化现象（1）固定床阶段流体流速较低时，固体颗粒静止不动，即未发生流化，床层属于固定床阶段（图1（a）），阻力随流体流速增大而增大。

（2）临界流化阶段流体流速继续增大，颗粒在流体中的浮力接近或等于颗粒所受重力及其在床层中的摩擦力时，颗粒开始松动悬浮，床层体积开始膨胀，当流速继续增大，几乎所有的粒子都会悬浮在床层空间，床层属于初始流化或临界流化阶段（图1（b））。

此时的流速称为临界流化速度或最小流化速度u mf。

（3）流化阶段对于液固流化床，当液速u f>u mf时，由于液体与固体粒子的密度相差不大，此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动程度是平缓的加大的，床层的上界面较为清晰，即床层膨胀均匀且波动较小，床层属于散式流化阶段（图1（c））。

流化床煤气化灰团聚行为实验研究
近年来，随着技术的进步，清洁能源的使用也逐渐普及。

流化床煤气化是一种
可以将煤炭转化成清洁能源的技术，但是也可能伴随着灰团结构的变化，影响着技术操作工艺的稳定性需要深入的研究。

为了研究煤矿中的灰团的聚集行为，在实验中采用了先进的流化床反应器，对
煤炭中不同颗粒尺寸的灰团在不同温度、不同湿度、不同氧气浓度及不同气速的环境中的聚集行为及形成机理进行了研究。

实验结果表明：瀑布式冷却可以降低空气温度，提高空气湿度，降低空气氧气
浓度；另外，空气流速对于控制灰团聚集也起着重要作用。

煤气灰团聚集的机制可以概括为：当温度升高、初始灰团尺寸减小、湿度增加、空气流速增加、氧气浓度降低时，煤气灰团聚集行为会加重。

总的来说，灰团聚集行为是在煤气化过程中十分重要的，需要经过深入细致的
实验来研究和探究，以便于进一步深入了解重要的技术参数对灰团聚集行为的影响，以此改善流化床技术操作工艺。

四流化床生物质气化特性的实验及数值模拟研究四流化床生物质气化特性的实验及数值模拟研究摘要：本研究以生物质为原料，利用四流化床气化技术进行气化实验，并对实验结果进行模拟分析。

通过改变氧气分布方式和流速等气化参数，研究其对气化特性的影响。

实验结果表明，在流动床率相同的情况下，完全混合氧供应方式下，生物质气化效率相对较高。

在数值模拟过程中，采用了多相流数值计算方法对气化过程进行数值模拟，实验结果与数值模拟结果基本一致，证明了模拟方法可信可靠。

本研究结果可为四流化床气化技术的优化和生物质气化技术的发展提供参考和建议。

关键词：四流化床；生物质气化；实验；数值模拟；氧气分布方式；流速一、引言气化技术在生物质能源领域有着广泛的应用价值。

四流化床气化技术是目前应用较为广泛的一种气化技术。

然而，气化反应复杂，气化所需气体成分、流速、温度等参数的精细调节对气化效率的提高有着重要的作用。

因此，本研究通过实验及数值模拟的方式研究四流化床生物质气化特性，通过调节氧气分布方式和流速等气化参数，探究其对气化效率的影响，为四流化床气化技术的优化和生物质气化技术的发展提供参考和建议。

二、实验部分1. 实验设备本实验中采用4流化床气化实验装置进行实验。

该装置由气化炉体、光束采集系统、气氛控制系统等组成。

气化炉由内圆管和外环形管构成，内管为气化反应区，外管则用于供氧和控制炉温。

光束采集系统用于对反应过程中光学成像，以获取生物质燃烧及气化现象。

气氛控制系统则用于控制床层温度及气氛组成。

2. 实验方法本实验选用切碎的木屑作为原料，以流态化氧气和氮气组成的气体作为气化介质。

通过调节氧气分布方式和流速等气化参数，研究其对气化效率的影响。

实验结果以顶部床层温度、气体组成、产物组成为指标进行评估，并进行统计分析。

三、数值模拟部分采用ANSYS Fluent软件中的多相流数值计算方法，对实验中生物质气化过程进行数值模拟。

建立三维气化反应室模型，并参考实验数据对其进行验证。

流化床气化一般要求原煤破碎成<10mm粒径的煤，<1mm粒径细粉应控制在10%以下，经过干燥除去大部分外在水分，进气化炉的煤含水量<5%为宜。

流化床更适合活性高的褐煤、长焰煤和弱黏烟煤，气化贫煤、无烟煤、焦粉等需提高气化温度和增加煤粒在气化炉内的停留时间。

固体干法排渣，为防止炉内结渣除保持一定的流化速度外，要求煤的灰熔点ST应大于1250℃，气化炉操作温度(表温)一般选定在比ST温度低150~200℃的温度下操作比较安全。

1926年第一个流化床煤气化工业生产装置——温克勒煤气化法在德国投入运转。

以后在世界各国共建有约70台温克勒气化炉。

早期的常压温克勒气化实际是沸腾床气化炉，存在氧耗高、碳损失大(超过20%)等缺点，因此至今仍在运转的已不多。

1、温克勒(Winkler)气化炉气化炉组成：流化床(下部的圆锥部分)、悬浮床(上部的圆筒部分，为下部的6~10倍)。

原料由螺旋加料器加人圆锥部分腰部。

如图1所示。

图1 温克勒(Winkler)气化炉矸石灰(30%左右)自床层底部排出；其余飞灰由气流从炉顶夹带而出。

一次气化剂(60%~70%)由炉箅下部供入，二次气化剂(30%~40%)由气化炉中部送入。

二次气化剂的作用是，在接近灰熔点的温度下，使气流中夹带碳粒得到充分的气化。

二次气化剂用量与带出未反应的碳成比例(过少：未反应碳得不到充分气化而被带出，气化效率下降；过多：产品被烧)。

操作温度一般为900℃左右，操作压力约为0.098MPa(常压)，原料粒度为0~10mm，褐煤、弱黏煤、不黏煤和长焰煤等，但活性要高。

温克勒气化工艺单炉生产能力大，气化炉结构简单，可气化细颗粒煤(0~10mm)，出炉煤气基本上不含焦油，运行可靠，开停车容易。

但是该种炉型气化温度低，气化炉设备庞大，热损失大(煤气出炉温度高)，煤气带出物损失较多(气流中夹带碳颗粒)，粗煤气质量较差。

2、高温温克勒(HTW)气化法提高了操作温度。

高变质无烟煤流化床催化气化过程分析与研究的开题报告一、研究背景无烟煤是一种低污染、高效率的能源，具有丰富的资源储量和广泛的适用范围。

其中，高变质无烟煤的热值高、含灰量低、燃烧性能好，是一种理想的清洁燃料。

然而，传统的燃煤方式会产生大量的气体和固体废弃物，对环境造成严重污染和影响。

因此，如何高效、清洁地利用高变质无烟煤成为了当前煤炭资源开发和环境保护的重要问题。

流化床催化气化是一种高温、高压、无烟气氧化反应，能够实现高变质无烟煤清洁高效利用。

该技术通过将高变质无烟煤与催化剂混合，并通过高温、高压等条件进行气化反应，将煤的有机物转化为合成气、液体油和固体炭等产物，从而实现对煤的清洁转化。

因此，研究高变质无烟煤流化床催化气化的反应机理和生产工艺具有重要的理论和实际意义。

二、研究目的（1）分析高变质无烟煤流化床催化气化的反应机理和特点；（2）研究不同催化剂对高变质无烟煤流化床催化气化产物的影响；（3）探究不同工艺参数（如温度、压力、催化剂用量等）对高变质无烟煤流化床催化气化的影响；（4）优化高变质无烟煤流化床催化气化的工艺流程，提高其生产效率和环境友好性。

三、研究内容（1）收集国内外相关文献，深入分析高变质无烟煤流化床催化气化的原理和机制；（2）建立高变质无烟煤流化床催化气化的实验平台，研究不同催化剂及其用量对反应产物的影响；（3）探究不同操作参数（如温度、压力、催化剂用量等）对高变质无烟煤流化床催化气化的影响；（4）对实验结果进行分析，提出改进方案，优化高变质无烟煤流化床催化气化的工艺流程，提高其生产效率和环境友好性。

四、预期成果（1）揭示高变质无烟煤流化床催化气化的反应机理和特点；（2）为选择催化剂和开展工艺参数优化提供理论支持；（3）提高高变质无烟煤流化床催化气化的生产效率和环境友好性，为其在工业化生产中广泛应用提供技术支持。

3100105025 化工1003 李文博实验二 气固流化床反应器的流化特性测定一、 实验目的1. 观察了解气固流化床反应器中不同气速下固体粒子的流化状况，建立起对流态化过程的感性认识。

2. 了解和掌握临界流化速度U mf 的测量原理、方法和步骤，明确细粒子流化床的基本特性。

3. 进一步理解两相理论以及临界流化速度与起始鼓泡速度的区别。

二、实验原理1．在气固流化床反应器中，气体通过床层的压力降△P 与空床速度U 0之间的关系能够很好地描述床层的流化过程。

如图1所示：气体自下向上流过床层。

当气速很小时，气体通过床层的压力降△P 与空床速度U 0在对数坐标图上呈直线关系（图1中的AB 段）；当气速逐渐增大到△P 大致等于单位面积的重量时，△P 达到一极值（图1中P 点）；流速继续增大时，△P 略有降低；此后床层压力降△P 基本不随流速而变。

此时将流速慢慢降低，开始时与前一样△P 基本不变，直到D 点以后，△P 则随流速的降低而降低，不再出现△P 的极大值，最后，固体粒子又互相接触，而成静止的固定床。

2．在一正常速度下，处于正常流化的流化床，如果突然关闭气源，则由于床层中有气泡存在，以气泡形式存在的气体首先迅速逸出床层，床层高度迅速下降；而后是浓相中的气体逸出，床层等速下降；最后是粒子的重量将粒子间的部分气体挤出，床层高度变化很小。

由此可得其床层高度随时间变化的崩溃曲线（如图2所示）。

因此，可以设想，如果床层中图1 △P ～ U 关系log Ul o g △P1 2 3 4 6 5 t (sec) 260 270 280290300H TH D H D图2 H T ～ t 关系没有气泡，则床层一开始就随时间等速下降，所以，将上述崩溃曲线中的等速部分外推到t=0处时的床层高度，即为浓相床层的高度H D 。

这样，只要重复上述过程，多做几条崩溃曲线，总可以找到一条曲线，这条曲线正好无气泡逸出段，开始就是等速下降的起点。

双流化床生物质气化及CO2捕获的模拟双流化床生物质气化及CO2捕获的模拟双流化床生物质气化及CO2捕获是一种适用于生物质能源产业的新型气化技术。

通过将生物质颗粒和气化剂分别进入两个差异较大的气流床层进行气化反应，并配合CO2捕获技术，可以有效地提高生物质气化反应的效率和能源产出，同时降低气化过程中的碳排放和温室气体的排放量。

为了更好地了解双流化床生物质气化及CO2捕获的模拟过程，下文将从模拟方法、模拟结果及模型验证三个方面进行阐述。

一、模拟方法使用Aspen Plus软件建立双流化床气化模拟模型，包括生物质、空气、氮气和水蒸气等组分，配合热力学模型以及物质均衡模型，对气化反应及产物生成进行详细的模拟和分析。

在模拟过程中，首先需要对生物质颗粒进行热解反应，将其转化为可燃气体和可燃性颗粒，然后分别进入两个气流床层进行气化反应。

为提高气化反应的效率和产出，需要控制气化床层中的反应温度和气流速度，并添加CO2捕获剂进行二氧化碳的分离和捕获。

最终，根据气化反应产生的气体组分和CO2排放量等参数，分析生物质气化的效率和能源产出，并分别对床层反应器的温度、压力、速度等参数进行调整和优化。

二、模拟结果双流化床生物质气化及CO2捕获的模拟结果表明，通过双流化床气化反应器进行气化反应，并配合CO2捕获技术处理气化过程中产生的二氧化碳，可实现高效的生物质能源利用和碳排放减少。

模拟结果中，生物质的气化效率达到了70%以上，其中产生的气体主要包括甲烷、一氧化碳、氢气等，可直接作为工业燃料或电力发电的原料。

同时，通过添加CO2捕获剂进行二氧化碳的分离和捕获，可将二氧化碳排放量降低至底限，并实现生物质气化的碳排放零排放。

模拟结果还表明，在床层反应器的温度、压力、速度等参数优化后，可实现更高效的生物质气化和CO2捕获效果，并最大限度地利用生物质能源。

三、模型验证在模型验证方面，可通过实验数据和现场数据进行验证。

实验数据通常通过对实验设备和实施条件进行控制和测量，得出气化反应效率、气化产物组分及CO2排放等实验数据进行验证。

第38卷第10期2004年10月浙　江　大　学　学　报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science )V ol.38N o.10Oct.2004气化参数影响气流床煤气化的模型研究(Ⅰ)———模型建立及验证收稿日期:20031019. 浙江大学学报(工学版)网址:w w /eng 基金项目:国家重点基础发展规划资助项目(G 1999022105).作者简介:吴学成(1978-),男,浙江长兴人,博士生,从事洁净煤技术研究.E 2mail :fencewu @吴学成,王勤辉,骆仲泱,方梦祥,岑可法(浙江大学热能工程研究所,能源清洁利用与环境工程教育部重点实验室,浙江杭州310027)摘　要:为评价和优化气流床煤气化中的气化方案和气化参数,从化学动力学角度并结合化学平衡,依据气流床特性建立了气化动力学模型.该模型考虑了煤热解和气化所经历的各反应过程,如C -O 2、C -H 2O 、C -C O 2、C -H 2等异相反应以及挥发分燃烧、水煤气平衡、甲烷蒸汽重整等均相反应.模型对三个工况的计算结果与实验实测数据吻合较好;同时对气流床煤气化整个气化过程(氧化、还原和平衡三阶段)的模拟合理、正确,表明所建模型可以用于预测气化参数对气流床煤气化的影响特性.关键词:煤气化;气流床;气化模型中图分类号:T Q229.8 文献标识码:A 文章编号:1008973X (2004)10136105Modelling on effects of operation parameters on entrained flowcoal gasification (Ⅰ):Model establishment and validationWU Xue 2cheng ,WANG Qin 2hui ,LUO Zhong 2yang ,FANG Meng 2xiang ,CE N K e 2fa(Institute for Thermal Power Engineering ,Clean Energy and Environment Engineering K ey Laboratory o f MOE ,Zhejiang Univer sity ,Hangzhou 310027,China )Abstract :A kinetic coal gasification m odel combining chemical equilibrium was developed to evaluate and optimize gasi 2fying parameters in entrained flow bed gasification.Heterogeneous and hom ogeneous reactions occurred in coal pyrolysis and gasification processes such as C -O 2,C -H 2O ,C -C O 2,C -H 2and C O -O 2,H 2-O 2,C O -H 2O ,CH 4-H 2O were considered in this m odel.M odel calculating results are in g ood agreement with the measurement data from entrained flow coal gasifiers.M odel simulations of coal gasification processes in entrained flow coal gasifiers were found to be rea 2s onable.I t im plies the established m odel may be used to predict the effects of operation parameters on entrained flow coal gasification.K ey w ords :coal gasification ;entrained flow bed ;gasification m odel 在中国,长期以来传统的煤燃烧利用方式带来了严重的资源与环境问题,煤气化成为洁净、高效利用煤炭的最主要途径.目前一些先进的发电系统(如整体气化联合循环(IG CC )、高性能电力交流(HIPPS )等)都以煤气化为核心,同时美国能源部(DOE )提出的Vision 21(展望21世纪)能源系统和Shell 公司提出的Syngas Park (合成气园)的基本思想也是以煤气化为龙头,所得的合成气作为各种洁净、高效利用系统的气源,因此煤炭气化已经成为许多能源高新技术的关键技术和重要环节.气流床气化比其他气化炉(固定床和流化床)气化具有气化强度高、生产能力大、碳转化率高的优点,在多联产和先进发电系统中也是人们关注的一种气化方法.在气流床煤气化过程中,不同的气化参数(气化剂、温度、压力等)对气化过程的性能参数以及最终生成煤气成分有很大的影响.从定量的角度研究不同气化参数对气化的影响,能够凸显出气化反应系统本身对各种气化参数响应的敏锐程度,从而更深层次地理解气化机理的内在规律性,在实际工程应用中,对各种气化方案的优化以及气化炉的设计也具有直接的指导意义.但就现有的资料来看,极少见到专门用于研究气化参数对煤气化影响的理论模型的文献.一般来讲,模拟气化有两种方法:反应平衡模型[1,2]和化学动力学模型[3～6].平衡模型以反应热力学为基础,相对比较简单,并且具有一定的通用性(不考虑气化炉的流动传热传质特性以及气化反应的过程),对碳转化率高、反应接近平衡的工况预测得比较好,而对没有达到化学平衡的工况则预测得比较差.动力学模型以气化系统的反应动力学为基础,能真实地反映炉内的气化过程,并且对最终煤气成分的预测更为准确.但该模型相对比较复杂,通用性也比较差.为此本文综合考虑平衡模型和动力学模型的优点,并考虑了气流床气化的特点,建立了基于整个气化过程的动力学模型,并从系统反应进程和最终煤气组分两方面进行验证,以确认模型的可靠性,为预测气化参数影响气流床的气化过程打下基础.1　模型描述本文的模型以化学动力学为基础,作以下假设:1)不考虑流体动力学、传热和传质,仅视气化反应为一包含均相和非均相反应的化学反应系统,非均相反应考虑焦炭与气化剂的反应,均相反应考虑挥发份组分、气化剂以及气化产物间的相互反应.2)挥发分的析出过程是瞬时的,其挥发分组分按经验模型计算[5].3)反应系统各组分充分混和,同一时刻气相与固相的温度相等.4)模型考虑的气化产物有C O 、C O 2、H 2、H 2O 、CH 4、N 2和H 2S ,并认为N 2和H 2S 直接随挥发份析出,在整个系统内不参与反应;气体组分遵循理想气体状态方程.1.1　挥发分析出模型一般认为煤的热分解反应速度大大高于煤粉燃烧及气化反应速度,即煤的挥发分析出过程瞬间完成.本文采用David [7]建立的煤裂解模型的思想,以元素平衡法估算挥发份析出的成分.挥发份产物由CH 4、C O 、C O 2、H 2、H 2O 、N 2和H 2S 组成,热解后固态产物为半焦Char.不同组分气体、半焦的最终产率与煤的可燃基元素分析值C daf 、H daf 、O daf 、N daf 和S daf 之间的关系可用如下元素平衡矩阵方程表示:w (C )0.750.42860.27270000w (H )0.250010.111100.0588w (O )00.57140.727300.888900w (N )0000010w (S )0000000.9412010000000010000001・Char CH 4C O C O 2H 2H 2O N 2H 2S=C daf H daf O dafN daf S dafw (H 2)・4H daf w (C O )・1.75O daf w (C O 2)・1.375O daf.(1)式中:w (H 2)表示析出产物CH 4中的氢占原煤中氢的质量分数,w (C O )、w (C O 2)表示析出产物中C O 、C O 2占原煤中O 2的质量分数,w (C )、w (H )、w (O )、w (N )、w (S )分别为焦炭可燃基中C 、H 、O 、N 、S 的质量分数.w (H 2)、w (C O )、w (C O 2)分别为0.335、0.23和0.25.1.2　气化模型气化反应是本模型的核心部分,依据气流床的特性,煤粉与气化剂经喷嘴喷入气化炉的燃烧区,该区域温度高达1500～2000℃,燃烧反应速率很快,一般在百分之几秒消耗完毕,氧气消耗完之前,C -O 2、C O -O 2、H 2-O 2以及CH 4-O 2为主要反应;氧气消耗完以后,C -C O 2、C -H 2O 、C -H 2、水煤气反应及甲烷蒸汽重整反应为主要反应,煤粉及气相组分在炉内的停留时间约为几秒.本文主要考虑以下9个反应:①C +1/ΦO 2→2(1-1/Φ)C O +(2/Φ-1)C O 2②C +C O 2→2C O ③C +H 2O (g )→C O +H 2④C +2H 2→CH 42631浙　江　大　学　学　报(工学版)第38卷⑤C O +1/2O 2→C O 2⑥H 2+1/2O 2→H 2O (g )⑦CH 4+2O 2→C O 2+2H 2O (g )⑧C O +H 2O (g )→C O 2+H 2⑨CH 4+H 2O (g )→C O +3H 2气固反应的速率表达式示于表1.其中①为焦炭的燃烧反应,认为其反应速率由化学反应和灰层扩散阻力共同控制,Φ为化学当量系数,其取值由下式决定[4]:Φ=(2Z +2)/(Z +2);d p ≤0.005cm ,[(2Z +2)-Z (d p -0.005)/0.095]/(Z +2); 0.005cm <d p ≤0.1cm ,1.0; d p >0.1cm . (2)Z =2500exp (-6249/T ).(3)式中:d p 为煤颗粒直径(cm ),T 为反应系统温度(K ).反应②、③和④采用等温吸附形式的表达式.气相反应⑤～⑨的速率表达式示于表2.1.3　能量方程本模型采用的计算程序本身遵循质量守恒,即任意时刻生成物消耗的质量等于产物的生成质量,因此无需对模型的质量守恒另加讨论,仅仅考虑能量守恒即可.稳态情况下系统能量守恒,因气化过程是一化学反应系统,气体和固体的焓均采用生成焓计算,即输入系统的焓与输出系统的焓相等,具体表达式由盖斯定律可得:表1　气固非均相反应动力学数据T ab.1　K inetic data for gas 2s olid heterogeneous reactions反应序号速率表达式动力学系数描述 文献①R 1=12ΦAC O210001k 1+ξD h d ′pd p/(kg ・s -1)k 1=2.25×104exp (-1.113×105/(R/T ))/(m ・s -1)[8]②R 2=-1W d Wd t=k 21P C O 21+k 22P C O 2+k 23P C O/s-1k 21=2.71×10-1exp (-1.531×105/(R/T ))/(Pa -1・min -1)k 22=2.06×10-7exp (2.3×104/(R/T ))/Pa -1k 23=3.82×10-7exp (4.81×104/(R/T ))/Pa-1[9]③R 3=-1W d Wd t=k 31P H 2O1+k 32P H 2O +k 33P H 2/s-1k 31=2.96exp (-1.54×105/(R/T ))(Pa -1・min -1)k 32=1.11×10-4exp (-2.95×104/(R/T ))/Pa -1k 33=1.53×10-14exp (2.09×105/(R/T ))/Pa -1[9]④R 4=-1W d W d t =k 41P 2H 21+k 42P H 2/s-1k 41=3.18×102exp (-2.374×105/(R/T ))/(Pa -1・min )-1k 42=1.53×10-9exp (-2.092/(R/T ))/Pa-1[9] 注:P C O 2、P C O 、P H 2O 、P H 2分别为煤气组分中C O 2、C O 、H 2O 、H 2的体积分压(Pa ),C O 2为反应过程中氧气质量浓度(m ol ・m -3),R 为通用气体常数(J ・m ol -1・K -1),T 为气化温度(K ),A 、W 分别为未反应煤颗粒的表面积(m 2)和质量(kg ),d p 为未反应煤颗粒直径(m ),ξ=(d p -d ′p)/2为灰壳厚度(m ),D h 为灰壳中氧扩散系数(m 2・s -1)(参阅文献[8]).表2　气相均相反应动力学数据T ab.2　K inetic data for gas phase hom ogeneous reactions反应序号速率表达式/(m ol ・m -3・s -1)动力学系数描述 文献⑤R 5=k 5C 2C O C C O2k 5=2.4602×10-12exp (-21137/T +24.74414)T 3[10]⑥R 6=k 6C 2H 2C C O2k 6=k 5/0.35[10]⑦R 7=k 7C CH 4C O2k 7=3.552×1011exp (-9.304×105/(R/T ))k 81=2.978×109exp (-3.690×105/(R/T ))[11][3]⑧R 8=k 81C C O C H 2O -k 82C C O 2C H 2k 82=k 81/K eq1　K eq1=0.0265exp (3956/T )k 9=312exp (-2.0×104/(R/T ))[1][3]⑨R 9=k 9(P CH 4-P 3CH 4)/(Pa ・s -1)P 3CH 4=K eq2P C O P 3H 2/P H 2OK eq2=6.7125×10-4exp (27020/T )[5][1] 注:C C O 、C C O 2、C H 2、C H 2O 、C CH 4分别为气化过程气相中C O 、C O 2、H 2、H 2O 、CH 4的浓度(m ol ・m -3)、K eq1、K eq2分别为水煤气反应和甲烷蒸汽重整反应的平衡常数.3631第10期吴学成,等:气化参数影响气流床煤气化的模型研究(Ⅰ)———模型建立及验证∑I i=1m iΔH0f,i,298+∑Ii=1m i∫T r298C P,T,i d T=∑J j=1n jΔH0f,j,298+∑Jj=1n j∫T P298C P,T,j d T+Q.(4)式中:m i、n j为反应物和生成物的质量(kg),下标i、j表示第i(j)组分;ΔH0f,i,298、ΔH0f,j,298分别为反应物和生成物的标准生成焓(J/g);C P,T,i、C P,T,j分别为反应物和生成物的定压比热容(J/ (g-1・K-1)),Q为系统散热损失.式(4)的等式前两项分别为反应物的标准生成焓及显热焓,等式后前两项是生成物的标准生成焓和显热焓,系统的热损失用占原煤发热量的百分比来描述.假定煤完全燃烧的产物仅为C O2、H2O和S O2,由盖斯定律,煤的生成热可采用如下表达式[12]:ΔH0f,coal,298=HHV-(327.86C ar+1418.79H ar+92.84S ar+158.67M ar).(5)式中:HH V为煤收到基高位发热量(J/g);C ar、H ar、S ar、M ar分别为煤收到基C、H、S元素及水分质量分数.2　模型计算本模型采用C++语言编写程序,气化反应速度计算采用四阶Runge2K utta公式.模型主要的输入参数有:1)煤成分、发热量、平均粒径、密度、进口温度;2)w(H2)、w(C O)、w(C O2);3)气化剂/煤比,各气化剂进口温度;4)气化工作压力,系统热损失系数.表3　模型计算所用的数据[1] T ab.3　Data used in simulations工况气化剂煤比m(O2)/m(煤)m(H2O)/m(煤)m(N2)/m(煤)气化压力/MPa煤的元素分析(干燥基)/%C H O N S AshⅠ0.800.080.1302.41369.65.310.01.33.910.0Ⅱ0.860.500.0174.08369.65.310.01.33.910.0Ⅲ1.030.650.0004.08386.02.02.31.08.30.53　模型验证动力学模型优于平衡模型的一个优点是能够同时对系统反应过程和最终状态作详细的描述,验证本模型也应从这两方面进行.为此,分别用文献[1]所报道的不同炉型不同煤种的实验数据对本模型进行了校核.验证模型所用工况列于表3,分别代表了不同的运行条件,包括不同的煤种、不同的气化炉以及不同的气化压力.在计算中,借鉴文献[1]的做法,对没有给出初始参数的工况进行假设,假定煤的进炉温度为25℃,气化剂除蒸汽取为150℃外,其余均取为25℃,对不同炉型不同煤种计算时保持模型的动力学参数不变.对三个工况的验证计算表明该模型具有较高的可信度.工况Ⅱ系统反应过程中气相体积分数φ和焦炭C随时间变化情况由图1所示.气流床气化过程可以分为三个阶段:前两个阶段以氧气消耗完毕为分界点.氧气消耗完之前,主要以剧烈的燃烧反应为主,之后主要以较缓慢的气化反应为主.从图1(a)中可以明显看出,该工况下分界点大致在0.04s.第一阶段中,伴随着O2的不断消耗,C O、H2和CH4体积浓度在极短时间内下降到最低(图中无法显示), H2O、C O2体积浓度增加,相比之下C O2增加幅度更明显,这是因为C O和大量的碳燃烧生成了C O2.由于高温下有利于反应①向生成C O的方向进行(式(2)、(3)),因此第一阶段中仍具有一定量的C O(而H2和CH4则为零),并随着O2的减少呈微弱的上升趋势.进入第二阶段后,反应进程明显减慢,C O、H2体积浓度开始增加,H2O、C O2体积浓度则开始下降,说明进入气化反应阶段.第三阶段为反应达到平衡状态,第二、三阶段分界点不明显,如图1(b)所示.可以看出,该工况在4s以后基本达到平衡状态.经分析可知,该模型能够比较合理地反应实际气流床气化反应系统的反应进程.表4列出了各个工况最终煤气成分的模型计算结果与实验数据的对比,并采用常见的误差函数进行分析,平方误差和定义见式(6):4631浙　江　大　学　学　报(工学版)第38卷图1　工况Ⅱ系统反应进程模型计算结果Fig.1　Calculated results of reaction process for m odeⅡ　表4　模型计算结果与文献报道数据对比[1]T ab.4　C om paris on of calculated and reported values煤气组分工况Ⅰ工况Ⅱ工况Ⅲ报道值计算值报道值计算值报道值计算值C O61.561.2041.0040.9047.1047.10C O2 1.6 1.2010.29.7013.2012.40H230.631.0129.829.9024.3023.80H2O--17.117.6012.7014.40CH4　00.020.30.060.090.05N2 4.7 5.200.80.750.400.35H2S 1.2 1.20 1.10.98 2.20 2.10误差0.8030.625 3.794平方误差和=∑Ii=1(Y C i-Y E i)2.(6)式中:Y C i、Y E i分别为第i组分模型计算值和文献参考值(实验数据),I为气体组分数目.从表4可以看出,三种工况下对C O、H2、C O2等主要气化产物以及N2、H2S等次要产物预测比较准确,对CH4预测稍差一些.三种工况分别是不同炉型、不同煤种和不同气化压力下的组合,表明模型对不同工况均具有较好的预测能力,该模型可以用来预测各气化参数对煤气化过程及最终煤气成分的影响.4　结　论为评价和优化气流床气化中的气化方案和气化参数,结合化学平衡建立了气流床气化动力学数学模型,并从系统反应进程和最终煤气组分两方面验证模型的可靠性,并得出如下结论:(1)能够合理地反映实际气流床气化反应系统的反应进程,并能对气化过程的三个阶段进行详细的描述;(2)对最终煤气组分的预测比较准确,计算结果与报道试验数据相吻合,具有较高可信度;(3)能够用来预测气化参数对气流床煤气化的影响.参考文献(R eferences):[1]W ATKI NS ON A P,LUC ASJ P,LI M C J.A prediction of per2formance of commercial coal gasifiers[J].Fuel,1991,70: 519527.[2]K OVACIK G,OG UZT ORE LI M,CH AM BERS A,et al.Equi2librium calculations in coal gasification[J].H 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流化床气化技术
流化床气化技术是气化碎煤的另一个主要方法。

颗粒可在10mm以下，与固定床要求是块煤有所不同。

其过程是将气化剂（氧气或空气与水蒸汽）从气化炉底部鼓入炉内，炉内煤的细粒被气化剂流动起来，在一定温度下发生燃烧和气化反应。

气流达到一定速度先鼓泡，叫鼓泡床，进一步就湍流，叫湍流床，再进一步叫快速流化床。

应用在气化煤上，形成很多炉型。

美国有U-Gas，德国有高温温克勒HTW，中国有ICC灰熔聚、灰黏聚恩德炉等。

2.1 反应特性：
2.1.1 流化床煤气化的主要反应包括：煤热解反应、热解气体二次反应、煤焦与CO2及水蒸汽反应、水蒸汽变换反应和甲烷化反应。

流化床气化过程也可分为氧化层和还原层。

氧化层高度为约为80-100mm，其高度与原料粒度无关。

氧化层上面为还原层，还原层一直延伸到床层的上部界限。

2.1.2 流化床的气体流量，一方面受到煤粒流化的最小速度--临界速度限制，又不能大于煤粒的终端速度--吹出速度，在两者之间寻求最佳流化速度。

例如，某流化床热态最小速度0.98m/s，最大为7.5m/s。

2.1.3 提高压力，可大幅提高气化强度。

提高温度，可提高煤气转化率及煤气产量。

煤种的适应性：较适合褐煤，长焰煤和弱粘煤，若气化贫煤和无烟煤时要提高温度。

由于流化床是固态干法排渣，为防止炉内结渣，在保持一定流速的同时，要求煤的灰熔点应大于1250℃，气化炉操作温度一般选定在比ST温度低
150-200℃。

煤与生物质流化床共气化的CFD数值模拟研究综述摘要：气化技术作为固体燃料(如煤和生物质等)清洁利用的重要方式，越来越广泛地被应用于生产合成气的工程实践中。

针对煤与生物质在单独气化时存在转换效率低、气体产物热值低以及焦油含量高等问题，提出了共气化技术以改善气化工艺。

文中主要介绍了基于计算流体力学（CFD）的煤与生物质共气化仿真模拟的研究，论述了两种固体燃料在单独气化和共气化时的反应机理，并详细介绍了冷态和热态流化床共气化CFD模拟所用到的模型。

目前全球绝大多数能源均由传统化石燃料所提供。

随着能源需求量的不断增加，燃料资源总量也在日益减少，同时在煤等燃料的燃烧利用过程中会产生大量的NOx 、SO2以及颗粒物等污染物，会对环境造成严重的影响[1]。

所以，对资源进行更加清洁高效的利用是目前亟待研究和解决的问题。

在现有的能源利用技术中，气化则被视为传统能源清洁高效利用的重要方式之一[2]，其中对煤与生物质的气化研究较为广泛，此外由于拥有较为适中的温度、物料粒径等条件，使得流化床气化成为活性较高的煤种与生物质等燃料气化的主要方式。

固体燃料流化床气化示意图及气化特点如图1所示。

在已发展较成熟的燃料单独气化技术的基础上，研究人员提出了煤与生物质的共气化技术[3]。

煤与生物质在共气化过程中产生了协同作用，弥补了两种燃料单独进行气化过程中的不足，打破了气化原料选择的限制，同时还可以提高气化时碳的反应速率，抑制焦油的生成并减少污染物的排放[4]。

所以共气化技术在将固体燃料转化为合成气的同时，提高了能源的利用率，并且减少了一部分化石能源的消耗。

由于生物质和煤的气化需要在900～1000℃的高温条件下进行，对实验设备有较高的要求。

此外，在对气化过程进行实验探究时，耗时较长，危险性也较高。

而通过计算流体力学（CFD）等数值模拟的方法则可以使得研究工作的成本较低，能节省更多的时间、人力和物力。

CFD在流化床中的应用主要有三个方面[5]，分别是流化床结构设计与操作条件的优化；模拟流化床冷态气固两相流，研究其中颗粒流动的规律；模拟流化床中热态的化学耦合，建立热态化学反应模型。

加压流化床气化条件下煤灰熔融特性的实验研究的开题报
告
一、研究背景和意义：
随着全球能源需求的增加和煤炭资源的日益紧缺，煤的高效利用显得尤为重要。

加压流化床气化技术是一种高效利用煤的方法，可以将煤转化为可再生的燃气或合成液体燃料，同时减少对环境的污染。

然而，在煤气化过程中产生的煤灰容易引起设备的堵塞，并且对环境和人体健康也存在潜在危害。

因此，深入研究煤灰的熔融特性对于提高气化效率和减少环境污染具有重要的理论和实际意义。

二、研究内容和方法：
本研究旨在通过实验研究，探讨加压流化床气化条件下煤灰在不同温度和气氛下的熔融特性。

具体来说，将选取不同类型的煤，采用不同的气氛和加热温度，利用热重分析仪等测试手段，分析煤灰的熔融过程和物化特性。

为了确定控制煤灰熔融的最佳条件，还将设计不同的实验方案，考察影响煤灰熔融的因素，如时间、压力、气氛等。

最后，通过对实验结果的分析和比较，得出加压流化床气化条件下控制煤灰熔融的关键因素和最佳条件的结论。

三、预期成果和意义：
通过本研究的实验研究和理论分析，能够更深入地了解加压流化床气化过程中煤灰的熔融特性。

同时，能够确定控制煤灰熔融的最佳条件，为实际工程中煤气化设备的设计和优化提供理论基础。

此外，了解煤灰熔融的特性也有助于科学合理的选择煤种，增强气化技术的可持续性和环境友好性。

流化床气化条件下煤灰低熔点共融物形成特性的开题报告
题目：流化床气化条件下煤灰低熔点共融物形成特性研究
背景：
随着煤炭资源的紧缺和环境污染的日益严重，煤气化技术成为了一种重要的替代能源生产方式。

而煤气化过程中，煤灰成分对残余物质的产生和影响较大。

煤灰成分不同，在悬浮床内煤灰的熔化行为也会不同。

因此，煤灰的低熔点共融物形成特性研究对于有效控制残余物产生和提高煤气化效率至关重要。

研究目的：
通过对流化床气化条件下煤灰低熔点共融物形成特性的研究，了解在不同的处理条件下，煤灰中低熔点共融物的产生过程、成分及其对治理残留物产率的影响。

研究内容：
1、煤灰低熔点共融物的定义和其形成过程；
2、影响煤灰低熔点共融物形成的因素分析；
3、通过实验研究不同处理条件下煤灰低熔点共融物的形成情况和成分，并分析其对残留物产率的影响；
4、分析煤灰中其他成分对低熔点共融物形成的影响，并探究可行的控制措施；
5、结合现有文献，进行综述，为煤气化技术的发展提供数据支持。

研究意义：
研究煤灰低熔点共融物形成特性，对于降低残留物产率，提高煤气化效率，减少环境污染，具有重要的实践意义和社会意义。

参考文献：
1. 郭晓玲, 王文斌, 王旭东等. 煤灰熔融行为的热分析研究进展[J]. 热力发电, 2011, 40(9): 24-7.
2. 刘晓亮, 杨秋燕, 李广彦等. 流化床燃煤气化技术特点及应用[J]. 着火点, 2019, 27(11): 25-8.
3. 赵佳璇, 郑志丹, 杨婕等. 煤灰中的低熔点成分对融化特性的影响研究[J]. 筑工资讯, 2020, 36(5): 68-70.。

流化床煤气化技术的研究进展煤气化技术有多种分类法，按煤的进料状态可分为干块进料、干粉进料和煤浆进料。

煤层中燃料运动状态，可分为固定床＜亦称移动床）、流化床、气流床和熔融床. 按床层压力等级，可分为低压＜＜ 0.3MPa ）、中压＜0.3 MPa〜4.5 MPa）和高压＜＞ 4.5MPa ）。

按排渣状态，可分为干法＜固态）、熔聚和熔渣＜液态）。

目前，应用较广泛的煤气化技术有如下几种：1）加压固定床气化技术加压鲁奇炉是典型的加压固定床气化技术，技术成熟，能利用高灰分煤，并且能在 2.41 MPa 压力下运行，适合合成液体燃料合成所需要的操作压力，可节约投资和能耗，但过程中产生大量的焦油和酚。

为克服上述缺点，又进行了新的开发，主要技术升级包括进一步提高压力、提高温度和两段引气。

2）流化床气化技术温克勒气化工艺是典型的流化床技术，最早用于工业生产，第一台工业生产装置于 1926 年投入运行。

这种炉型存在严重的缺陷，只能利用高活性褐煤，排灰含碳多，飞灰带出碳损失严重，致使碳利用率降低。

针对这些问题开发了新的流化床技术，如高温温克勒＜HTW ）、灰熔聚气化＜KRW , U-gas）和循环流化床气化工艺。

3）水煤浆气流床气化技术水煤浆气流床气化又称湿法进料气流床气化，其中 Texaco 炉是一种率先实现工业化的水煤浆气流床气化技术，其进料方式简单，工程问题较少，具有大的气化能力，可以实现高压力＜8 MPa〜10MPa）操作。

但冷煤气效率较低，氧耗较高。

为了降低过程氧耗，提高冷煤气效率，在 Texaco 气化技术基础上发展了两段进煤煤气化工艺。

4）干粉进料气流床气化技术干粉进料气流床气化技术相对湿法进料具有氧耗低，煤种适应广和冷煤气效率高等优点•其代表技术有Shell, Prenflo和日立气流床等。

Shell SCGP工艺是在K-T炉的基础上所开发的加压 K-T 气化炉。

Prenflo 气化工艺与 Shell SCGP 基本相同，只是炉体设计有所不同。