《密相输运床中试装置CPFD模拟研究进展》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2018-11-29
  • 密相输运床反应器采用高固体通量、高固体浓度的操作条件,强化了反应器内的“三传一反”过程,在应用于煤气化时可在较温和的气化条件下实现较高的气化效率,并且具有气化强度大、煤种适应性好、反应体系灵活、负荷调节范围大的优势,应用前景广泛。

      能源动力研究中心研建了高30 m、直径0.3 m的中试规模加压密相输运床气化装置(图1),开展了气化试验研究。为更深入地研究掌握气化炉内流动、优化中试装置运行,科研人员利用数值模拟手段对中试装置的气固流动特性开展研究。针对密相输运床中试装置计算规模大、炉内多流态共存的特点,采用计算颗粒流体力学(CPFD)模拟方法,通过欧拉-拉格朗日方法耦合求解流体和颗粒的运动,兼顾了双流体模型和离散元模型优点,可以很好的模拟复杂的气固流动以及传质传递等现象。

      通过中试装置气固流动试验数据的校核,确定了适用于气固曳力模型、网格划分和关键颗粒流化参数,建立了适用于密相输运床中试装置气固流动的数值模拟方法,研究了中试装置的气速、压力、固体循环流率Gs、立管充气和立管料高等操作条件对提升管内轴向、径向颗粒分布、加速段和充分发展段长度、循环回路压力平衡的影响。主要结果包括:(1)模拟获得了中试装置实现密相悬浮上升流的条件,如在提升管操作气速为6m/s时,Gs需达到831kg/m2s,如图2所示;(2)立管和返料阀充气可实现立管压降及提升管Gs的近似线性调节,立管料高决定了所能达到的最大Gs,如图3所示;(3)模拟获得了提升管加速段和充分发展段在不同操作条件下的变化,与在输运床小试装置上得到的加速段预测公式计算结果相比,误差在20%以内,如图4所示。

      上述研究是输运床中试装置操作和结构优化的重要依据,也为开展密相气固流动条件下的煤气化反应的模拟打下良好的基础,为装置的工况设计、性能分析与优化、工程放大提供参考。

相关报告
  • 《光子量子传感研究进展》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2018-12-06
    • 量子技术正以前所未有的速度发展,已成为一个广阔的领域。事实上,量子信息领域的技术应用是多方面的。最先进的领域之一当然是量子传感。这是一个广义的术语,涵盖所有那些能够胜过任何经典策略的估计和鉴别的量子协议。它通常与使用量子源来提高许多实际任务的性能有关,包括类似雷达的微弱物体检测,从光学存储器中读出信息,以及极近点的光学分辨率。人们可以利用诸如纠缠、单光子和压缩态等重要的量子特性来达到数量级的精度提高。在这种情况下,光子机制当然是最好的设置,这是由于在这种量子特征的产生、操作和检测方面相对简单。 近日,约克大学与约克量子技术中心的研究人员从量子传感背后的基本工具入手,讨论量子参数估计和假设检验问题的最新通用公式。基于这一基本背景,作者接着从理论和实验两个角度回顾了量子传感在光子领域中的新兴应用,综述了近年来光子量子传感的一些新进展。文章从量子参数估计和假设检验的理论背景出发,基于可编程性和隐形传态伸缩,给出了这些问题的最一般的自适应公式和信道模拟方法。这一背景将允许我们确定量子传感协议的目标、结构和经典基准,作者在理论和实验上讨论这些协议。除了目前的技术,开放性的问题和潜在的后续步骤也在后续讨论的范围内。 图1量子信道鉴别的技术应用 量子假设检验是量子读取的基础,其中存储在光学存储器中的信息仅通过使用几个量子光光子就能有效地检索。这种光可以更好地感知存储单元的反射率之间的差异,从而大大提高了信息的读出。量子假设检验也是量子照明的基础,其中利用量子相关来增强对远程和弱小目标的雷达式检测,即使在这个过程中纠缠可能会被破坏。量子参数估计还是量子成像和光学分辨率的最新进展的核心思想,其中“瑞利诅咒”可以通过量子计量检测方案消除。 图2 量子读数和量子照明的实验演示。 a,完美量子读取的实验装置;b,Lopaeva等人的量子照明实验;c,在Zhang等人的量子照明实验中,光子对是通过两个不同波长的自发参量下转换(SPDC)产生的,并使用二向色镜(DM)分离。 量子读取已被广泛研究,并且该术语今天明确地与来自光学存储器的经典信息的量子增强读出相关联(因此不应将其与信道辨别的其他应用混淆,例如通过量子计算机寄存器之间的控制单元进行通信)。早在2011年,一项后续工作就将该模型扩展到多单元纠错,并引入了量子读取容量的概念。另一项研究研究了用于量子读取的误差指数,最近重新考虑并定义了类似的读取容量概念的参量。注意,通过将原始定义扩展到自适应信道识别,并对联合隐形传送协变信道进行自适应块简化,立即给出了量子读取容量的双向概念。理论研究显示Fock态对于无噪声条件下的理想单元(非自适应)读取是最佳的,并且合适的纠缠态(信号束处于数对角线减少状态)也可以提供积极的量子优势。 图3 原理验证实验证明了一种能够比瑞利极限更好地测量两个非相干点状源的距离的量子检测方案。a,在Tang等人的实验中,具有光纤耦合输出的HeNe激光器在偏振分束器(PBS)处被分成两束正交偏振。它们在具有轻微横向位移的分束器(BS)处重新组合以模拟两个非相干光源。使用图像反转干涉仪,Mach-Zehnder干涉仪对光源进行成像,其中图像反相器由一个臂中的两个透镜组成。光电探测器(D2)检测干涉仪的一个输出。b,在Yang等人的实验中,信号光束由声光调制器(AOM)频移并照亮狭缝。c、在Tham等人的实验中,通过将激光从光纤耦合出来并在分束器上将它们组合来产生两个部分重叠的光束(如上插图所示)。d,在Paúr等人的实验中,通过使用由HeNe激光器照射的高频开关数字微镜芯片(DMD)产生两个紧密间隔的非相干光束。 量子传感尽管近年来取得了很大进展,但仍存在许多问题和实验挑战。从量子计量学的基本理论模型和假设检验的角度出发,我们常常可以计算量子力学所允许的极限性能。然而,我们一般不知道如何实现这些性能的最佳测量或我们需要在未知量子信道的输入处预备什么最佳状态。那么,我们需要考虑反馈和执行自适应协议吗?例如,在量子读取、高斯量子照明和量子增强光学超分辨的基础上,对玻色子损失的估计和鉴别是一个尚未解决的问题。从更实际和实验的角度来看,存在着巨大的挑战。尽管基于分束器的单一鉴别进行了第一次原理论证,我们还没有真正进行量子读取实验,其中单元的单个输出被有效地访问以用于读取。完整的演示将包括实际的(一维或二维)光学单元阵列,其中信息用经典代码存储,并且对单元块执行量子读出。这个想法可以进一步发展成为玻色子量子模式识别的实验,其中跨阵列的纠缠的使用可以提高数据聚类问题的分辨率。量子照明已经进行了各种实验演示。高效率的微波-光转换器的发展可以减轻与产生微波纠缠和在单光子水平上检测微波场有关的实验问题。此外,这些转换器对于其他应用是非常需要的,特别是作为超导量子芯片与潜在的混合量子互联网中光纤之间的接口。关于超分辨率的实验挑战,大多数当前的方案,从空间模式解复用到图像反演和外差的超定位,依赖于需要知道源质心的位置以便获得完全量子最优分辨率的假设。通常,该位置并不完全已知,因此在估计分离之前实现最大对齐成为在实际实现中优化性能的重要步骤。在理论方面,量化自适应量子方案的性能也是具有挑战的。相关内容以《Advances in photonic quantum sensing》为题,发表在《Nature Photonics》杂志上。
  • 《焦化废水处理技术的研究进展》

    • 来源专题:水体污染治理
    • 编译者:王阳
    • 发布时间:2019-07-19
    • 焦化废水是在煤制焦炭、煤气净化和化工产品精制过程中产生的废水,其成分复杂多变,除氨氮、氰及硫氰根等无机污染物外,还含有酚类、萘、吡啶、喹啉等杂环及多环芳香族化合物(PAHs)[1]。由于氰化物、多环芳烃及杂环化合物很难生物降解,加之高浓度氨氮对微生物活性具有很强的抑制作用,导致废水的可生化性较差,焦化废水一直是公认的最难处理的工业废水之一[2]。 随着我国钢铁工业的飞速发展,焦炭产能的不断扩大,产生的焦化废水数量也在不断增加,其达标排放问题越来越受到环保部门及企业的高度重视。同时“十二五”规定,单位工业增加值用水量需要降低30%,水资源已经成为阻碍很多企业可持续发展的瓶颈,因此开发出经济合理、新型高效的焦化废水处理工艺仍旧是工业废水研究领域的重大课题。 1焦化废水的来源和水质特点及危害 1.1 焦化废水的来源 焦化废水是在煤高温裂解得到焦炭和煤气的生产过程中回收焦油、苯等副产品而产生的,其主要来源有: (1)煤高温干馏和荒煤气冷却过程中产生的剩余氨水; (2)煤气净化过程中产生的煤气终冷水及粗苯分离水; (3)粗焦油加工、苯精制、精酚生产及古马隆生产等过程产生的污水; (4)接触煤、焦粉尘等物质的废水。这几种废水中,一般剩余氨水占废水总量的50%~70%,是焦化废水处理的重点[3]。 1.2 焦化废水水质特点及危害 (1)成分复杂:焦化废水组成复杂,其中所含的污染物可分为无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物一般以铵盐的形式存在,有机物除酚类化合物以外,还包括脂肪族化合物、杂环类化合物和多环芳烃等。其中以酚类化合物为主,占总有机物的85%左右,主要成分有苯酚、邻甲酚、对甲酚、邻对甲酚、二甲酚、邻苯二甲苯及其同系物等;杂环类化合物包括二氮杂苯、氮杂联苯、吡啶等;多环类化合物包括萘、蒽、菲等。 (2)含有大量的难降解物,可生化性较差:焦化废水中有机物(以COD计)含量高,且由于废水中所含有机物多为芳香族化合物和稠环化合物及吲哚、吡啶等杂环化合物,其BOD5/COD值低,一般为0.3~0.4,有机物稳定,微生物难以利用,废水的可生化性差。 (3)废水毒性大:其中氰化物、芳环、稠环、杂环化合物都对微生物有毒害作用,有些甚至在废水中的浓度已超过微生物可耐受的极限。 (4)含有危害水生生物和人体的剧毒及致癌物质:主要污染物质为环链有机化合物、叠氮化合物以及氨氮等。这些物质对生态环境以及人体的健康都会造成一定的危害,如果人直接饮用了含一定浓度这类物质的水或长时间吸入含该类物质的空气,将会危害身体健康,严重者可以致癌;特别是有些物质可在动物或植物体内富集,使其浓度浓缩许多倍,最终通过食物链侵害到人类;焦化废水中的含碳类化合物多数都是耗氧类物质,它们进入水体后要消耗水体中的溶解氧,严重时可以导致水体的腐化;而焦化废水中的含氮类物质,能导致水体的富营养化,可以导致藻类的大量孽生和繁殖;氨氮在水体中还能转化成硝态氮,婴幼儿饮用了含有一定浓度硝态氮的水,可导致白血病。因此,焦化废水对自然生态的破坏及其严重,对人类的威胁巨大[4]。 2 焦化废水处理技术的研究进展 目前,国内大部分的焦化厂普遍采用普通活性污泥法处理经蒸氨、脱酚预处理的焦化废水,处理后水中的酚、氰、油等有害物质大为降低,但对COD和NH3-N的去除率并不高,难降解物质的存在使出水水质不能达到国家排放标准。因此,还需要进行深度处理即三级处理。然而,深度处理费用昂贵,成本压力大,多数焦化厂仅采用生化处理,未经三级处理,造成未达标排放,严重污染了水环境,给人类健康带来了严重危害[5-6]。因此,寻求和研究新的处理工艺是提高焦化废水处理效果的关键所在。 2.1 焦化废水传统处理技术 2.1.1 芬顿(Fenton)试剂处理 1984年,H.J.H.Fenton发现通过H2O2与Fe2+的混合后,各种简单的和复杂的有机化合物均能被氧化。其机理认为是Fenton试剂通过催化分解产生羟基自由基(·OH)进攻有机物分子(RH)夺取氢,并使其降解为小分子有机物或矿化为CO2和H2O。K.Banerjee等对焦化废水进行研究,发现采用Fenton试剂处理后能有效地减小焦化废水中COD的浓度[7]。许海燕等[8]取生化处理后的焦化废水为实验水样(CODcr为223.9mg/L)加入Fenton试剂后,又加入絮凝剂FeCl3和助凝剂PAM,过滤除去废渣,处理后的水样中CODcr为43.2mg/L。谢成等[9]采用Fenton法对广东韶关钢铁公司焦化厂废水进行预处理,结果表明酚、苯系物、石油烃、含氮杂环有机物和多环芳烃的去除率在90 %以上。 2.1.2 吸附法 吸附法处理焦化废水是利用固体表面有吸附水中溶质及胶质的能力,吸附水中一种或多种物质从而使水得到净化。常用的吸附剂种类有很多,如活性炭、吸附树脂、磺化煤、矿渣等。活性炭是最常用也是处理水质最好的一种吸附剂。徐革联等[10]模拟工业条件,将活化污泥与水混合,分别投入焦粉、活性炭、粉煤灰,发现活性炭的吸附性能最好,焦粉次之。可用于废水的深度处理,但是活性炭需酸洗再生,再生设备容易腐蚀,运行成本高。吴健等[11]人在生物脱酚的基础上,向二沉池中投加絮凝剂,并增设焦炭、活性炭吸附塔等设备对焦化废水进行深度处理,使CODcr去除率达80%-90%。刘俊峰等[12]用南开牌H2103大孔树脂吸附处理含酚520 mg/L、COD3200mg/L的焦化废水,处理后出水酚含量≤0.5 mg/ L,COD≤80mg/L,达到国家排放标准。一些研究者通过改性粉煤灰吸附处理焦化厂含酚水的试验,酚、SS、COD和色度的去除率分别达到95 %,而且处理费用较低。 2.1.3 混凝气浮法 该方法首先采用聚合硫酸铁(PFS)破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散体系,使其聚集成絮凝体,然后含有大量絮凝体的混合液通过配水堰进入气浮池,利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附水中的絮凝体,使其随气泡升到水面。产生的浮渣通过刮泥机和排泥管道自流进入污泥浓缩池。龚文琪[13]采用混凝法处理湖北鄂钢公司酚、氰废水,在运行过程中发现挥发酚、游离氰化物容易去除,而络合氰化物难以通过曝气氧化去除,COD去除效果不十分理想,但通过加入生活污水,提高废水的可生化性以后,基本能使出水COD达到国家二级排放标准。刘剑平,赵娜等[14]采用混凝气浮法处理污水的过程中,发现该系统具有结构简单、运行稳定、操作方便、溶气效率高的优点,但是该系统也存在当进水中的悬浮物过高时,出水中悬浮物浓度升高,造成释放器堵塞。 2.1.4 A/O工艺 A/O工艺是目前焦化污水脱氮的主要工艺。A/O工艺既能脱氮也能将废水中大部分的有机物降解去除,是一种较为理想的废水处理技术,但是对于某些有毒有害物质(氰化物及氨氮等)的降解能力差,常常难以达到国家允许的排放标准[15]。现许多处理厂对A/O工艺进行改进形成的A2/O工艺的可行性研究表明,A2/O工艺比A/O工艺脱氮效果更好,但是基建投资比原来高30 %左右,操作费用也要增加60 %~80 %[16]。 2.1.5 SBR工艺 普通活性污泥法对焦化废水中的氨氮降解效果较差,处理后出水NH3-N在200mg/L左右,COD在300mg/L左右,这两项指标均不能达到排放标准[17]。而且普通活性污泥系统存在抗冲击能力差,生长缓慢,操作不稳定等缺点。SBR工艺是一种活性污泥法新工艺,它在同一反应器内,通过进水、反应、沉淀、出水和待机5个阶段,循序完成缺氧、厌氧和好氧过程,实现对水的生化处理。钟梅英[18]对SBR工艺处理焦化废水进行了研究,结果表明,进水COD为650~1900mg/L,氨氮为150~330mg/L时,去除率分别达到80%和70%以上,且处理费用较低。LI Bing等[19]用厌氧序批式反应器来预处理焦化废水,结果表明,在tf/tr为0.5,搅拌强度为0.025L/L和间歇搅拌模式为100s/45 min的最佳条件下,有机负荷率为0.37-0.54kgCOD/(m3/d)的稳定运行期间,CODcr去除率达到38%~50%。此外,焦化废水经预处理后,BOD5/COD从0.27提高到0.58。 2.2 焦化废水处理新技术 2.2.1 催化湿式氧化技术 催化湿式氧化技术一般是指在高温和高压下,在催化剂作用下,用氧气将废水中的有机物和氨氮等污染物氧化,最终转化为CO2和N2等无害物质的技术。此方法具有使用范围广、处理效率高、氧化速度快、二次污染小等优点。但由于操作在高温高压下进行,因此对工艺设备要求严格,投资费用高。所以此方法在一些发达国家已实现工业化,用于处理含氰废水、煤汽化废水、造纸黑液。杜鸿章等[20]研制出适合处理焦化厂蒸氨、脱酚前浓焦化污水的湿式氧化催化剂,该催化剂活性高、耐酸、碱腐蚀,稳定性好,适用于工业应用,对CODcr及NH3的去除率分别为99.5%和99.9%。 2.2.2 超临界水氧化法 超临界水是指温度、压力都高于其临界点的水,当温度高于临界温度374.3℃,压力大于临界压力22.1MPa时,水的性质发生了很大的变化,水的氢键几乎不存在,具有极低的介电常数和很好的扩散、传递性能,具有良好的溶剂化特征。该法在20世纪80年代初由美国学者Mdoell[21]提出,在很短的时间内,废水中99%以上的有机物能迅速被氧化成H2O、CO2、N2及其它无害小分子。 2.2.3 利用烟道气处理焦化废水 为了彻底解决焦化废水的污染问题,殷广谨等[22]人采用一种与生化法截然不同的处理技术,即利用烟道气处理焦化剩余氨水或全部焦化废水。锅炉烟道气处理工艺是废水在喷雾塔中与烟道气接触并发生物理化学反应,废水全部汽化,烟道气中SO2与废水中的NH3及塔中的O2发生化学反应生成(NH4)2SO4。吸附在烟尘上的有机污染物在高温焙烧炉或锅炉炉膛内进行无毒化分解,从而实现了废水的零排放,同时对大气环境无污染。该工艺“以废治废”,不仅处理效果好,还具有投资省、运行费用低等优点。 2.2.4 固定化细胞技术 固定化细胞(简称IMC)技术是通过化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内,使其保持活性并可反复利用的方法。制备固定化细胞可采用吸附法、共价结合法、交联法、包埋法等。固定化细胞技术充分发挥了高效菌种或遗传工程菌在降解有机物过程中的高效降解作用,具有细胞密度高,反应迅速,微生物流失少,产物分离容易等优点,且反应过程控制较容易,污泥产生量少,同时可去除氯及高浓度难降解有机物[23]。Amanda等[24]以PVA-H3BO3包埋法固定化假单胞菌Psendomonas,在流化反应器中连续运行2周,进水酚浓度从250mg/L逐渐提高到1300mg/L,出水酚浓度可降至极低。 2.2.5 超声波法 利用超声波降解水中的化学污染物,尤其是难降解的有机污染物,是近年来发展起来的一项新型处理技术。超声波由一系列疏密相间的纵波构成,并通过液化介质向四周传播,当声能足够高时,在疏松的半周期内,形成空化核,其寿命约为0.1μs。在破裂的瞬间可产生约4000K、100MPa的局部高温高压环境,并产生速度约110m/s、具有强烈冲击力的微射流,称为超声空化。超声空化足可使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应。研究表明,卤代脂肪烃、单环或多环芳烃及酚类物质等都能被超声波降解[25]。 2.2.6 等离子体处理技术 等离子体处理技术是利用高压毫微秒脉冲放电等离子体对难降解有机废水进行处理。其原理是在毫微秒高压脉冲作用下,气体间隙产生放电等离子体,放电等离子体中存在大量高能电子,这些高能电子作用于水分子产生大量的水合电子、OH、O等可氧化水中有机物的强氧化基团。研究表明,焦化废水经脉冲放电处理后,大分子有机物被氧化分解为小分子,再用活性污泥法进行后续处理,废水中氰化物、酚及CODcr的去除率显著提高[26]。 2.2.7 生物强化技术 生物强化技术就是为了提高废水处理系统的处理能力,而向该系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种,以去除某一种或某一类有害物质的方法。生物强化技术因能提高水处理的范围和能力,近年来在焦化废水治理中的应用日益重要。Donghee Park等[27]为了提高生物去除总氰化物的效率,用生物强化技术处理焦化废水。经过实验室培养可降解氰化物的酵母菌和不明确的降解氰化物的微生物,然后将微生物菌体接种入流化床反应器。结果表明:全面的氰化物生物降解的连续运行表明去除率比想象中低。王璟、张志杰等[28]研究了投加高效菌种及微生物共代谢对焦化废水生物处理的增强作用,结果表明:高效菌种能普遍提高难降解物的去除率,48h内可以比投加初级基质提高CODcr去除率47%左右,初级基质与高效菌种组合协同作用效果好,48h后焦化废水CODcr去除率达到60%左右。 2.2.8 膜生物反应器(MBR)法 MBR工艺是20世纪90年代发展起来的一种污水处理新技术,是生物处理与膜分离技术相结合形成的一种高效污水处理工艺。该技术用膜分离技术取代传统接触氧化法的二沉池,膜的高效固液分离能力使出水水质优良,处理后出水可直接回用。MBR对于COD以及NH3-N的处理效果均好于常规的A/O法[29]。但是MBR造价较二沉池高,在经济效益方面不如传统二沉池有优势,成为制约工业化应用的主要因素。 3 结论 经过不断的研究和实践,焦化废水的处理方法已经很多,且取得了较好的处理效果,但也存在一些缺点,比如外排水COD很少能够稳定达到国家一级排放标准,出水指标不稳定。随着环保要求的日益严格,单靠一种处理方法难以达到理想的效果。利用多种方法的协同作用处理焦化废水,可发挥各自的优点,有助于更进一步地提高处理效率。因此,通过多种方法的有机组合、联用,最终研发出处理效果好、投资省、运行费用低、操作简单、易于控制的焦化废水处理新技术,不但可以为企业降低新水消耗量,节约生产成本,维护周边的生态环境,而且还为履行国家的节能减排战略,以及对生态环境的保护和焦化企业的可持续发展具有重要的现实意义。