烟气中水蒸气对钙基吸收剂碳酸化的影响特性

在循环煅烧/碳酸化反应系统上考察煅烧气氛和碳酸化气氛中水蒸气含量以及CO₂分压对钙基吸收剂成型颗粒碳酸化的影响,通过对钙基吸收剂微观结构分析(扫描电镜、氮吸附分析)以理解水蒸气影响碳酸化特性的机理。结果表明,煅烧气氛和碳酸化气氛中的水蒸气均可提高钙基吸收剂的碳酸化转化率,水蒸气含量分别为10%和5%时,吸收剂的碳酸化性能较好;水蒸气在碳酸化气氛中对高铝水泥改性吸收剂的改善作用较石灰石显著。煅烧气氛中的CO₂分压越高,烧结现象越严重,降低钙基吸收剂的捕集效率;碳酸化气氛CO₂分压提高,有利于提高钙基吸收剂的碳酸化转化率。烟气中水蒸气丰富了吸收剂的微观孔隙,使得吸收剂捕集CO₂性能得到改善。     

不同钙基吸附剂捕集CO2后的硫酸化反应特性研究

钙基吸附剂进行多次CO₂捕集后,碳酸化效率会大幅衰减,此时的吸附剂能否高效脱硫利用是值得重点关注的问题。鉴于此,筛选了高性能合成钙基吸附剂和天然石灰石吸附剂,通过热重分析仪分析对比其在多循环CO₂捕集后的碳酸化和硫酸化反应性能,采用微粒模型研究其硫酸化反应动力学特征。结果发现,高性能合成钙基吸附剂的碳酸化反应速率和CO₂吸附能力明显高于石灰石吸附剂。在长达500循环的CO₂捕集试验后,高性能合成钙基吸附剂的CO₂吸附能力比石灰石高10倍以上,其SO₂吸附能力相较于石灰石提升约40%。经历多次CO₂捕集反应循环后,2种吸附剂的硫酸化能力均有提升:其中,石灰石吸附剂的提升幅度更大,硫酸化转化率从26%提升到35%,而高性能合成钙基吸附剂的硫酸化转化率则从38%提升到43%。通过微粒模型计算发现,2种吸附剂的硫酸化反应均是与SO₂浓度相关的一级反应,多循环捕集CO₂反应后,石灰石吸附剂的硫酸化反应活化能下降接近30%,而高性能合成钙基吸附剂的硫酸化反应活化能只下降了5%。研究结果说明2种不同钙基吸附剂在进行循环CO₂捕集后,脱硫能力得到了不同程度的提高,且均可以较好地应用于SO₂的脱除。     

碱/碱土金属修饰Ni基催化剂的CO2吸附与甲烷化性能

采用分步浸渍法制备了碱/碱土金属修饰Ni基催化剂Ni-M/Al₂O₃ (M=K₂CO₃, Na₂CO₃, MgO, CaO)。探究了碱/碱土金属的添加对改性Ni基催化剂CO₂吸附和甲烷化性能的影响。研究发现,碱/碱土金属的添加提高了Ni/Al₂O₃催化剂表面的碱性活性位点密度,强化了其CO₂吸附性能。碱/碱土金属类型影响Ni-M/Al₂O₃催化剂碱性活性位点的分布、NiO物相的转化及Ni的分散度,进而影响其甲烷化性能。MgO添加使NiO物相转化为与载体呈强相互作用的β型和γ型NiO,降低了催化剂表面的强碱性活性位点比例,有利于CO₂吸附活化。Ni-MgO/Al₂O₃的CO₂吸附容量最高为0.68mmolCO₂/g,其CO₂转化率和CH₄选择性分别高达58.4%和95.4%,其在烟气CO₂捕集与原位甲烷化中极具应用前景。     

Na2CO3基吸附剂颗粒制备及其脱碳性能

采用挤压-滚圆法制备Na₂CO₃基CO₂吸附剂微球颗粒,在自行设计的CO₂吸收系统中对制备的样品进行脱碳性能测试。结合相关表征测试,探明不同载体、不同负载量的Na₂CO₃基吸附剂的微观结构、脱碳性能以及机械性能的变化规律和内在原因。研究表明：不同载体的Na₂CO₃基吸附剂颗粒脱碳性能存在明显差异,其中氧化铝负载的吸附剂（Na₂CO₃/Al₂O₃）的脱碳性能最好,可达1.14mmol/g。铝酸钙水泥负载的吸附剂（Na₂CO₃/CA）机械性能较好,但其脱碳性能最差。结合吸附剂脱碳和机械性能的综合考量,Na₂CO₃/Al₂O₃是最为合适的CO₂吸附剂,并进一步研究不同Na₂CO₃负载量的影响。研究发现随着Na₂CO₃负载量的变化,吸附剂的微观结构、脱碳性能以及机械性能都存在明显的差异。虽然60%负载量的Na₂CO₃/Al₂O₃吸附剂颗粒的机械性能和脱碳效果较好,但其成球度较差,影响其实际应用。质量分数40%负载量的Na₂CO₃/Al₂O₃吸附剂颗粒具有良好的脱碳性能、机械性能以及成球度,CO₂脱除量为1.36mmol/g。总体而言,利用挤压-滚圆法制备的Na₂CO₃基吸附剂颗粒具有良好的流动特性、脱碳性能和机械性能,适用于电厂烟气中的CO₂脱除。     

钙循环捕集CO2后CaO的水合/脱水热化学储热性能

提出了基于CaO的钙循环捕集CO₂与CaO/Ca(OH)₂体系热化学储热耦合新工艺，在双固定床反应器上，研究了循环捕集CO₂中煅烧条件和碳酸化条件对CaO储热性能的影响，探究CaO循环捕集CO₂过程和循环水合/脱水储热过程的相互作用。研究表明，多次循环碳酸化/煅烧捕集CO₂后CaO仍具有较高储热性能，10次循环捕集CO₂后再经10次储热循环，CaO水合转化率可达0.66mol/mol。与苛刻煅烧条件相比，温和煅烧条件下经历多次循环捕集CO₂后CaO的储热性能更高。在碳酸化气氛中加入水蒸气对经历多次循环捕集CO₂后CaO储热性能的影响不大。钙循环捕集CO₂过程和水合/脱水循环储热过程能够相互促进。该工艺有望同时实现CO₂捕集和储热，具有一定的应用前景。     

镁负载CaO基吸附剂捕集CO2性能及抗烧结机理

复合钙基吸附剂制备成本过高是限制其工业化应用的主要瓶颈问题。本文以不可溶的CaCO₃和Ca(OH)₂作为钙源,通过燃烧合成法制备钙镁复合吸附剂,在双固定床反应器上研究了其循环捕集CO₂性能。结果显示：制备得到的钙镁复合吸附剂具有更发达的孔隙结构,吸附剂表面Ca和Mg分散均匀,MgO均匀分布于CaO晶粒之间,有效提高了钙镁复合吸附剂的抗烧结特性,因此钙镁复合吸附剂循环反应过程中具有高捕集CO₂活性。以Ca(OH)₂作为钙源时,燃烧合成过程中Ca和Mg均匀同时析出,分散更加均匀,有效避免了CaCO₃作为钙源时Mg的团聚问题,因此得到的钙镁复合吸附剂循环捕集CO₂性能最优。最佳的Ca/Mg摩尔比为(8∶2)~(7.5∶2.5)。本研究以不可溶钙源制备得到高活性钙镁复合吸附剂,有效控制了吸附剂成本,具有更好的工程应用前景。     

基于钴改性的钙基吸附剂污泥富氢气化

基于钙基吸附剂的污泥蒸汽气化制取富氢合成气是一种高效环保的污泥处理方式。本文采用溶胶-凝胶法制备了Co改性、Al₂O₃为载体的钙基吸附剂。借助热重分析仪测定不同钙基吸附剂在多个碳酸化和煅烧循环中的CO₂吸附能力和循环稳定性,并在固定床上进行污泥蒸汽气化实验。结果显示：煅烧过程中,以Al₂O₃为载体的钙基吸附剂中的Al₂O₃与CaO生成七铝酸十二钙(Ca₁₂Al₁₄O₃₃),并表现出优异的孔隙结构的和CO₂吸附能力,其中,Co质量分数为10%的吸附剂在30次循环（700℃碳酸化35min,850℃煅烧5min）中碳酸化率稳定在70%左右;提高气化温度及Co的添加量可促进焦油裂解和甲烷重整反应,显著提高了合成气中H₂的浓度和产量及污泥气化的冷煤气效率,有利于富氢气体的制取;在650℃下,相比于纯CaO,添加Co质量分数为15%的吸附剂时,H₂产量提高了102%,H₂体积分数提高到85%。     

Mg粉对Al2O3-C滑板材料性能的影响

以板状刚玉、α-Al₂O₃微粉、鳞片石墨和Mg粉为原料,以酚醛树脂为结合剂,制备了添加Mg粉的Al₂O₃-C材料,研究了不同温度埋炭处理后（600～1 400℃）Mg粉对不烧Al₂O₃-C材料性能的影响。结果表明：金属Mg活性高,Mg在600℃即可与O₂、CO或CO₂反应生成MgO陶瓷相,保护树脂碳不被氧化,且原位形成的MgO陶瓷相形成了紧密结合,产生强化作用,使不烧Al₂O₃-C材料的中低温强度提高;在1 000～1400℃,MgO和Al₂O₃生成MgAl₂O₄,且MgAl₂O₄的晶粒尺寸和生成量随着温度的升高而增加,对材料有增强作用;但1 400℃烧后试样的强度明显下降,这是由于生成MgAl₂O₄     

三元复合钙基材料CaO-Ca3Al2O6-MgO的合成及其CO2吸附性能

采用Al₂O₃和MgO同时掺杂改性的方法制备了CaO-Ca₃Al₂O₆-MgO复合钙基高温吸附CO₂材料。复合钙基材料孔隙发达,活性物相为CaO,惰性骨架物相为Ca₃Al₂O₆和MgO。Ca₃Al₂O₆/MgO质量比偏小的材料,表面微粒粒径较小。在10%（体积分数,下同）CO₂和90% N₂的混合气气氛下,采用热重分析仪测量了复合钙基材料吸附CO₂容量、碳化反应速率以及循环碳化（670℃）/煅烧（900℃）过程的稳定性。结果发现,复合钙基材料CaO-Ca₃Al₂O₆-MgO具有较好的吸附CO₂性能,提高Ca₃Al₂O₆/MgO质量比,合成材料的循环稳定性较好;降低Ca₃Al₂O₆/MgO质量比,合成材料的碳化反应速率加快,CaO转化率提高。最后,通过对不同循环次数下复合钙材料的比表面积、孔径分布、微观形貌、表面元素分布,晶相、晶粒大小进行研究分析,对合成材料的失活以及掺杂物质对烧结的抑制机理进行了讨论。     

二氧化碳甲烷化催化剂及反应机理研究进展

在“双碳”目标的背景下，明确碳处理路径至关重要。利用可再生能源制得的氢，将二氧化碳(CO₂)通过甲烷化反应制备合成天然气(SNG)被广泛认为是一种高效、有前景的碳捕集利用技术，有望实现碳循环利用。近年来，二氧化碳甲烷化催化剂及相关反应机理均取得了许多新进展。鉴于此，本工作对该反应进行了系统的综述。首先，介绍了CO₂甲烷化反应的热力学研究中不同反应条件的影响；随后从活性金属、载体、制备方法及辅助技术等四方面介绍了CO₂甲烷化催化剂的研究进展，其中活性组分包括非贵金属基(Ni,Fe,Co和Mo)和贵金属基(Ru,Rh,Pt和Pd)，载体包括传统氧化物(Al₂O₃,SiO₂,TiO₂,ZrO₂和CeO₂)和新型载体材料(金属有机框架和碳基材料)，催化剂制备方法包括传统制备方法(浸渍法、共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法和固相合成法)和合成辅助技术(超声波、微波和等离子体等)；总结了CO₂     

CO2 capture by double metal modified CaO-based sorbents from pyrolysis gases

High-temperature pyrolysis technology can effectively solve the problem of municipal solid waste pollution. However, the pyrolysis gas contains a large amount of CO₂, which would adversely affect the subsequent utilization. To address this problem, a novel method of co-precipitation modification with Ca, Mg and Zr metals was proposed to improve the CO₂ capture performance. X-ray diffraction (XRD) patterns and energy dispersive X-ray spectroscopy analysis showed that the two inert supports MgO and CaZrO₃ were uniformly distributed in the modified calcium-based sorbents. In addition, the XRD results indicated that CaZrO₃ was produced by the reaction of ZrO₂ and CaO at high temperatures. The effects of doping ratios, adsorption temperature, calcination temperature, CO₂ concentration and calcination atmosphere on the adsorption capacity and cycle stability of the modified calcium-based sorbent were studied. The modified calcium-based sorbent achieved the best CO₂ capture performance when the doping ratio was 10:1:1 with carbonation at 700 ℃ under 20% CO₂/80% N₂ atmosphere and calcination at 900 ℃ under 100% N₂ atmosphere. After ten cycles, the average carbonation conversion rate of Ca-10 sorbent was 72%. Finally, the modified calcium-based sorbents successfully reduced the CO₂ concentration of the pyrolysis gas from 37% to 5%.     

Cl含量对钙基吸收剂微观结构以及动力学性能的影响

通过浸渍法向分析纯CaCO₃中添加Cl,在双固定床反应器系统和热重分析仪上研究了其对钙基吸收剂循环捕集CO₂性能的影响,利用离子反应模型对添加Cl后吸收剂化学反应控制阶段进行动力学分析。结果显示：Cl对钙基吸收剂循环捕集CO₂性能具有不利影响。当Cl/Ca摩尔比大于0.25%后,随Cl/Ca摩尔比增加,化学反应控制阶段反应速率和持续时间均减小,导致在该阶段最终碳酸化转化率降低。对添加Cl前后吸收剂孔隙分布特性进行分析发现,添加Cl导致煅烧后吸收剂烧结加剧,比表面积降低,10~120nm范围内孔分布减少,导致CO₂在吸收剂内部扩散阻力增加,同时能与CO₂反应的CaO量减少,这是导致吸收剂化学反应控制阶段碳酸化反应速度较慢、最终碳酸化转化率较低的主要原因。鉴于Cl的不利影响,在选择钙基材料作为CO₂吸收剂或合成高活性复合吸收剂时,应避免吸收剂中Cl含量过高。     

负载型K2CO3/Al2O3吸收剂吸收CO2反应机理

利用热重分析仪、扫描电镜和氮吸附仪对不同粒径的K₂CO₃颗粒和负载型K₂CO₃/Al₂O₃二氧化碳吸收剂的碳酸化特性进行研究。负载后的吸收剂比表面积和孔隙结构得到较大改善,使得碳酸化反应速率和转化率均提高,吸收剂碳酸化特性得到改善。纯K₂CO₃颗粒吸收剂的反应速率和转化率随着粒径的增加而减小,负载型吸收剂的反应速率和转化率随着粒径的增加略增大。研究了不同粒径和反应时间对K₂CO₃/Al₂O₃颗粒微观结构的影响,结果表明K₂CO₃/Al₂O₃颗粒具有较稳定的微观结构。采用负载型粒子模型对K₂CO₃/Al₂O₃吸收剂吸收CO₂碳酸化过程进行研究,所建立的粒子模型计算结果与试验值吻合较好。利用建立的模型对不同CO₂浓度下K₂CO₃/Al₂O₃吸收剂碳酸化反应特性进行模拟计算,模拟结果具备一定的合理性和准确性,为开展进一步研究提供了基础。     

Enhancement of CO2 capture and microstructure evolution of the spent calcium-based sorbent by the self-reactivation process

The effect of self-reactivation on the CO_2 capture capacity of the spent calcium based sorbent was investigated in a dual-fixed bed reactor.The sampled sorbents from the dual-fixed bed reactor were sent for XRD,SEM and N_2 adsorption analysis to explain the self-reactivation mechanism.The results show that the CaO in the spent sorbent discharged from the calciner absorbs the vapor in the air to form Ca(OH)_2 and further Ca(OH)_2·2 H_2 O under environmental conditions,during which process the CO_2 capture capacity of the spent sorbent can be self-reactivated.The microstructure of the spent sorbent is improved by the self-reactivation process,resulting in more porous microstructure,higher BET surface area and pore volume.Compared with the calcined spent sorbent that has experienced 20 cycles,the pore volume and BET surface area are increased by 6.69 times and 56.3% after self-reactivation when φ=170%.The improved microstructure makes it easier for the CO_2 diffusion and carbonation reaction in the sorbent.Therefore,the CO_2 capture capacity of the spent sorbent is enhanced by self-reactivation process.A self-reactivation process coupled with calcium looping process was proposed to reuse the discharged spent calcium based sorbent from the calciner.Higher average carbonation conversion and CO_2 capture efficiency can be achieved when self-reactivated spent sorbent is used as supplementary sorbent in the calciner rather than fresh CaCO_3 under the same conditions.     

高温抗烧结吸附剂对SeO2捕集性能

使用气固瞬时反应装置在700~1100℃下对不同氧化物（氧化镁、氧化铁、氧化铝、氧化钙）的硒捕集性能进行研究,确定吸附产物性质。基于此选取相应的典型矿物及双组分抗烧结吸附剂改善硒高温吸附能力。结果表明：900℃前氧化钙捕集效果最好,但1100℃时其吸附量迅速降低到167.59μg/g;γ-氧化铝在高温下捕集效果较好,1100℃时吸附量可达415.04μg/g,这与其优异的孔隙结构有关。钙基矿物方解石因其具有一定的抗烧结能力和发达的孔隙结构,表现出更好的高温捕集能力,1100℃时吸附量可提高到1064.97μg/g。双组分吸附剂高温捕集能力展现出不同程度的提高。钙-铝基吸附剂高温捕集性能提高相对较小;而钙-硅基吸附剂在高温下效果远高于单组分吸附剂,与氧化钙相比,1100℃时可提高1787.21μg/g。     

CO2 absorption and regeneration of alkali metal-based solid sorbents

Potassium-based sorbents were prepared by impregnation with potassium carbonate on supports such as activated carbon (AC), TiO₂, Al₂O₃, MgO, SiO₂ and various zeolites. The CO₂ capture capacity and regeneration property were measured in the presence of H₂O in a fixed-bed reactor, during multiple cycles at various temperature conditions (CO₂ capture at 60 °C and regeneration at 130–400 °C). Sorbents such as K₂CO₃/AC, K₂CO₃/TiO₂, K₂CO₃/MgO, and K₂CO₃/Al₂O₃, which showed excellent CO₂ capture capacity, could be completely regenerated above 130, 130, 350, and 400 °C, respectively. The decrease in the CO₂ capture capacity of K₂CO₃/Al₂O₃ and K₂CO₃/MgO, after regeneration at temperatures of less than 200 °C, could be explained through the formation of KAl(CO₃)₂(OH)₂, K₂Mg(CO₃)₂, and K₂Mg(CO₃)₂·4(H₂O), which did not completely converted to the original K₂CO₃ phase. In the case of K₂CO₃/AC and K₂CO₃/TiO₂, a KHCO₃ crystal structure was formed during CO₂ absorption, unlike K₂CO₃/Al₂O₃ and K₂CO₃/MgO. This phase could be easily converted into the original phase during regeneration, even at a low temperature (130 °C). Therefore, the formation of the KHCO₃ crystal structure after CO₂ absorption is an important factor for regeneration, even at the low temperature. The nature of support plays an important role for CO₂ absorption and regeneration capacities. In particular, the K₂CO₃/TiO₂ sorbent showed excellent characteristics in CO₂ absorption and regeneration in that it satisfies the requirements of a large amount of CO₂ absorption (mg CO₂/g sorbent) and fast and complete regeneration at a low temperature condition (1 atm, 150 °C).