规模化制备钙基复合载氧体的性能研究

采用规模化制备方法得到了两种钙基复合载氧体,并分别在冷模流化床和固定床上考察了其机械强度和循环反应性能。结果表明:制备的两种复合载氧体各组分分布均匀,机械强度较好。通过对磨损前后粒度分布变化和时变规律的比较,得到的CaAlFe载氧体耐磨损性能较好,510 min后磨损率仅为3.83%。热重实验表明,CaAlNi载氧体同煤之间的反应在12 min内完成,反应速率稍快,但CaAlFe载氧体同煤的反应更彻底。选择CaAlFe载氧体进行了5次还原-氧化循环实验,固体产物和气体产物分析表明CaAlFe载氧体具有良好的持续循环反应能力。因此,所研究规模化制备的CaAlFe载氧体适用于工业生产。     

K_2CO_3修饰钙基载氧体的煤化学链气化反应特性

以膨润土(Bentonite)为载体,采用机械混合-浸渍法制备了Ca SO4-K2CO3/Bentonite(Ca KBen)复合载氧体。在流化床反应器中,以水蒸气作为气化、流化介质,考察复合载氧体Ca KBen与不同煤种的化学链气化反应特性,并对该载氧体的循环特性、作用机理及气化动力学方程进行了研究。结果表明:复合载氧体Ca KBen适用于不同煤种的化学链气化过程。900℃时,与纯煤气化相比,Ca KBen化学链气化的碳转化率提高17.88%,反应时间缩短10 min,复合载氧体Ca KBen表现出良好的反应活性和催化性能。十次循环实验过程中,冷煤气效率稳定在85%以上,表明复合载氧体Ca KBen具有良好的循环特性。XRD、SEM分析表明十次循环实验后,钙基载氧体的晶相结构稳定,主要以CaS O4形式存在,K+主要以K2CO3形式存在,载氧体表面变得疏松多孔,该结构有利于化学链气化反应的进行。活性位扩展模型很好地体现了复合载氧体Ca KBen与煤化学链气化的动力学规律,验证了气化过程中CaS O4与K2CO3具有协同作用。     

铁基复合载氧体煤化学链气化反应特性及机理

以水蒸气作为气化/流化介质,在流化床中研究了两种铁基复合载氧体的化学链气化反应特性及循环特性,并对气化过程中的反应机理、动力学方程进行了推断。结果表明:温度为920℃时,添加不同修饰物的铁基复合载氧体与煤焦气化的反应活性依次为Fe4Al6K1>Fe4Al6>Fe4Al6Ni1。在多次循环实验过程中,合成气成分保持稳定,表明Fe4Al6K1复合载氧体循环特性良好。XRD谱图分析表明,六次氧化还原实验后的铁基载氧体氧化态仍为Fe₂O₃。K⁺主要以铁酸钾形态存在,该结构有利于促进化学链气化反应。利用高斯函数对气化反应速率进行了峰拟合,拟合结果表明化学链气化主要分为3个阶段:化学链作用阶段、煤气化阶段以及Fe₃O₄向FeO转变的气化阶段。     

煤化学链燃烧中CaSO_4/膨润土复合载氧体的反应特性

以工业级硫酸钙和膨润土为原料,通过机械混合法,制备了具有高强度的钙基载氧体。同时,在小型高温流化床上,以水蒸气为气化剂,考察了不同温度下载氧体与煤的反应活性和循环反应性。实验结果表明,CaSO4/膨润土载氧体具有高的机械强度。在820~900℃,载氧体与煤反应性随温度升高而增强。反应温度为900℃时,气体产物中CO2平均浓度为89.52%,基本不存在CO和CH4。随着还原/氧化循环数增加,载氧体表现良好的反应性,7次循环反应后,碳转化率在70%以上,CO2的平均体积含量保持在80%左右。X射线衍射分析表明,载氧体的还原产物为CaS,未生成CaO副产物。     

高铁高钙煤灰载氧体反应特性及机理分析

运用TGA在CO/Air的氛围下,对灰的反应性能以及循环特性进行测试。通过XRD和SEM,研究了灰在不同温度下反应过程中物质结构和微观形貌变化。结果表明:灰的释氧量约为21%,最佳的反应温度为850℃且具有良好的反应性能及循环能力。XRD检测结果显示灰中主要载氧物质为Fe_2O_3和CaSO_4,还原过程中Fe_2O_3被还原为Fe/FeS,CaSO_4被还原为CaS。SEM结果显示,不同温度反应后灰表观形貌变化不大。灰反应机理:在样品表面,CO/O_2与反应物接触并反应;随着产物层逐渐加厚,这时反应的发生依赖于O在产物层中扩散及物质间的固固反应。     

高铁高钙煤灰载氧体反应动力学特性及改性研究

运用TGA在CO/空气的氛围下,对灰的循环反应性能进行测试。通过动力学分析,对灰的循环反应能力进行更深入评价。最后,对灰进行重新造粒并用流化床进行实际应用能力检测。结果表明:灰的表观活化能为27—38 kJ/mol,且具有良好的循环反应能力。在TGA实验中,重新造粒获得的载氧体(Ash7-ATP3),其释氧量约为12%—14%,且在多次循环过程中释氧量基本保持不变。在流化床实验中,Ash7-ATP3的释氧量与TGA实验结果相似。分析每次循环后颗粒质量分数可知,5次循环过程中颗粒大小基本为0.5—1 mm,约保持在97%,具有良好的稳定性。     

化学链燃烧钙基载氧体的竞争反应热力学分析

化学链燃烧能在化石燃料燃烧能量释放的同时有效分离CO2.以CaSO4作为载氧体,在CO和H2作为还原剂的条件下,对CaSO4的氧化-还原反应进行了基于吉布斯最小自由能化学反应的理论计算,绘出化学反应的平衡相图,分析出在氧化态和还原态下平衡相图中都有CaSO4,CaS和CaO稳定存在的区域.通过控制温度扣气体反应物的浓度,就可以得到在化学链燃烧中所需要的CaS和CaSO4的稳定区.     

化学链燃烧钙基载氧体研究进展

化石能源燃烧产生大量CO₂,碳捕集、利用与封存技术是目前唯一能实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术。化学链燃烧是一种新的解耦燃烧技术,可在燃烧过程中实现原位碳捕集。载氧体是该过程高效稳定运行的关键。钙基载氧体因其特有的高载氧量、低成本、易获得且对环境友好等优势被认为具有应用潜力。总结了化学链燃烧技术及6类常见载氧体的原理及发展,重点介绍了钙基载氧体存在的瓶颈问题——热力学和动力学适宜温区、分压匹配难,总结了国内外通过控制反应条件、添加剂等手段调控反应过程,强化其反应性和再生性的相关研究,并解析了惰性载体、金属氧化物等添加剂对钙基载氧体性能的强化效应和影响机制。研究表明,惰性载体可有效改善载氧体分散特性,从而提升反应活性,有助于提高机械强度。与惰性载体相比,添加金属氧化物可能更有效。传统的功能强化方法可一定程度改善载氧体性能,但难以从根本上突破其再生性差的瓶颈。未来研究可聚焦2方面：基于人工智能在材料科学中的应用,定向筛选与优化廉价钙基天然矿石/工业固废等材料作为载氧体;重构载氧体的形貌构造和晶体结构,调控氧原子、硫原子的迁移转化行为,降低氧传递对硫原子的携带效应...     

复合载氧体磨损规律的研究

载氧体的研究是化学链燃烧技术研究的关键,制备载氧体的方法有很多,本文用浸渍法制备复合载氧体(活性组分CaSO4,惰性组分Al2O3,助剂Fe2O3)。载氧体的性能对化学链燃烧技术的应用非常关键,机械强度是评价载氧体的主要指标之一。采用冷态流化床磨损测试方法研究了复合载氧体的磨损规律。磨损的发展过程符合Gwyn磨损动力学方程,不同颗粒磨损规律的差别可由Gwyn方程的各参数来描述。     

铁基凹凸棒载氧体制备及煤化学链燃烧性能研究

以Fe(NO3)3·9H2O、Fe2O3和Fe3O4为前驱体,凹凸棒(ATP)为惰性载体制备了系列Fe2O3/ATP载氧体。在流化床反应器内,以水蒸气作为气化-流化介质,900℃为还原温度,研究了载氧体与神木煤的反应活性及循环反应性能,同时考察了载氧体的抗磨损性能。实验结果表明:以Fe(NO3)3·9H2O为前驱体制备的Fe4ATP6(N)载氧体具有很高的反应活性和抗磨损能力。对其进行的10次还原/氧化循环实验表明:尾气中CO2平均含量先下降后升高,但都保持在95%以上,停留时间t95从14.8 min增加到16.1 min。SEM分析表明随着循环反应的进行载氧体表面小颗粒变成大颗粒,发生轻微烧结。     

废弃咖啡渣化学链气化反应特性

利用溶胶-凝胶法制备了以Fe₂O₃为活性组分,天然凹凸棒土(ATP)为惰性载体,KNO₃修饰的Fe4ATP6K1铁基复合载氧体。在高温流化床中考察了反应温度、水蒸气流量和O/C摩尔比对咖啡渣化学链气化过程的影响。结果表明,与以石英砂为床料的咖啡渣气化相比,以Fe4ATP6K1载氧体为床料的咖啡渣化学链气化对应的碳转化率由71.38%提高到86.25%。咖啡渣化学链气化的较优操作条件为:反应温度900℃、水蒸气量0.23 g·min^-1、O/C摩尔比1;在此操作条件下,合成气产量达到1.30 m³·kg^-1,氢气产量达到83.79 g·kg^-1,氢气的平均浓度达到52.75%。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)对900℃反应前后的Fe4ATP6K1进行表征,发现Fe相、K相、Si相可以发生相互作用,K以KFeSi₃O₈的形式存在于载氧体中,并且K在反应过程中有少量流失。20次氧化/还原过程中,铁基复合载氧体Fe4ATP6K1表现出较好的循环性能,碳转化率和冷煤气效率均保持在75%以上,各气体的平均浓度较稳定。     

煤气化技术现状、发展及产业化应用

介绍了几种主要煤气化技术的发展情况及在我国的应用现状,评述了各煤气化技术的优缺点,认为加压固定床煤气化技术成熟,更适于大型化、多联产的煤制天然气装置;流化床气化技术有待发展;而具有自主知识产权的气流床气化技术将有广阔的发展空间。     

灰融聚CAGG流化床粉煤气化技术述评

灰融聚CAGG流化床粉煤气化技术是我国具有自主知识产权的新型煤气化技术.介绍了该技术的气化原理、技术特点以及CAGG气化炉的结构特点;分别阐述了常压和加压灰融聚煤气化装置的工艺流程、气化指标、\"三废\"排放处理和装置投资情况;结果表明,新型CAGG灰融聚流化床粉煤气化技术适宜于中小型化肥、化工装置的气头改造以及燃料气、焦炉气制甲醇补碳、煤焦油加氢项目的氢源提供等项目.     

Steam carbon gasification of a nickel based oxygen carrier

Ni-based oxygen carriers are promising candidates for Chemical Looping applications due to a combination of excellent methane conversion performance, mechanical stability, oxygen transfer capacity. However, experiments conducted on NiO/NiAl₂O₄ in a micro-fluidized bed reactor show that methane forms coke on active nickel sites. In subsequent tests, water vapour was fed to the coked Ni oxygen carrier producing a highly concentrated stream of CO/H₂ (1/1). In the absence of water vapour, production of hydrogen dropped with time while a methane/argon mixture was fed to the reactor. Co-feeding water together with methane improves stability - both H₂ production and carbon deposition were constant for over 1 h. Despite the tremendous lay down of carbon, catalytic activity remained stable at levels as low as 3 vol.% water vapour (and 10% methane). Water vapour is an effective oxidant for Ni(0) but is insufficient to entirely re-oxidize the oxygen carrier from Ni to NiO.     

Efficient synthesis of iron nanoparticles by self‐agglomeration in a fluidized bed

A two‐stage, fluidized reduction route is proposed to synthesize iron nanoparticles (NPs), with the aim of enhancing the quality of fluidization and preventing sintering activity. At both low and high temperatures, the degree of metallization η is approximately 80% due to the defluidization. Defluidization is mainly caused by the rapid sintering of the newly formed Fe NPs. The proposed two‐stage fluidization approach successfully resolves the defluidization problem through the self‐agglomeration of nanoparticles cultivated at low temperatures. These self‐agglomerated NPs showed an improved resistance to sintering at high temperatures. The high‐purity Fe NPs prepared by this approach exhibited excellent combustion activity, indicative of the potential as oxygen carriers in chemical looping combustion systems. © 2016 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 459–468, 2017     

城市生活垃圾中聚乙烯塑料流化床气化

引言 城市生活垃圾气化熔融作为新一代的高效低污染垃圾热处理技术,在国外已有一定发展,如Thermoselect技术[1,2]、Siemens技术[1,3]、荏原技术[4]、RCP技术[1]等.上述技术中气化温度大多控制在550～650℃,但根据垃圾组分含量不同,反应条件也随之变化.因此,非常有必要进行垃圾单组分气化研究.我国城市生活垃圾中塑料大约占总质量的8%～20%,见表1.PE大约占塑料类垃圾的50%,其发热量高达43000 kJ·kg-1,所以有效气化PE极具意义.