高铝耐火砖负载CuO氧载体的化学链氧解耦特性实验

耐火砖常用作高温炉膛材料,具有较高的破碎强度和较强的抗烧结性能。以耐火砖颗粒为惰性载体,采用连续浸渍法制备CuO质量分数为10%～30%的Cu10RefBri、Cu25RefBri和Cu30RefBri氧载体样品,并在热重分析仪（TGA）和批次进料流化床反应器中900～950℃下进行了化学链氧解耦燃烧过程氧载体的释氧-吸氧循环实验测试。结果显示,在上述氧载体样品中Cu25RefBri的释氧速率最高,可达9×10^-5kgO₂/(s?kgOC),流化床中稳定的O₂体积分数可达1.1%。然而,随着循环次数增加,Cu25RefBri的释氧速率逐渐降低至2.0×10^-5kgO₂/(s?kgOC),同时流化床尾气中O₂体积分数降低至0.7%,该值远低于对应温度下的平衡O₂浓度值。氧浓度和释氧速率降低的主要原因在于：循环过程氧载体中形成的低释氧活性的CuAl₂O₄尖晶石含量逐渐增加,导致氧载体总体活性下降。此外,在950℃流化床实验过程,还检测到氧载体颗粒的烧结现象。     

基于NiO/Ca_2Al_2SiO_7的沼气自热化学链重整制氢热分析动力学模拟

以水泥的主要成分Ca_2Al_2SiO_7为惰性载体,采用热分析动力学研究了NiO/Ca_2Al_2SiO_7氧载体作用下沼气的化学链重整(chemical looping reforming, CLR)制氢性能。通过自编的MATLAB~?代码计算得到430种工况下CLR模拟结果,充分考虑NiO负载率y_(NiO)、氧载体循环流率F_s、氧载体转化率变化ΔX_s、水蒸气浓度x_(H_2O)气反应器温度T_(AR)的影响。调节氧载体循环流率,可实现对(xNiO+Ca_2Al_2SiO_7)/biogas质量比的控制,进而调整系统总焓变化ΔH,实现自热化学链重整(CLRa),即ΔH=0。在CLRa状态下,T_(AR)和ΔX_s的升高均导致H_2产率降低,而F_s增加则有助于提高H_2产率。模拟结果表明,当NiO含量低于10%(质量)、T_(AR)接近1150 K、ΔX_s小于0.25、F_s大于2 kg?s~(-1)、x_(H_2O)小于54.5%(体积)时,H_2产率可达最优值1.57(m~3H_2)?(m~3 biogas)~(-1)。对系统的热量平衡分析显示,CLRa能够在自热状态下运行,且反应器出口处气流携带热量能够满足进口处气流的预热需求。     

煤基化学链燃烧串行流化床的冷态试验研究

采用“湍动床＋快速床”作为煤基化学链燃烧（CLC）系统的空气反应器（AR）,鼓泡床作为燃料反应器（FR）,设计了流动密封阀和旋风分离器,分别用于隔绝2个反应器之间的气氛和进行气固分离,在冷态试验装置上分析研究了CLC系统的压力分布、固体循环流量、气体泄漏率及煤灰与循环载体的分离效果．结果表明：该串行流化床反应器之间气氛隔绝性良好,气体泄漏率较低,固体循环流量达到甚至超过设计标准,FR二级旋风分离器的分离效率接近100％,FR中煤灰进入AR的质量分数小于1．55％,煤灰分离效果良好;装置可以长时间连续稳定运行,且操作气速范围较广,自行设计建造的循环流化床作为煤基化学链燃烧试验装置是可行的．     

合成铜基氧载体和铜矿石的煤化学链氧解耦燃烧的比较

为研究合成铜基氧载体与铜矿石氧载体在煤的化学链氧解耦燃烧过程中性能的差别,在热重分析仪（TGA）上比较研究了溶胶-凝胶法制备的CuO/CuAl2O4氧载体与天然铜矿石氧载体的释氧性能,在流化床反应器上研究了这2种氧载体与高平无烟煤的化学链氧解耦燃烧反应性能。TGA实验结果表明,CuO/CuAl2O4氧载体的释氧速率和载氧率均高于铜矿石氧载体,2种氧载体的循环释氧性能基本保持稳定。在与煤反应的流化床实验中,CuO/CuAl2O4氧载体相较于铜矿石具有更高的碳转化速率和氧载体转化速率;在不同温度（850～950 ℃）下,CuO/CuAl2O4和铜矿石的CO2产率均保持在较高的水平（大于0.93）;循环实验表明2种氧载体均具有良好的循环反应性和稳定性。     

模型辅助的合成气化学链燃烧操作优化

基于Abad等的模型,模拟了Cu14Al-I氧载体与合成气(CO+H_2)在500,Wth流化床的燃料反应器中的反应过程,并根据模拟结果对该系统中合成气的燃烧过程进行优化.对于反应动力学,使用合成气中CO和H2叠加的反应速率代替整体反应速率能够较好地预测实验结果.经过与实验的对比,证实了该反应器模型能够准确模拟Cu14Al-I氧载体与合成气的反应过程.模拟结果显示,合成气成分、反应温度、氧载体循环流率等参数对流化床的运行均有一定的影响.合成气中2CO Hn/n由1∶1升高至3∶1时,燃料的燃烧性能有所降低.较高的操作温度有利于合成气的燃烧,当温度为900,℃时,?=1.5即可实现合成气的完全燃烧.较高的固体循环流率下,不利于合成气的充分燃烧.最后,基于模拟结果对流化床进行了优化:当温度为850,℃时,各运行参数应调整为Fs=6.7,kg/h、?=1.8、氧载体转化率Xs=0.73,才能使500,Wth流化床的燃料反应器中合成气达到最佳的燃烧效果.     

化学链重整制氢系统的过程模拟

为了评价化学链重整制氢系统的性能,针对以CH4为燃料、以化学链技术(基于NiO/NiAl2O4氧载体)为核心的2种不同工艺重整制氢系统——自热化学链重整制氢系统(autothermal chemical looping reforming,CLR(a))和蒸汽重整化学链燃烧系统(chemical looping steam reforming,CLR(s)),采用Aspen Plus软件进行了过程模拟和热力学分析。以2种系统的产气率、冷煤气效率、CH4转化率等为评判指标,得到了各系统优化的反应条件,并分析了各操作参数(包括燃料/重整反应器温度和压力、CLR(a)中氧载体甲烷摩尔比和空气甲烷摩尔比、CLR(s)中水甲烷摩尔比和燃料甲烷份额)对系统性能的影响,最后对2种制氢系统进行了定量比较和分析。结果表明:2种化学链重整制氢系统具有相近的燃料发热量和CH4转化率(98%),但自热化学链重整制氢系统工艺更为简单,所需氧载体循环流量仅为蒸汽重整化学链燃烧制氢系统的1/3,从而可节约传输能量;而后者重整气中氢含量更高(74.14%对65.81%),且具有更高的冷煤气效率(85.28%对71.19%)和产气率(4.05对2.97)。     

铜基氧载体化学链氧解耦的流化床实验研究

采用溶胶-凝胶法制备了CuO/CuAl2O4氧载体,在CO2气氛下和空气气氛下,分别研究了该氧载体的释氧和吸氧性能,研究结果表明,随着温度的升高,氧载体的释氧、吸氧速率不断升高.随后在N2气氛下研究了3种典型煤的化学链氧解耦燃烧过程,结果表明,煤中挥发分的含量直接影响燃烧过程的快慢,在氧解耦燃烧时,高挥发分的褐煤尾气中,CO2体积分数比无烟煤高15%左右,褐煤中碳的平均转化率为无烟煤的2～3倍.     

基于NiO/Ca2Al2SiO7的沼气自热化学链重整制氢热分析动力学模拟

以水泥的主要成分Ca₂Al₂SiO₇为惰性载体，采用热分析动力学研究了NiO/Ca₂Al₂SiO₇氧载体作用下沼气的化学链重整(chemical looping reforming, CLR)制氢性能。通过自编的MATLAB^?代码计算得到430种工况下CLR模拟结果，充分考虑NiO负载率y_NiO、氧载体循环流率F_s、氧载体转化率变化ΔX_s、水蒸气浓度x_{H_{2}O}及空气反应器温度T_AR的影响。调节氧载体循环流率，可实现对(xNiO+Ca₂Al₂SiO₇)/biogas质量比的控制，进而调整系统总焓变化ΔH，实现自热化学链重整(CLRa)，即ΔH=0。在CLRa状态下，T_AR和ΔX_s的升高均导致H₂产率降低，而F_s增加则有助于提高H₂产率。模拟结果表明，当NiO含量低于10%(质量)、T_AR接近1150 K、ΔX_s小于0.25、F_s大于2 kg?s^-1、x_{H_{2}O}小于54.5%（体积）时，H₂产率可达最优值1.57(m³ H₂)?(m³ biogas)^-1。对系统的热量平衡分析显示，CLRa能够在自热状态下运行，且反应器出口处气流携带热量能够满足进口处气流的预热需求。