10 kWth级串行流化床中木屑化学链燃烧试验

设计并建立了10 kW_th级串行流化床化学链燃烧反应器系统,以NiO/Al₂O₃为载氧体,在该系统上进行生物质（松木木屑）化学链燃烧分离CO₂的试验研究,探讨了燃料反应器温度T、水蒸气/生物质比率S/B对两个反应器（空气反应器和燃料反应器）气体产物组成以及燃烧效率的影响。试验结果表明,燃料反应器温度是影响生物质化学链燃烧过程的重要因素,随着温度的升高,燃料反应器气体产物中CO₂浓度不断上升,CH4浓度显著降低,CO浓度先升高而后迅速下降;较高的反应器温度有助于燃烧效率的提高。随着S/B的增加,燃料反应器气体产物中CO和CH₄浓度均会增大,CO₂浓度以及燃烧效率有所降低。在100 h的连续试验过程中,采用共沉淀法制备的NiO/Al₂O₃载氧体展现出良好的氧化-还原性能和较强的持续循环能力,是生物质化学链燃烧理想的载氧体。     

烟煤化学链反应特性及机理分析

在固定床反应器中添加铁基载氧体Fe4Al6和铜基载氧体Cu4Al6，进行巨野(JY)烟煤化学链燃烧实验，通过气相色谱(GC)、红外光谱(FT-IR)等分析了JY煤化学链反应特性及表面官能团演变规律。结果表明，相对于Al2O3，Fe4Al6或Cu4Al6为床料时，JY煤中CO2含量分别提高了52.25%和59.16%，最大碳转化速率分别提高了8.93%和30.36%，Cu4Al6反应效果更好。添加Cu4Al6后，JY煤表面官能团演变进程加快，Cu4Al6对脂肪烃结构、芳香碳骨架和芳香族CH的转化均有明显促进作用。煤中脂肪烃?CH3和?CH2稳定性低、反应速率快，是化学链燃烧初期气相产物主要来源；芳香碳骨架和芳香族?CH稳定性高、反应活性低，反应速率较缓慢，是化学链燃烧中后期气相产物主要来源。     

基于赤铁矿载氧体的煤化学链燃烧试验

化学链燃烧是一种具有CO₂内分离特性的燃烧方式。以赤铁矿为载氧体,在1 kW_th级串行流化床上进行了煤化学链燃烧试验。讨论了燃料反应器温度对气体产物组分的影响;比较了各反应参数对煤气化效率、煤气化产物的转化效率及碳捕集效率的影响情况,分析了煤中硫的排放问题。试验结果表明：温度由900℃升高到985℃,燃料反应器中CO体积份额逐渐增加,CO₂体积份额逐渐减小,空气反应器中CO₂浓度呈线性下降。燃料反应器温度的升高促进煤气化效率及碳捕集效率大大提高。载氧体量和系统负荷是煤气化产物转化效率的主要影响因素,载氧体量的增加和负荷的增加分别会使煤气化产物转化效率提高和下降。燃料反应器中的硫主要以SO₂形式存在于燃料反应器,随温度的升高,SO₂浓度由515×10^-6逐渐增加到562×10^-6相似文献   

基于NiO载氧体的煤化学链燃烧实验

采用流化床反应器并以水蒸气作为气化-流化介质,研究了以NiO为载氧体在800～960℃内的煤化学链燃烧反应特性。实验结果表明,载氧体与煤气化产物在反应器温度高于900℃体现了高的反应活性。随着流化床反应器温度的提高,气体产物中CO₂的体积浓度(干基)呈单调递增;CO、H₂、CH₄的体积浓度(干基)呈单调递减;煤中碳转化为CO₂的比率逐渐递增,碳的残余率逐渐递减。反应器出口气体CO₂、CO、H₂、CH₄的生成率随反应时间呈单峰特性,H₂生成率的峰值远小于CO的峰值;且随反应器温度升高,CO₂生成率升高,CO、H₂、CH₄的生成率降低。反应温度高于900℃时,流化床反应器NiO载氧体煤化学链燃烧在9 min之内就基本完成,CO₂含量高于92%。     

Chemical looping gasification of maceral from low-rank coal:Products distribution and kinetic analysis on vitrinite

The product distribution and kinetic analysis of low-rank coal vitrinite were investigated during the chemical looping gasification (CLG) process.The acid washing method was used to treat low-rank coal,and the density gradient centrifugation method was adopted to obtain the coal macerals.By combining thermogravimetric analysis and online mass spectrometry,the influence of the heating rate and oxygen carrier (Fe2O3) blending ratio on product distribution was discussed.The macroscopic kinetic parameters were solved by the Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) method,and the main gaseous product formation kinetic parameters were solved by the iso-conversion method.The results of vitrinite during slow heating chemical looping gasification showed that the main weight loss interval was 400-600 ℃,and the solid yield of sample vitrinite-Fe-10 at different heating rates was 64.30％-69.67％.When β =20 ℃·min-1,the maximum decomposition rate of vitrinite-Fe-10 was-0.312％·min-1.The addition of Fe2O3 reduced the maximum decomposition rate,but by comparing the chemical looping conversion characteristic index,it could be inferred that the chemical looping gasification of vitrinite might produce volatile sub-stances higher than the pyrolysis process of vitrinite alone.The average activation energy of the reaction was significantly reduced during chemical looping gasification of vitrinite,which was lower than the average activation energy of 448.69 kJ·mol-1 during the pyrolysis process of vitrinite alone.The gaseous products were mainly CO and CO2.When the heating rate was 10 ℃·min-1,the highest activation energy for CH4 formation was 21.353 kJ·mol-1,and the lowest activation energy for CO formation was 9.7333 kJ·mol-1.This study provides basic data for exploring coal chemical looping gasification mecha-nism and reactor design by studying the chemical looping gasification process of coal macerals.     

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。     

低阶煤低温热解半焦在模拟高炉喷吹条件下的燃烧性能

采用自制固定床热解装置在隔绝空气的条件下制备神木长焰煤热解终温分别为400℃、450℃、500℃及550℃的热解半焦,利用管式沉降炉模拟高炉喷吹条件研究神木长焰煤低温热解半焦的燃烧性能,并考察了热解终温、半焦喷吹粒径以及燃烧反应温度对半焦燃烧性能的影响。研究表明：低温热解半焦的燃烧性能优于实验所选用无烟煤的燃烧性能,半焦的燃烧性能与其燃料比之间存在负相关关系,即燃料比越高,燃烧性能越差;降低热解终温、减小半焦喷吹粒径以及提高燃烧反应温度均能改善半焦的燃烧性能,当热解终温为400℃、喷吹粒径100～200目、燃烧反应温度为1100℃时半焦的燃尽度最佳为96%。本实验半焦制备及燃烧条件与现有低温热解和高炉喷吹工艺相符,且热解半焦各项性能均符合喷吹用煤指标。     

煤焦加压化学链气化反应特性和机理

采用机械混合法制备的Fe₂O₃/膨润土为载氧体,在加压固定床中进行煤焦化学链气化试验和动力学研究,借助拉曼和N₂吸附等温线表征手段,分析压力对煤焦反应活性及煤焦碳结构和孔结构的影响,讨论煤焦加压化学链气化反应机理。结果表明：系统总压从0.46MPa增加至0.80MPa时,煤焦化学链气化反应速率从0.0159min^-1提高至0.0309min^-1;水蒸气分压增加75%,H₂/CO摩尔比值增加74%。煤焦加压化学链气化过程可以用随机孔模型（RPM）描述,系统总压增加有利于内部扩散。系统总压增大煤焦的比表面积增加,水蒸气分压增大煤焦的反应活性提高,因而提高了煤焦化学链气化反应速率。     

串行流化床煤气化试验

针对串行流化床煤气化技术特点,以水蒸气为气化剂,在串行流化床试验装置上进行煤气化特性的试验研究,考察了气化反应器温度、蒸汽煤比对煤气组成、热值、冷煤气效率和碳转化率的影响。结果表明,燃烧反应器内燃烧烟气不会串混至气化反应器,该煤气化技术能够稳定连续地从气化反应器获得不含N₂的高品质合成气。随着气化反应器温度的升高、蒸汽煤比的增加,煤气热值和冷煤气效率均会提高,但对碳转化率影响有所不同。在试验阶段获得的最高煤气热值为6.9 MJ•m^-3,冷煤气效率为68％,碳转化率为92％。     

双级燃料反应器的煤化学链燃烧特性

在5 kW_th双级燃料反应器的化学链燃烧装置上,开展煤化学链燃烧特性研究,重点考察反应温度和气化介质对燃烧补偿率、碳增补率、出口气体组分浓度、额外耗氧率以及碳捕集效率的影响规律。实验结果表明,较高的反应温度能显著提高燃烧效率,900℃时出口烟气中CO₂浓度可达92.1%;随着反应温度升高,碳捕集率和燃烧补偿率分别上升至99.6%和83.4%,额外耗氧率和碳增补率下降至12.1%和4.8%。以CO₂为气化介质时,整体反应效率有大幅下降,额外耗氧率提高至23%。此外,在Ⅰ级FR反应器内发现有少量的团聚颗粒,但并未对流化产生影响。     

Low temperature gasification using lattice oxygen

Low temperature pyrolysis and gasification has been investigated based on the chemical looping combustion (CLC), where insufficient amount of lattice oxygen was reacted with hydrocarbons. Metal oxides such as nickel oxide, iron oxide and titanium oxide were used as lattice oxygen source and were coated on silica gel or porous aluminum. Single column reactor was used for experiments and 36.1 mmol of polyethylene was dropped to the column whose temperature was ranged from 693 to 1073 K. For the pyrolysis, hydrogen yield was 100% of polyethylene contained hydrogen, while methane, CO and CO₂ were minor products and almost half of the supplied carbon was deposited on the particle surface. On the other hand, for the steam gasification, 2-3 mol of the hydrogen was generated from 1 mol of carbon and almost no carbon deposition was observed. It is found that no wax and heavy tar was observed in the exhaust. Therefore, the lattice oxygen was able to be applied to the low temperature gasification of hydrocarbons.     

铁基载氧体对煤中汞释放行为的影响

采用Ontario-Hydro方法,在管式炉中考察了煤化学链燃烧/气化过程中Fe₄Al₆载氧体对煤中汞释放率、气态汞形态分布及汞在两反应器内释放行为的影响。结果表明,载氧体对煤中汞释放率具有显著的影响,在500~700℃,与无载氧体相比,化学链燃烧过程煤中汞释放率减少,化学链气化过程煤中汞释放率增大,而在900℃时,无论化学链燃烧过程还是化学链气化过程,煤中汞释放率均减小。Fe₄Al₆载氧体能够显著增加燃料反应器出口气态Hg²⁺的相对含量,其含量随温度的升高而逐渐升高。燃料反应器的温度也是影响煤中汞在两反应器中的分布以及空气反应器中不同价态汞百分含量的重要因素。此外,相同条件下不同煤种的汞释放率不同,主要与煤的组成不同有关。该研究对揭示载氧体对煤中汞迁移的影响机理以及煤化学链转化过程汞的控制提供了实验依据。     

复合流化床低阶煤热解制备兰炭的工艺条件

以不同粒径范围的新疆准东煤为原料,在耦合下部流化床和上部输送床的复合流化床中热解制备兰炭,考察了热解温度、过量氧气系数、气化温度、煤颗粒停留时间等对热解产物分布和热解半焦性质的影响. 结果表明,随过量氧气系数、气化温度和颗粒平均停留时间增加,气体产率升高,半焦和焦油产率降低;半焦的比表面积随气化温度升高而增大,而随过量氧气系数增大先增大后减小. 当煤从下部流化床进料时,在过量氧气系数0.11、流化床气化温度850℃、输送床热解温度750℃、流化床内煤颗粒停留时间90 s的操作条件下,可制备出固定碳含量超过83%(w)、挥发分含量低于9%(w)的兰炭.     

温度对载氧体还原过程中汞的析出特性及形态分布的影响

化学链燃烧是近年来提出的一种具有高效、内分离CO₂特点的新型燃烧方式。本文在立式管式炉实验装置上研究了温度对基于Fe₂O₃载氧体的煤化学链燃烧载氧体还原过程中汞析出特性的影响,探讨了不同燃烧温度下燃料反应器（FR）出口烟气组分的变化及其对汞迁移变化的影响。结果表明：在高温条件下（≥ 800℃）,煤中的汞在载氧体还原过程中基本全部析出,180s时基本达到90%,并且随着温度升高而增加;FR出口烟气中的汞主要以单质态（Hg⁰）形式存在,各工况下的单质态汞占烟气中气态总汞比例都在88%以上,随着温度的升高,烟气中Hg⁰/Hg^T略有降低;温度对烟气组分具有影响,随着温度的升高,CO、NO和SO₂浓度上升;对于汞而言,SO₂会抑制Cl及Cl₂的形成从而抑制Hg⁰向Hg²⁺转化,NO会直接或间接促进汞的氧化过程,FR烟气中以CO为主的还原性气氛不利于汞的氧化。     

水蒸气/氧流化床两段煤气化制备低焦油合成气工艺实验

由下行床热解和提升管（或输送床）气化组合形成的流化床两段气化将煤气化反应过程解耦为煤热解和半焦气化两个反应阶段,热解产物完全进入气化反应器,利用其中的高温环境和输送的半焦催化作用分别实现焦油的热裂解与催化裂解,完成低焦油气化。利用该流化床两段气化的10 kg/h级实验室工艺实验装置,以榆林烟煤为原料、水蒸气/氧气作为气化剂,变化过量氧气系数ER、蒸汽炭比S/C、热解及气化温度等参数,研究水蒸气/氧流化床两段煤气化制备低焦油合成气的特性。结果表明,流化床两段气化系统可实现稳定运行（实验3 h以上）,在ER=0.36和S/C=0.15时,热解和气化的代表温度分别稳定在735℃和877℃,合成气的CO、CO₂、H₂、CH₄、C _n H _m 和N₂含量分别为14.33%、10.07%、18.39%、9.89%、1.82%和45.50%,相应的合成气产量达到1.8 m³/kg,低位热值8.99 MJ/m³,焦油含量0.437 g/m³,展示了制备低焦油合成气的技术特征。对于实际的长时间连续运行,更高的气化温度将使流化床两段气化具有更好的低焦油特性。     

水蒸气/氧流化床两段煤气化制备低焦油合成气工艺实验

由下行床热解和提升管（或输送床）气化组合形成的流化床两段气化将煤气化反应过程解耦为煤热解和半焦气化两个反应阶段,热解产物完全进入气化反应器,利用其中的高温环境和输送的半焦催化作用分别实现焦油的热裂解与催化裂解,完成低焦油气化。利用该流化床两段气化的10 kg/h级实验室工艺实验装置,以榆林烟煤为原料、水蒸气/氧气作为气化剂,变化过量氧气系数ER、蒸汽炭比S/C、热解及气化温度等参数,研究水蒸气/氧流化床两段煤气化制备低焦油合成气的特性。结果表明,流化床两段气化系统可实现稳定运行（实验3 h以上）,在ER=0.36和S/C=0.15时,热解和气化的代表温度分别稳定在735℃和877℃,合成气的CO、CO₂、H₂、CH₄、C _n H _m 和N₂含量分别为14.33%、10.07%、18.39%、9.89%、1.82%和45.50%,相应的合成气产量达到1.8 m³/kg,低位热值8.99 MJ/m³,焦油含量0.437 g/m³,展示了制备低焦油合成气的技术特征。对于实际的长时间连续运行,更高的气化温度将使流化床两段气化具有更好的低焦油特性。     

Carbon-negative syngas production: A comprehensive assessment of biomass pyrolysis coupling chemical looping reforming

This article introduces a pyrolysis chemical looping reforming (PCLR) process that produces carbon-negative syngas in autothermal operation. To enhance the system's carbon negativity, a process configuration with oxygen carrier two-stage regeneration is adopted, enabling internal CO₂ utilization. The PCLR process is systematically evaluated and compared to chemical looping gasification and steam gasification processes in the process performance, energy efficiency, and environmental impact using a process model. Results reveal significant improvements over chemical looping gasification, including 69%, 45%, and 4% improvement in syngas yield, energy efficiency, and environmental benefit. Process analysis demonstrates that decoupling volatile reforming from pyrolysis and combustion enhances syngas quality, energy efficiency, and process flexibility. While the two-stage regeneration sacrifices syngas production, it contributes to a 4% increase in carbon negativity and a 15% reduction in carbon emissions. Thus, the PCLR process effectively overcomes the limitations of chemical looping gasification systems and exhibits excellent process intensification performance.     

Effect of Gasifying Medium on the Coal Chemical Looping Gasification with CaSO4 as Oxygen Carrier

The chemical looping gasification uses an oxygen carrier for solid fuel gasification by supplying insufficient lattice oxygen. The effect of gasifying medium on the coal chemical looping gasification with CaSO₄ as oxygen carrier is investigated in this paper. The thermodynamical analysis indicates that the addition of steam and CO₂ into the system can reduce the reaction temperature, at which the concentration of syngas reaches its maximum value. Experimental result in thermogravimetric analyzer and a fixed-bed reactor shows that the mixture sample goes through three stages, drying stage, pyrolysis stage and chemical looping gasification stage, with the temperature for three different gaseous media. The peak fitting and isoconversional methods are used to determine the reaction mechanism of the complex reactions in the chemical looping gasification process. It demonstrates that the gasifying medium (steam or CO₂) boosts the chemical looping process by reducing the activation energy in the overall reaction and gasification reactions of coal char. However, the mechanism using steam as the gasifying medium differs from that using CO₂. With steam as the gasifying medium, parallel reactions occur in the beginning stage, followed by a limiting stage shifting from a kinetic to a diffusion regime. It is opposite to the reaction mechanism with CO₂ as the gasifying medium.     

废弃活性炭化学链气化制富氢合成气

以废弃活性炭为原料,以Fe4ATP6复合载氧体为载氧体,在间歇高温流化床中考察了废弃活性炭化学链气化制富氢合成气反应的较优条件及复合载氧体的循环反应特性。结果表明,Fe4ATP6复合载氧体具有提供晶格氧及催化气化的双重作用,显著提高了碳转化率,促进了废弃活性炭气化过程,反应活性良好。废弃活性炭化学链气化制富氢合成气的优化反应条件：900℃、水蒸气流量为0.25 g·min^-1、OC/C比为1。在上述条件下,碳转化率达92.15%,合成气产量达1.20 L·g^-1,其中H₂产量为1.09 L·g^-1,平均浓度为55.30%。10次循环实验表明Fe4ATP6复合载氧体的反应活性略有降低,通过SEM、XRD分析载氧体的表面形貌、物质组成发现,载氧体反应后结构变化较大,粒径减小,生成了无反应活性的硅酸铁。     

基于铁基载氧体的无烟煤化学链燃烧过程中硫分布特性

在间歇式固定床反应器上,基于Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体,研究了还原阶段反应温度和Fe₂O₃负载量对无烟煤化学链燃烧产物及S元素分布的影响。研究结果表明,含碳气体释放量随反应温度升高而增加,随Fe₂O₃负载量先增加后减少。产物中CO₂比例随反应温度升高先增加后减少,在850℃时达到最高（37.6%）。在实验条件下,未检测到SO₂生成。反应2 h时,载氧体中S元素的富集程度随温度和Fe₂O₃负载量升高而增加;5.5 h时,载氧体中S元素分布比例随温度升高而显著降低。利用SEM分析了载氧体表面微观形态结构。分析表明,Fe₂O₃负载量大于40%会导致载氧体轻微烧结。