基于Langmuir-Hinshelwood动力学解析O2/CO2/H2O气氛下烟煤焦反应机理

流化床富氧燃烧湿烟气循环兼具经济与环保优势。湿烟气循环（O₂/CO₂/H₂O）条件下煤焦与O₂、CO₂及H₂O的反应同时发生。为探究O₂/CO₂/H₂O气氛下煤焦-O₂、煤焦-CO₂、煤焦-H₂O反应间的相互作用机制,在自制高精度热重实验装置上系统考察了O₂、CO₂、H₂O及其混合气氛下,典型烟煤焦在900℃的反应特性。基于吸附和脱附原理的Langmuir-Hinshelwood（L-H）机理性模型分别计算了烟煤焦与O₂、CO₂和H₂O反应的动力学参数。通过采用单独活性位点与竞争活性位点两种假设分析了O₂/CO₂、O₂/H₂O和CO₂/H₂O气氛下烟煤焦-O₂、烟煤焦-CO₂和烟煤焦-H₂O两两反应间的作用机制,揭示了H₂O分子优先吸附于烟煤焦表面活性位点,O₂分子次之,而CO₂分子相对滞后。O₂/CO₂/H₂O气氛下烟煤焦-O₂、烟煤焦-CO₂、烟煤焦-H₂O反应表现出部分竞争反应活性位点,传统的单独活性位点与竞争活性位点假设均无法准确描述其反应速率特性。基于H₂O分子优先,O₂分子次优先吸附的原理,建立了O₂、CO₂、H₂O混合气氛下煤焦反应速率L-H动力学方程,方程计算结果与实验值良好吻合。研究结果为深入分析煤焦颗粒流化床富氧燃烧特性及构建可靠、准确的燃烧反应模型提供了理论支撑。     

煤焦在气化合成气中高温气化反应特性

在固定床管式炉反应器中进行了煤焦在H₂O、CO₂、H₂和CO混合气氛中气化特性的实验研究,考察了反应温度、原料气组成和加煤量对产物气组成以及碳转化率的影响。实验结果表明,在各实验条件下,合成气与煤焦反应后CO流量均增加最多,H₂少量增加。煤焦与CO₂的反应受到明显抑制。混合气体通过与煤焦反应可以提高有效气（CO+H₂）的含量,实验条件下反应出口气体中有效气浓度比反应结束时最多提高3.3个百分点。反应速率受气化剂之间的竞争和气化产物的抑制作用较为明显,在1100℃和1300℃时,煤焦在相同气化剂流量的合成气中的最高反应速率分别只有在纯气化剂（水蒸气或CO₂）中最高反应速率的49%和69%。受到多种气体组分之间的相互影响,气体在孔道里的扩散和吸附对反应影响更加显著,随机孔模型可以较好地拟合此类反应,而不考虑孔结构的均相模型和缩芯模型拟合度较差。     

煤焦异相还原N2O的反应机理

采用两种不同的简化煤焦模型,利用量子化学密度泛函理论研究了煤焦异相还原N₂O的反应机理。通过计算反应物、中间体以及过渡态的结构和能量明确了反应的过程,并通过热力学分析和动力学分析深入分析煤焦异相还原N₂O的反应机理。研究结果表明：单个碳原子无法体现N₂O分子在煤焦表面的吸附和脱附过程,不适于作为煤焦模型研究煤焦异相还原N₂O的反应,六环苯环簇碳基模型可以成功地研究煤焦异相还原N₂O的反应。煤焦异相还原N₂O的反应共经历三个过渡态和两个中间体将N₂O还原成N₂,N₂O分子在煤焦表面的吸附反应的活化能为51.01 kJ·mol^-1,煤焦表面吸附N₂O的过程容易进行。煤焦异相还原N₂O的反应在所研究的温度范围（298.15~1500 K）内为放热反应,可以自发发生,反应平衡常数大于10⁵,可以完全进行,认为是单向反应。煤焦异相还原N₂O的反应在所研究的温度范围（298.15~1500 K）内反应速率较快,反应活化能为43.55 kJ·mol^-1,Arrhenius表达式为1.24×10¹⁰exp（-5238.15/T）。     

干馏层气氛对半焦结构及其CO2气化活性影响

固定床煤气化炉中气氛对干馏层生成半焦的活性影响较大。对不同气氛下制得的半焦进行了CO₂气化活性实验，并采用拉曼光谱和氮吸附对半焦进行了表征。结果表明：与N₂气氛下制得的半焦相比，通入其他气体可以提高半焦的CO₂气化活性，单组分中H₂O气氛下制得的半焦的CO₂气化活性最强，双组分中CO₂+H₂和CO+H₂O气氛下制得的半焦的气化活性明显增加，而且双组分气氛下的CO₂气化活性比前者强；半焦比表面积的增加有利于其CO₂气化活性的提高，但半焦化学结构的变化对其CO₂气化活性的提高作用更明显。     

MnOx对Pt/CeZrO2催化剂在水汽和CO2环境下CO氧化的影响

以CeZrO₂固溶体为载体,发现MnO_x的添加能促进Pt/CeZrO₂催化剂的CO氧化性能,并研究了MnO_x含量对催化剂CO氧化活性及抗H₂O和CO₂性能的影响。结果表明,随着MnO_x含量增加,催化剂活性呈现先升高后降低的趋势,在MnO_x含量为0.5%（质量分数）时活性最佳。MnO_x的添加降低了Pt颗粒尺寸并影响催化剂还原性能从而促进反应活性。水汽和CO₂对Pt/CeZrO₂催化剂的CO氧化活性有抑制作用,而MnO_x的加入能显著提高催化剂的抗水汽和CO₂的能力。反应动力学结果表明,在Pt/CeZrO₂催化剂上,反应气中引入H₂O和CO₂后,CO的反应级数有明显升高,说明H₂O和CO₂在催化剂表面与CO竞争吸附,导致CO反应活性下降;而在Pt/MnO_x/CeZrO₂催化剂上,CO的反应级数略有升高,说明MnO_x的添加能有效抑制H₂O和CO₂与CO的竞争吸附,从而改善了催化剂的抗H₂O和CO₂性能。     

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。     

高温烟气中煤焦气化行为

针对高温烟气中煤焦的气化行为,本文采用FactSage 6.1计算了煤焦在高温烟气下的高温反应特性,并利用热重分析仪分析了煤焦气化行为。通过沉降炉实验进一步研究了不同温度、气体配比、粒径条件下气体产物的动态析出特性,同时计算了评价指标α、β、LHV值。结果表明：随着温度的升高,气体产物H₂和CO的含量增加,β、α、LHV值增大,CH₄和CO₂的含量下降。在温度为1200℃时,β、α值分别由CO₂/CO比为10∶70时的10.80%、5.21%增加到CO₂/CO比为50∶30时的24.71%、41.06%。同时,随着CO₂/CO比值的增大,高温烟气对煤焦气化反应抑制减弱。通过对比反应温度和粒径对煤焦气化反应的影响,得出反应温度远大于粒径对煤焦气化反应的影响。通过实验验证了向高温烟气中喷吹煤焦制备高品质可燃气体方法的可行性。     

微型流化床中生物质半焦水蒸气气化反应特性及动力学研究

利用微型流化床反应分析仪考察了1123~1223 K及10%~40%蒸汽分压(SP)条件下生物质半焦-水蒸气气化的反应特性并计算动力学。结果表明：升高温度和SP有利于缩短反应时间,提高产物(H₂、CO和CO₂)生成率及总C转化率。低温(1123 K)下,反应受SP影响较大,以H₂最为明显,增幅达1.97倍;在1223 K、SP≥20%条件下,因受活性位点制约,SP对反应影响较小。随温度升高,CO/CO₂体积产率比呈现出先减小后增大趋势;在1123 K和1173 K下,随SP升高,CO/CO₂的体积产率比值降低;在1223 K下,该值维持在1.25左右。采用缩核模型求取不同SP下总碳转化活化能(E_a)在71.29~76.78 kJ/mol范围内,H₂、CO₂和CO的生成活化能分别在95.44~101.82、83.56~89.35和70.41~74.86 kJ/mol之间。测试结果弥补了现有分析仪难以测定气化过程中气体产物生成特性和动力学的局限性。     

褐煤氧化和气化反应协同作用下夹带流反应器的建模

为了建立?80mm×3000mm下行夹带流煤气化反应器模型,以胜利褐煤为原料,在该反应器中进行了N₂、O₂、H₂O、H₂O+O₂气氛下800℃/900℃气化实验,研究了流场分布、主要反应发生区域,并结合反应机理和缩合模型推导了不同速控步/气化气氛下C-O₂氧化和C-H₂O气化速率方程。结果发现,实验条件下,喷嘴附近的射流区及其周围的回流区仅占反应器高度的5%,气相主要以平推流流动;热解和燃烧反应同时发生,反应器分为热解燃烧区和气化区;气膜扩散控制下的C-O₂氧化速率方程和化学反应控制时C-H₂O气化速率方程与实验数据吻合较好;相对H₂O气氛,H₂O+O₂气氛下C-H₂O气化反应的表观气化反应速率常数明显较大,尤其在高温下,建模时需分别考虑H₂O和H₂O+O₂气氛下气化速率。这主要是由于氧化反应的开孔/扩孔作用使碳颗粒微孔数量、比表面积、孔容增加,促进了C-H₂O气化反应。采用MATLAB编程拟合求解模型中未知参数和模型,对12组实验（60个数据点）进行预测,85%预测值误差小于20%,70%预测值误差小于10%。对褐煤转化率的预测,75%预测值误差小于4.6%。建立的反应器模型误差较小,为反应器设计和放大奠定基础。     

热重分析煤焦恒温气化过程中气体切换的影响

利用热重分析仪研究恒温煤气化是实验室常用的气化活性评价流程,但该实验中气体切换过程的影响却较少报道。本文以一种煤焦CO₂气化反应为例,通过切换气体与全部采用CO₂气体气化实验对比,分析气体切换步骤对恒温气化实验的影响,并结合在线质谱检测了切换过程中气体逸出规律。研究发现,存在切气步骤时,尽管CO₂可快速扩散至反应区,但由于气体的置换过程并非简单的平推流,导致部分碳的气化是发生在变化着的反应性气体和惰性气体的混合气氛中。这极大地影响了煤焦样品的气化反应速率大小和趋势,进一步影响反应动力学模型的判断和选择,并将导致由此计算所得的活化能受扩散影响而偏低。因此,建议在应用热重分析仪采用气体切换流程研究恒温气固相反应时,应首先对其气体逸出规律进行检测,评估气体切换步骤对整个反应过程的影响,以减小实验误差。     

水/二氧化碳气氛下酒糟催化气化反应特性的研究

在固定床气化装置中,以赤泥为催化剂、水/二氧化碳为气化剂对酒糟进行气化实验。研究了赤泥添加量、气化温度和V（水）/V（二氧化碳）对酒糟气化活性的影响,并对水/二氧化碳共气化协同机理进行了探讨。结果表明：当赤泥添加量为20%（质量分数）时气化活性最佳;升高气化温度有利于提高气化反应活性;随着V（水）/V（二氧化碳）的增大,合成气产量、n（氢气）/n（一氧化碳）均增加,分别达到270.7 mmol/g和6.67;在水/二氧化碳混合气氛下共气化反应产生了明显的协同效应,协同因子在60%水-40%二氧化碳（体积分数）时达到峰值。拉曼光谱、扫描电子显微镜及比表面积分析表明：水/二氧化碳混合气氛下酒糟焦无定形碳和非晶碳结构的破坏程度比在纯水或二氧化碳中更严重,验证了二氧化碳和水在酒糟气化中存在协同效应;二氧化碳更容易在酒糟焦表面发生气化反应,形成大量微孔使其比表面积增加;水炭渗透力较强有利于形成中孔;在水/二氧化碳混合气氛下,二氧化碳与水产生的交互作用促进了孔结构的发育,使酒糟焦的微孔发展为中孔和大孔并促使气化反应向酒糟颗粒内部发展,这是协同效应产生的主要原因。     

纸浆黑液和钙混合催化剂进行高变质无烟煤水蒸气气化的研究

The catalytic effects of single and mixed catalysts, i.e. single 3%Ca and 5%Na-BL（black liquor） catalysts and mixed 3%Ca＋5%Na-BL catalyst, on carbon conversion, gasification reaction rate constant and activation energy, relative amount of harmful pollutant like sulphur containing gases have been investigated by thermogravimetry in steam gasification under temperature 750℃ to 950℃ at ambient pressure for three high-metarnorphous anthracites （Longyan, Fenghai and Youxia coals in Fujian Province）. The mixed catalyst of 3%Ca＋5%Na-BL increases greatly the carbon conversion and gasification rate constant by accelerating the gasification reaction C＋H2O→CO＋H2 due to presence of alkali surfacecompounds [COM], [CO2M] and exchanged calcium phenolate and calcium carboxylate （-COO）2. By adding CaCO3 into BL catalyst in gasification, in addition to improving the catalyst function and enhancing the carbon conversion, the effective desulphurization is also achieved, but the better operating temperature should be below 900℃. The homogenous and shrinking core models can be successfully employed to correlate the relations between the conversion and the gasification .time .and to estimate the reaction rate constant, The reaction acUvaUon energy and pre-exponential factor are estimated and the activation energy for mixed catalyst is in a range of 98.72-166.92 kJ·mol^-1, much less than 177.50-196.46 kJ·mol^-1 for non-catalytic steam gasification for three experimental coals.     

低湿CO2/H2O混合气体吸附特性实验

CO₂捕集、封存及利用是实现“双碳”目标的重要途径,为将碳捕集后的低湿CO₂/H₂O进行CO₂提纯和资源化利用,采用动态吸附实验研究了不同温度（303K、313K）、H₂O含量（0.7%~3.0%）的CO₂/H₂O在活性炭、活性氧化铝、分子筛3A和13X四种吸附剂上的动态吸附穿透曲线、吸附床温度分布、吸附量,分析了CO₂/H₂O分离系数和吸附热。结果表明,在CO₂/H₂O动态吸附过程中,吸附床温度与各组分浓度随时间变化趋势相同。H₂O饱和时间随进气温度升高而缩短;H₂O含量增加,抑制CO₂吸附;活性炭和氧化铝中H₂O的饱和时间随H₂O含量增加而增长,但分子筛3A和13X饱和时间缩短。H₂O吸附量随H₂O含量增加而增加,吸附热随吸附量增加而减小,CO₂则相反。分子筛3A对CO₂吸附量最小且CO₂/H₂O分离系数最大。H₂O含量小于1%时,CO₂吸附量最大的分子筛13X分离系数大于活性氧化铝,分子筛3A和13X适合分离低湿CO₂/H₂O。     

Kinetics of CO and H2 oxidation over CuO-CeO2 catalyst in H2 mixtures with CO2 and H2O

The kinetics of CO and H₂ oxidation over a CuO-CeO₂ catalyst were simultaneously investigated under reaction conditions of preferential CO oxidation (PROX) in hydrogen-rich mixtures with CO₂ and H₂O. An integral packed-bed tubular reactor was used to produce kinetic data for power-law kinetics for both CO and H₂ oxidations. The experimental results showed that the CO oxidation rate was essentially independent of H₂ and O₂ concentrations, while the H₂ oxidation rate was practically independent of CO and O₂ concentrations. In the CO oxidation, the reaction orders were 0.91, −0.37 and −0.62 with respect to the partial pressure of CO, CO₂ and H₂O, respectively. In the H₂ oxidation, the orders were 1.0, −0.48 and −0.69 with respect to the partial pressure of H₂, CO₂ and H₂O, respectively. The activation energies of the CO oxidation and the H₂ oxidation were 94.4 and 142 kJ/mol, respectively. The rate expressions of both oxidations were able to predict the performance of the PROX reactor with accuracy. The independence between the CO and the H₂ oxidation suggested different sites for CO and H₂ adsorption on the CuO-CeO₂ catalyst. Based on the results, we proposed a new reaction model for the preferential CO oxidation. The model assumes that CO adsorbs selectively on the Cu⁺ sites; H₂ dissociates and adsorbs on the Cu⁰ sites; the adsorbed species migrates to the interface between the copper components and the ceria support, and reacts there with the oxygen supplied by the ceria support; and the oxygen deficiency on the support is replenished by the oxygen in the reaction mixture.     

氨水吸收CO2的吸收热预测模型

基于e-NRTL模型,利用Aspen Plus软件建立了氨水吸收CO₂的吸收热预测模型,验证了NH₃-CO₂-H₂O体系的汽液平衡、液相组成形态并与前人的实验数据做了对比,进而结合负载CO₂的氨水溶液中各离子及分子的变化特征,对CO₂吸收过程的反应热随着CO₂负载量的变化规律进行了预测并与已发表的数据进行了比较。结果表明,该吸收热模型能够准确地实现氨水吸收CO₂过程中汽液平衡、液相反应以及吸收热的计算。氨水吸收CO₂的反应热主要受H₂O的电离、NH₃的电离、NH₂COO^-的生成与水解、CO₂的溶解等反应过程的影响,H₂O的电离过程受NH₃的电离过程的抑制,对于总吸收热的贡献最大, NH₂COO^-的反应则随着CO₂负载量的增加先放热再吸热。随着温度的升高,总吸收热有所降低,当温度为80℃时,在较低的CO₂负载区间[0.2～0.5 mol CO₂·(mol NH₃)^-1],总吸收热约为70.5 kJ·(mol CO₂)^-1。     

不同反应器中氧化反应与水蒸气气化反应协同作用差异性

在?80mm×3000mm气流床和?40mm×200mm流化床中进行了O₂、H₂O、H₂O+O₂气氛下800℃胜利褐煤气化实验，同时在流化床中进行了O₂、H₂O、H₂O+O₂气氛下半焦原位气化实验和H₂O气氛下半焦完全气化实验。比较了2种反应器中氧化反应与水蒸气气化反应协同作用的大小（强弱）；结合实验条件利用缩核模型分别推导了2种反应器中协同作用影响下水蒸气气化反应速率方程；同时，从传质（扩散）速率、动力学、半焦-挥发分相互作用3方面探讨了2种反应器中协同作用存在显著差异的原因。结果发现，气流床中H₂O+O₂气氛下褐煤转化率明显大于H₂O和O₂单独气氛下褐煤转化率之和，其差值稳定在2.11%～4.01%，而在流化床中差值仅为0～0.75%，相对流化床，气流床中协同作用更明显。这是由于，在流化床中水蒸气向炭粒表面扩散的传质速率约为气流床的11%～25%，水蒸气气化过程受气膜扩散控制，炭粒表面水蒸气全部参与气化反应，炭粒表面无“多余”水分子，氧气开孔/扩孔作用提供的活性位“闲置”，而气流床中气化反应为速控步，炭粒表面有“富裕”水分子，可充分利用氧气开孔/扩孔作用提供的活性位，促进作用显著；挥发分-半焦相互作用不是流化床反应器中协同作用不显著的原因。     

Characteristics of reactivity and structures of palm kernel shell (PKS) biochar during CO2/H2O mixture gasification

Palm kernel shell (PKS) biochars with different levels of carbon conversion were initially prepared using a tube furnace, after which the reactivity of each sample was assessed with a thermogravimetric analyzer under a CO₂ atmosphere. The pore structure and carbon ordering of each biochar also examined, employing a surface area analyzer and a Raman spectroscopy. Thermogravimetric results showed that the gasification index R_s of the PKS biochar decreased from 0.0305 min^-1 at carbon conversion (x)=20% to 0.0278 min^-1 at x=40%. The expansion of micropores was the dominant process during the pore structure evolution, ad mesopores with sizes ranging from 6 to 20, 48 to 50 nm were primarily generated during gasification under a CO₂/H₂O mixture. The proportion of amorphous carbon in the PKS biochar decreased significantly as x increased, suggesting that the proportion of ordered carbon was increased during the CO₂/H₂O mixed gasification. A significantly reduced total reaction time was observed when employing a CO₂/intermittent H₂O process along with an 83.46% reduction in the steam feed, compared with the amount required using a CO₂/H₂O atmosphere.