化学链燃烧CO2捕集与活化耦合技术研究进展

化学链燃烧CO2捕集与催化加氢耦合为实现碳减排与资源化利用提供了新思路.化学链燃烧技术具有CO2内分离特性,能实现低成本CO2捕集.该过程与CO2活化加氢反应器串联,可实现CO2捕集、活化与资源化的耦合.详细分析了该耦合技术的原理、复合载氧体研究现状及应用,特别是耦合制低碳烯烃的可行性,为化学链燃烧CO2捕集与活化加氢...     

化学链燃烧中Co掺杂改性Fe2O3（104）载氧体反应特性

基于密度泛函理论建立金属Co掺杂的铁基载氧体的微观模型,探究掺杂Co后模型表面的电子结构及反应特性的变化。首先,采用Material Studio软件中CASTEP模块构建并优化Fe₂O₃（104）的平板模型;其次,以Co原子分别替换模型表面不同配位数的Fe原子（Fe_5f,Fe_6f和Fe_7f）,构建Co在表面不同Fe原子位的掺杂模型（Co-Fe₂O₃（104））;最后,计算纯净模型和掺杂模型的表面能、掺杂结合能、态密度以及掺杂位点原子的键长、键角和原子间距离等参数,考察CO在Fe₂O₃（104）和Co掺杂的Fe₂O₃（104）表面的等温吸附特性,并以CO分子为探针测试Co掺杂模型和纯净模型表面的氧化反应特性,获取反应路径、过渡态和反应活化能等信息。几何优化结果得到Co掺杂模型的稳定性顺序是：Co_5f-Fe₂O₃（104）> Co_6f-Fe₂O₃（104）> Co_7f-Fe₂O₃（104）,对应的结合能分别为-0.399 eV、-0.215 eV和0.487 eV,Co在Fe_5f和Fe_6f位的掺杂是放热过程,并且在Fe_5f原子位的掺杂时放热较多,而在Fe_7f原子的掺杂属于是吸热反应;Co掺杂改变了掺杂位点相邻O原子的平均键长L_O-M（M代表Fe或Co）,其中Co替换Fe_7f后相邻O原子的L_O-M增加了0.004 4 nm;掺杂Co后模型的总态密度（DOS）均向费米能级（0 eV）方向移动,在-8 eV～0 eV能量范围内离域性增强,而且Co_5f-Fe₂O₃（104）模型体系靠近费米能级左边的填充态能量高于其他模型。等温吸附表明Co掺杂可以提高CO在模型表面的吸附量,并且存在吸附两种方式：-2.0 eV附近的峰为CO模型表面碱性位点的吸附峰,-0.75 eV附近的峰为CO在非碱性位点的吸附峰。CO在Co_5f-Fe₂O₃（104）表面的吸附能（-0.851 eV）最大,而在Co_7f-Fe₂O₃（104）表面的吸附需要外加能量（0.386 eV）,CO在Co_6f和Co_7f掺杂位吸附的键长（L_CO）比纯净模型表面的分别增加了0.000 4 nm和0.001 1 nm,表明Co掺杂表面对CO分子的活化作用较大;过渡态分析表明CO在Co掺杂表面氧化生成CO₂的反应活化能均明显下降,其中CO在Co_5f-Fe₂O₃（104）表面生成CO₂的活化能最低,比在Fe₂O₃（104）表面的减少了0.518 eV,且相应的反应能增加了0.445 eV。研究表明,Co与Fe在其氧化物中成键结构不同,导致掺杂后模型表面的悬键增多,表面能增大,态密度向费米能级方向移动,提高了Fe₂O₃（104）表面活性,并且Co在低配位数Fe原子位的掺杂更有利于降低氧化CO的反应活化能。因此,通过掺杂金属Co提高铁基载氧体反应活性是可行的,其改性效果与掺杂活性成分的特性和掺杂方式有密切的关系。     

基于铜、锰基的CaSO4复合载氧体反应活性改善的实验研究

为了提高CaSO₄载氧体的反应活性,通过机械混合法和浸渍法分别制备了CuO+CaSO₄和MnO₂+CaSO₄两种载氧体。改变向CaSO₄载氧体添加CuO、MnO₂的方法和数量,利用热重分析仪进行了两种复合载氧体与CO的化学链燃烧实验,通过场发射扫描电镜和X射线能谱分析反应前后样品的组成并对表征了表观形貌,发现浸渍法和机械混合法分别制备的载氧体反应活性均有提高,但前者优于后者;当CuO和MnO₂分别添加5mol%、10mol%时,表现最佳;对比相同添加量,CuO+CaSO₄载氧体的反应活性较高,MnO₂+CaSO₄载氧体在反应初期反应活性很高,而后反应活性降低较快。CuO+CaSO₄载氧体更有利于提高化学链燃烧性能。     

新型串行流化床流体动力学研究

提出了一种用于固体燃料化学链燃烧的新型串行流化床,将燃料反应器设计为不同流型的两段,即快速的混合反应段和低速的未反应碳分离段.混合反应段的射流进料强化了物料的混合,可以实现颗粒性质差异大的载氧体-固体燃料间的充分混合反应;未反应碳分离段代替了碳捕获器的作用,降低了反应装置的复杂性.采用石英砂代替载氧体作为床料,空气作为...     

煤化学链燃烧颗粒流动反应的数值模拟

针对化学链燃烧气固反应速率的影响因素复杂未知的问题,本文建立了碳粒与CaSO4载氧体颗粒在水蒸气气氛下的数理模型,并利用Fluent进行数值计算,从微观上分析了温度和压力的改变,对颗粒间化学链燃烧反应速率、CO2生成速率以及载氧体表面固相生成物沉积速率的影响。分析结果表明,提高反应器内的温度和压力,均加快了CaSO4载氧体颗粒表面CaS的沉积速率,且压力的提高在很大程度上促进了沉积速率的增加,而沉积覆盖在载氧体表面上的CaS导致了反应速率的下降。该研究有利于高纯度CO2气体的捕集,从而达到减排的目的,对化学链反应速率的控制具有重要意义。     

某些合成载氧体构型及热稳定性研究

本文研究了几种合成载氧体的红外光谱,热稳定性以及它们的晶貌,通常观察到配合物都呈现长形柱体,并有较高的热稳定性。     

无机絮凝剂的制备与合成载氧体的应用

本文讨论了几种无机絮凝剂的制备方法,同时介绍了在制备无机絮凝剂时应用合成载氧体的研究结果。     

合成载氧体的制备和磁学性质

本文报道了几种有工业应用价值的合成载氧体的制备方法,并测定了它们的催化氧化性质和磁化率,发现它们的载氧功能与其磁学性质有着密切的关系。     

化学链燃烧技术的研究进展综述

化学链燃烧技术是一种具有能量梯级利用,内分离CO_2同时降低NOx生成的新型燃烧技术。首先,从气化产物化学链燃烧、固体燃料化学链燃烧以及化学链氧解耦燃烧等三种方式总结了化学链燃烧技术的研究现状。其次,分别从热重分析仪(Thermal Gravimetric Analyzer,TGA)、固定床反应器、批次流化床反应器以及接近工程示范流化床反应器等4个方面阐述了化学链燃烧技术研究中反应器的特点。此外,从氧载体的评价指标以及氧载体的改性等方面系统介绍了化学链燃烧技术中氧载体的研究进展。最后,分别从NO_x、SO_x以及氯化有机物控制方面详细地报告了化学链燃烧技术在污染物方面的进展。期望对化学链燃烧技术的进一步研究提供参考。     

斜向和纵向紧凑微流化床设计及其性能

在利用固体吸附剂进行CO₂捕集系统中,为了降低反应器的压降和提高吸附剂利用率,提出两种新型的斜向紧凑微流化床(oblique compact micro fluidized beds, OCMFB)和纵向紧凑微流化床(vertical compact micro fluidized beds, VCMFB或CMFB)反应器。通过装载固体吸附剂,通过捕集体积分数为0.5%的CO₂对两种反应器的性能进行研究,并与传统径向流固定床(radial flow fixed bed, RFFB)反应器进行对比。试验结果表明:由于吸附剂在OCMFB和CMFB中处于流化态,在RFFB中处于静态,从而得到OCMFB反应器压降为CMFB反应器的82%,与RFFB反应器相比压降降幅为14%~323%;CMFB反应器的CO₂吸附穿透时间为OCMFB反应器的109%,与RFFB反应器相比增幅为44%。经过10次CO₂捕集循环,与RFFB反应器相比,OCMFB和CMFB反应器的吸附剂磨损相当,但CO₂吸附性能更稳定。     

Chemical looping combustion of coal in interconnected fluidized beds

Chemical looping combustion is the indirect combustion by use of oxygen carrier. It can be used for CO2 capture in power generating processes. In this paper, chemical looping combustion of coal in interconnected fluidized beds with inherent separation of CO2 is proposed. It consists of a high velocity fluidized bed as an air reactor in which oxygen carrier is oxidized, a cyclone, and a bubbling fluidized bed as a fuel reactor in which oxygen carrier is reduced by direct and indirect reactions with coal. The air reactor is connected to the fuel reactor through the cyclone. To raise the high carbon conversion efficiency and separate oxygen carrier particle from ash, coal slurry instead of coal particle is introduced into the bottom of the bubbling fluidized bed. Coal gasification and the reduction of oxygen carrier with the water gas take place simultaneously in the fuel reactor. The flue gas from the fuel reactor is CO2 and water. Almost pure CO2 could be obtained after the con- densation of water. The reduced oxygen carrier is then returned back to the air reactor, where it is oxidized with air. Thermodyanmics analysis indicates that NiO/Ni oxygen carrier is the optimal one for chemical looping combustion of coal. Simulation of the processes for chemical looping combustion of coal, including coal gasification and reduction of oxygen carrier, is carried out with Aspen Plus software. The effects of air reactor temperature, fuel reactor temperature, and ratio of water to coal on the composition of fuel gas, recirculation of oxygen carrier par- ticles, etc., are discussed. Some useful results are achieved. The suitable tem- perature of air reactor should be between 1050―1150℃and the optimal temperature of the fuel reactor be between 900―950℃.     

燃煤流化床多环芳烃生成特性的研究,

在小型程序控温流化床试验台上研究煤燃烧生成多环芳烃的特性.考察了燃烧温度、停留时间、过量空气系数、脱硫剂和金属铁等因素对多环芳烃生成量的影响.结果表明,在实验温度(800～900℃)范围内,流化床燃烧在850℃时多环芳烃生成量最少;多环芳烃生成量随过量空气系数的增加出现了先减少后增加的趋势;添加氧化钙增加了多环芳烃的生成量;少量铁的加入使多环芳烃生成量增加,大量铁则抑制了多环芳烃的生成.     

Reduction of 1-3 mm iron ore by H_2 in a fluidized bed

The reduction of 1-3 mm fine powder of iron ore by H2 was conducted in a lab-fabricated kg class high temperature fluidized bed. The results show that the differential pressure in the fluidized bed, which has small fluctuation with time, increases with the increase of gas flowing velocity. The utilization ratio of gas decreases when the reaction lasts longer time indicating that the reaction is faster at the beginning of reduction and becomes slower in the latter process. The higher the reaction temperature...     

流化床燃烧中煤含灰量对灰渣形成特性的影响

为了研究煤颗粒灰质量分数对煤在流化床燃烧过程中灰渣形成特性的影响,在一台小型流化床反应炉上进行煤的灰质量分数对灰渣形成特性的实验.按煤颗粒的灰质量分数,把义马烟煤分为6个颗粒组,并选用各颗粒组的3个粒径范围的煤颗粒进行燃烧实验,研究煤颗粒的灰质量分数对底渣质量分数、底渣与飞灰中的碳量质量分数和粒径分布的影响.结果表明,随着煤颗粒灰质量分数的增加,燃烧形成的底渣质量分数增加,而煤颗粒的燃尽率和飞灰中的碳质量分数都降低.在粒径和燃烧时间相同的条件下,随着颗粒灰质量分数的增加,底渣中留在本粒径档的颗粒质量分数明显增加,而细颗粒的质量分数明显减少.而颗粒灰质量分数对飞灰的粒径分布没有明显的影响.     

废轮胎流化床热解过程典型污染气体的排放特性

在小型流化床试验台上进行废轮胎的热解试验,研究不同工况条件下H2S、HCN、NH3气体的排放特性.研究结果表明:废轮胎热解中S生成H2S的转化率为0.5%～26.0%.不同工况条件下热解时H2S的排放量随热解温度的变化规律相似,都有峰值出现.但是在CO2气氛下热解时,峰值温度降低,H2S的排放量略高于在N2气氛下热解.废轮胎热解时燃料氮的排放以NH3为主,其转化率为10%～55%,远大于生成HCN的转化率(<0.5%).热解温度是影响N生成NH3的主要因素,流化速度和床料粒径对其影响不大.随着温度的升高,N生成NH3的转化率提高.在CO 2气氛下热解时,N生成NH3的转化率随热解温度升高而下降,这正好与N2气氛下热解时的趋势相反.在试验范围内,N在向NH3和HCN转化之间没有必然联系.     

煤焦固定床等温CO2气化反应动力学研究

利用自建固定床实验台研究了常压下神华煤煤焦等温CO2气化反应特性,实验分析了CO2流量、煤焦质量、气化温度和CO2分压对煤焦固定碳转化率的影响.在建立的化学反应动力学控制实验条件下,根据等转化率法计算得到煤焦气化反应活化能E为155 kJ/mol、CO2分压反应级数n为0.58;通过比对常用42种反应机理函数相关系数大...     

Photocatalytic oxidation of Rhodamine B in a three-phase internal circulating fluidized bed with TiO2/SiO2 as photocatalyst

A novel photoreactor of three-phase internal circulating fluidized bed was applied to the degradation of Rhodamine B with TiO2/SiO2 catalyst and TiO2 powder,respectively.The experimental results showed that the photocatalytic activity of TiO2/SiO2 catalyst was much higher than that of TiO2 powder under the same condition,and the half life of Rhodamine B using TiO2/SiO2 was 9.5 min,much lower than 63 min when using TiO2 powder.Moreover,TiO2/SiO2 had a good adsorption capacity of Rhodamine B,which played an important role on degradation.In addition,it was found that the degradation kinetics of Rodamine B with TiO2/SiO2 catalyst did not follow the first order reaction.The degradation kinetics model in terms of the adsorption process of catalyst and the analytic solution of reactant degradation rate in liquid phase could be deduced,which consisted of two parts.The first part was due to the adsorption,while the second part was due to the photocatalysis.In the beginning of the reaction,the adsorption process was dominant.However,when the adsorption achieved a balance,the degradation of Rhodamine B in liquid phase and solid phase was mainly caused by photocatalysis and the degradation kinetics model conformed to the first order reaction.