基于Aspen Plus的煤焦油化学链热解反应模拟研究

为了得到煤焦油化学链热解生产炭黑的最优工况,本文利用流程模拟软件Aspen Plus对该过程进行模拟,并对化学反应动力学进行分析。选择Fe_2O_3作为载氧体,根据已知的动力学参数,利用Aspen Plus中的全混釜反应器模块进行模拟,主要研究了反应温度、反应时间以及煤焦油与载氧体进料比值对炭黑产率及反应能量转换效率的影响。分析表明,随着温度的升高,炭黑产率呈先上升后下降的趋势,在900℃左右达到最大值;该反应温度下,当反应时间为2s,载氧体与煤焦油进料摩尔比为2.5∶1时,炭黑产率最大;此时煤焦油反应率为95%以上。该研究对煤焦油化学链热解反应实验具有参考价值。     

煤焦油与铁基载氧体不完全燃烧的竞争性反应

针对煤焦油不完全燃烧制取炭黑过程,本文基于化学链原理,研究了该过程中主反应与其他竞争反应(二次反应)之间相互影响的特性。基于Gibbs自由能最小化原理,计算了各竞争反应前后吉布斯自由能变化和反应平衡常数,研究了竞争反应对不完全燃烧的总包反应的影响机理。理论分析与实验结果表明,炭黑生产率较高的原因不仅由于主反应易于进行,而且和竞争反应中炭黑消耗量较少有关;载氧体产物以Fe3O4和FeO为主,还有少量的Fe单质;因该不完全燃烧反应温度较低,并发生载氧体产物还原NO的协同作用,氮氧化物污染组分排放量较低。该研究从二次反应角度对炭黑制取过程进行模拟,对进一步的研究具有重要参考价值。     

铁矿石载氧体串行流化床煤化学链燃烧运行分析

化学链燃烧是一种基于零排放理念的能够在煤燃烧过程中实现CO2内分离的具有很好应用前景的燃烧方式.基于东南大学1kWth串行流化床反应器,在对基于铁矿石载氧体煤化学链燃烧技术的基本概念与特点介绍的基础上,对铁矿石载氧体煤化学链燃烧特性进行实验研究分析.研究结果表明:铁矿石载氧体的存在显著提高了煤气化速率,燃料反应器出口CO2浓度将近90%,燃料反应器出口未检测到C2-C4碳氢化合物.煤种对铁矿石载氧体化学链燃烧特性影响较大,神华烟煤由于在燃料反应器较易气化,其化学链燃烧过程中碳转化率和CO2捕集效率均高于淮北无烟煤.在燃料反应器为970℃时,神华烟煤CO2捕集效率为82%,高于淮北无烟煤的65%.     

化学链热解煤焦油制备炭黑过程竞争性反应分析

针对油炉法炭黑生产过程中高能耗及污染重等问题,本文基于化学链原理,提出了热解煤焦油制取炭黑的新方法,并对制备炭黑过程中反应的竞争性进行模拟实验,研究了载氧体种类、粒径大小、反应温度等因素对炭黑产率及品质的影响,利用气相色谱和烟气分析等对烟气进行了测试;同时通过焓、熵和热容(HSC)热化学计算软件,对炭黑制取过程中的竞争反应进行数值分析。分析结果表明,在反应温度和粒径相同的条件下,Fe2O3较CaSO4载氧体更能有效的催化焦油C—H键断裂,促进炭黑和H2的生成,且其晶格氧与炭黑发生气化反应的概率低,因此炭黑产率较高。随着载氧体粒径减小或反应温度升高,两类炭黑的产率均有所提高,且两类载氧体对SO2、NOx均有抑制作用,但以Fe2O3作为载氧体时具有更好的减排特性。该研究为炭黑生产过程节能减排提供了新思路,具有重要的参考价值。     

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。     

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。     

稻壳流化床气化实验研究

在小型流化床气化实验台上,利用空气作为气化剂,对稻壳进行了气化实验研究,利用臭氏分析仪和气相色谱对气化气成分进行分析。考察了不同气化温度、不同空气当量比对气体成分,产气率和气化效率的影响。结果表明,稻壳气化气中含有CO,N_2,H_2,CH_4,CO_2,C_(?)H_x等气体,升高气化温度会使产物气体的热值与气化效率增加,然而空气当量比增加导致产物气体的热值与气化效率降低。     

CaO与K_2HPO_4·3H_2O协同作用下纤维素的热解研究

利用热重-质谱(TG-MS)技术研究CaO与K_2HPO_4·3H_2O单独及协同作用下纤维素的热解过程,着重研究纤维素热解过程中H_2、CH_4等产物在不同条件作用下的变化。结果表明:加入CaO,纤维素热解过程中H_2、CO析出量增多,CH_4、CO_2等气体析出量降低;CaO会固定纤维素热解过程中产生的酸类产物及其前驱物等,从而降低271～465℃区间CO_2的析出量,并使CO_2在560～721℃区间继续析出;加入K_2HPO_4·3H_2O,H_2、CO析出量降低,CH_4、CO_2等气体析出量增加,K_2HPO_4.3H_2O可显著改变热解反应历程,如促进苯环形成反应发生;混合加入CaO与K_2HPO_4·3H_2O,相对于单独添加K_2HPO_4·3H_2O,其热解起始失重过程较为缓和,多数气体生成量增加,CaO与K_2HPO_4·3H_2O在热解过程中产生较强的协同作用。     

CaSO4为载氧体的煤／秸秆化学链燃烧实验研究

针对硫酸钙与煤／秸秆的反应特性及载氧体再生反应的特性,本文基于TGA—FT—IR联用技术,对煤、秸秆按不同比例掺混的3种试样与硫酸钙充分混合后在相同升温速率下进行多个循环的燃烧和载氧体还原实验研究。实验结果表明,煤中掺人秸秆改善了煤的化学链燃烧特性,载氧体的再生反应速率也明显增加;固体燃料带入的灰分对化学链影响不大,化学链燃烧释放的气体主要为二氧化碳,但完全反应所需周期长。该项研究对煤掺入秸秆进行化学链燃烧应用具有重要意义。     

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...     

负钛铜基载氧体在煤化学链燃烧中多环芳烃的生成

为了控制煤化学链燃烧中多环芳烃(PAHs)的生成,改善载氧体在多次循环后的碳沉积现象,以TiO2为惰性组分,采用机械混合法制备铜基载氧体(CuO/TiO2),研究该载氧体在模拟化学链燃烧燃料反应器中PAHs的生成情况,探究煤化学链燃烧中PAHs的排放特性和机理.实验采用气相色谱仪对PAHs做定性定量分析,结果表明:化学链燃烧生成的三环芳烃总量最多;对于煤化学链燃烧适合的燃料为低挥发性、高n(H)∶n(C)摩尔比的燃料;添加适量分散剂可改善制作载氧体时的结块现象,提高化学链燃烧法(CLC)反应效率,使PAHs排放总量减少,有效抑制碳沉积;PAHs生成总量随反应温度的升高先增加后减少,高温区(800~1 000℃)适合CuO/TiO2载氧体进行化学链燃烧反应.     

CO/CH_4在Ni(111)表面协同催化裂解机制

采用理论计算研究了CO与CH_4在Ni催化裂解过程中存在显著协同作用的机制.结果表明:CH_4逐步裂解过程中的速控步为第一个和最后一个H解离,反应能垒分别为106 kJ/mol和131 kJ/mol;CO在Ni(111)表面直接裂解为C和O,反应能垒为362 kJ/mol;CO/CH_4催化裂解过程中,CO裂解产物O可改变CH_4最后一步裂解的路径,其步骤为CH+O→CHO→C+OH,该步骤反应能垒低于CH直接裂解反应能垒;CH_4裂解产物H可改变CO裂解的路径,其步骤为CO+H→COH→C+OH,该步骤反应能垒低于CO直接裂解反应能垒;中间产物OH可改变CH_4裂解最后一步裂解的路径,其步骤为CH+OH→CHOH→C+H_2O,该步骤反应能垒低于CH直接裂解反应能垒.     

K-Fe复合催化剂对煤半焦气化速率与产物的影响

在热天平与固定床反应器中研究K-Fe复合催化剂对煤半焦的催化气化特性,并考察K-Fe催化剂种类、K-Fe配比与气化温度对气化过程的影响,分析反应过程中碳转化速率和气体产物(H_2、CO和CO_2)的变化规律.结果表明:K-Fe复合催化剂具有良好的催化作用,兼单一催化剂提高气化反应效率与调节气体产物组成的功能;在850℃时,碳转化速率比无催化剂时提高了3.2~4.8倍,产品气中H_2产率提高了6.4%~12.6%、CO产率提高了5.8%~22.3%;复合催化剂中提高气化速率的原因主要是K,而Fe对气体产物组成的影响更大;高温会显著加快气化反应过程,促进CO生成,使H_2及CO_2产率降低,在850℃及更高温度时,升温对反应速率的促进作用逐渐降低.     

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。     

H2S对CH4着火延迟及还原NO影响的数值模拟

为探究硫化氢(H_2S)在常压范围内对甲烷(CH_4)燃烧特性的影响,采用化学动力学软件CHEMKIN-PRO中的0-D和PFR反应器研究H_2S浓度、过量空气系数、压力和温度对CH_4点火延迟及还原NO的影响,并通过敏感性和生成率分析揭示其化学动力学机理.模拟结果表明:H_2S的存在促进活性基团(H,O,OH,HO_2,HO_2和H_2O_2)的生成速率,从而缩短预混气点火延迟时间,且在低温下的影响作用更加明显;预混气点火延迟时间随着过量空气系数的增大而减小;压力增加亦有利于缩短点火延迟时间. H_2S可降低CH_4/H_2S还原NO的温度,主要由于H_2S降低CH_4的反应温度,使还原性基团CH_i在较低温度下产生;但同时H_2S的存在,在一定程度上降低NO的还原效率,且在贫氧气氛中的影响更为显著.     

Ru催化3-吡啶基茚与乙基乙烯基醚的反应及其C—H活化机理

化合物(C_5H_4N)(μ~2-η~5:η~1-C_9H_5)}Ru_3(CO_)9和乙基乙烯基醚反应得到一种新的金属化合物{(C_5H_4N)(μ~3-η~5,η~2,η~1-C_9H_5CHCH_2OCH_2CH_3}Ru_2(CO)_4。然后根据此金属化合物设计了Ru催化3-吡啶基茚与乙基乙烯基醚反应。得到了{η~1-(C_5H_4N)(C_9H_6)}_2Ru_2-(CO)_4金属化合物,而此金属化合物不与乙基乙烯基醚进一步反应。此结果可以解释部分Ru催化烯烃类C—H活化的反应机理。     

基于甲烷化学链燃烧的CeO_2改性Fe_2O_3基氧载体制备与性能研究

采用共沉淀法制备了系列CeO2修饰的Fe2O3复合氧化物氧载体,利用XRD、H2-TPR技术表征了结构与还原能力,详细研究了甲烷化学链燃烧反应性能.结果表明,CeO2颗粒可与Fe2O3颗粒形成丰富的交互界面,这些界面不仅可以促进Fe2O3的低温还原能力,还能激发Fe2O3深层晶格氧的释放,促进Fe2O3被还原为更低价的铁物种,提高氧化铁的可还原性.CeO2助剂的添加还有助于提高Fe2O3氧载体的抗高温老化能力.与甲烷反应时,CeO2助剂的存在可以使CO2的生成温度向低温偏移,在恒温反应中获得更高的甲烷转化率.然而过高的CeO2含量容易引起甲烷不完全氧化的发生(生成CO和H2),影响甲烷化学链燃烧效果,CeO2的摩尔含量为5%时氧载体对应的甲烷转化与CO2生成均处较高水平.     

垃圾衍生燃料流化床富氧气化实验研究

为了研究不同操作工艺参数对垃圾衍生燃料（RDF）流化床富氧气化特性的影响,在常压流化床气化炉上进行徐州RDF的富氧气化实验,研究气化温度、当量比及氧体积分数对气化特性的影响.结果表明：随着气化温度由600 ℃升至800 ℃,气体产物中H2和CO体积分数显著增加,气体热值和气化效率增加;当量比通过影响气化反应程度及燃料碳转化率间接改变气化效果,当氧体积分数为425%、气化温度为770 ℃时,气化最佳当量比约为02,过高或过低均会导致可燃组分和气化效率的降低;随着氧体积分数由21%增至425%,可燃组分体积分数不断增加,与空气气化相比,富氧气化的气化效果有显著改善.     

CO_2加氢制低碳烯烃反应中引入耦合反应的影响研究

针对CO2加氢制低碳烯烃反应的特点,考虑将气化反应引入到CO2加氢制低碳烯烃反应中。对无煤粉参与反应和有煤粉参与反应两种情况下的CO2加氢反应进行了热力学分析。采用总吉布斯自由能最小法计算得到不同温度下反应体系平衡组成及反应物的平衡转化率。对比两种情况下的计算结果表明,引入气化反应,平衡组成中烯烃含量和反应物H2转化率都提高了,而产物中H2O的含量降低了,表明有更多的氢储存到烃中,但反应物CO2的转化率降低了。此外,通过实验得到两种情况下CO2加氢反应产物分布,实验结果表明有煤粉参与的反应,烯烃选择性更高,但CO2转化率降低了,这与热力学分析所得结论一致。     

煤粒径对气体产生规律和自燃倾向性影响研究

应用程序升温实验系统,对沙曲煤矿24305和25301两个采煤工作面进行了不同粒径煤样的程序升温实验,研究不同粒径煤样升温氧化过程中O_2、CO、CO_2、CH_4、C_2H_4、C_2H_6和C_3H_8等气体的产生规律,并计算了不同粒径煤样的耗氧速度和自燃倾向性判定指数。研究结果表明,煤样粒径越小,对氧气的吸附能力越强,耗氧量也越大;随煤样温度的上升,不同粒径煤样的耗氧速度和标志气体体积分数均由缓慢增加变为急剧增加,且煤样粒径越小其变化趋势越明显;煤样粒径越小,煤样的临界温度和干裂温度越低,煤的自燃性越强。