化学链燃烧钙基载氧体CaSO4与CO在不同温度下的反应行为

基于热重和红外联用进行等温实验,探讨了化学链燃烧载氧体CaSO₄在CO气氛下的还原反应特性。研究发现：温度对CaSO₄还原反应历程和速率有显著的影响,在10％CO气氛下,温度低于900℃时,发生单一反应,CaSO₄的还原产物只是CaS,气相产物为CO₂;当温度高于950℃后,发生平行反应和连串反应组合成的多重反应,固体产物为CaS和CaO,而产物气中除了有CO₂,还存在SO₂和COS,且气相硫化物的析出以COS为主;随着反应温度的升高,CaSO₄与CO反应速率显著增加,而目标产物CaS在固体产物中所占的摩尔分数呈下降趋势;基于钙基载氧体化学链燃烧中燃料反应器温度不宜高于950℃。     

化学链燃烧钙基载氧体的竞争反应热力学分析

化学链燃烧能在化石燃料燃烧能量释放的同时有效分离CO2.以CaSO4作为载氧体,在CO和H2作为还原剂的条件下,对CaSO4的氧化-还原反应进行了基于吉布斯最小自由能化学反应的理论计算,绘出化学反应的平衡相图,分析出在氧化态和还原态下平衡相图中都有CaSO4,CaS和CaO稳定存在的区域.通过控制温度扣气体反应物的浓度,就可以得到在化学链燃烧中所需要的CaS和CaSO4的稳定区.     

焦炉煤气化学链置换燃烧模拟研究

以焦炉煤气(COG,coke oven gas)为燃料,研究了CaSO4载氧体在燃料反应器(FR,fuel reactor)内的还原性,从原子层面对反应路径进行了探讨分析。当反应温度较低时(100~300℃),主要发生CO-H2甲烷化反应和CH4-CaSO4热化学硫酸盐还原反应,CaCO3与H2S是该温度范围内的主要产物。当反应温度较高时(400~1000℃),CaSO4与CO、H2和CH4之间的还原反应占据了主导地位,CaS、H2O和CO2是该温度范围内的主要产物。当反应温度进一步升高时(1000~1400℃),CaSO4与CaS发生固固反应生成大量的副产物SO2和CaO。温度和压力对产物中硫化物的分布有很大影响,在反应温度为1000℃,压力为0.1 MPa时,焦炉煤气的燃烧反应进行的很充分,但是反应在加压条件下进行时,CaSO4、CaS和H2S含量会有明显的下降,而SO2含量有一定程度的增加。     

煤化学链燃烧中CaSO_4/膨润土复合载氧体的反应特性

以工业级硫酸钙和膨润土为原料,通过机械混合法,制备了具有高强度的钙基载氧体。同时,在小型高温流化床上,以水蒸气为气化剂,考察了不同温度下载氧体与煤的反应活性和循环反应性。实验结果表明,CaSO4/膨润土载氧体具有高的机械强度。在820~900℃,载氧体与煤反应性随温度升高而增强。反应温度为900℃时,气体产物中CO2平均浓度为89.52%,基本不存在CO和CH4。随着还原/氧化循环数增加,载氧体表现良好的反应性,7次循环反应后,碳转化率在70%以上,CO2的平均体积含量保持在80%左右。X射线衍射分析表明,载氧体的还原产物为CaS,未生成CaO副产物。     

小型流化床实验台上镍基载氧体的积炭特性

采用小型流化床反应器,研究了Ni基载氧体在不同还原气氛（CH4、CO+H2）和不同反应温度（650 ℃、750 ℃、850 ℃、950 ℃）下的反应特性。结果表明：Ni基载氧体在两种气氛下均表现出较高的反应活性,CO+H2气氛下的还原反应比CH4气氛下的还原反应更完全,两个还原过程中均有积炭的产生,CH4气氛下的积炭比CO+H2气氛下的积炭更为严重;在CH4气氛下,温度的升高有利于Ni基载氧体还原反应的进行,同时还原过程中产生的积炭量也随着温度的升高有所增加,但当温度升高到850 ℃后,温度的增加对还原反应的影响不大。另外,相比于Cu基载氧体,Ni基载氧体虽然有更好的反应活性,但在还原过程中更容易产生积炭。     

煤/钙基载氧体化学链燃烧操作参数分析

化学链燃烧作为一种新颖的燃烧技术,在化石燃料燃烧释放能量的同时能够有效分离CO2。今以CO2为气化剂气化煤炭,基于Aspen Plus流程模拟软件,研究了煤/钙基载氧体化学链燃烧过程。结果表明,以CO2为煤气化剂,各反应器含水分少,可减少热损失。CaSO4载氧体具有载氧能力大以及反应活性良好等优点。气化炉中CO+H2含量随二氧化碳煤比增大逐渐增加后下降;随温度升高其含量先增加,后趋于平稳。燃料反应器中CO2+H2O含量随载氧体煤比增大,呈现先增大后减小的趋势;随温度升高其含量逐渐下降。空气反应器中CaSO4含量随空载比增大先增加后趋于平稳,随温度升高其含量趋于平稳后下降。气化炉中硫化物和氮化物含量随温度升高而下降,而燃料反应器和空气反应器中硫化物含量随温度升高增加趋势明显,氮化物含量变化不明显。最后确定了关键反应器操作参数:气化炉的二氧化碳煤比为1.8;燃料反应器的载氧体煤比为4.5;空气反应器的空载比为10.5和三反应器的操作温度分别为950、1000和1100℃。     

Co-Fe_2O_3纳米载氧体作用下CO化学链燃烧富集CO_2

制备了不同量级Co掺杂Fe2O3载氧体Co-Fe2O3,利用BET和TEM对载氧体结构进行表征。通过在不同温度下Co-Fe2O3与气体燃料CO的还原反应,考察Co-Fe2O3对CO化学链燃烧特性。结果表明,同一温度条件下,掺杂量越高,还原反应转化率越高;掺杂量不变的情况下,温度升高促使还原程度加深,缩短了载氧体完全还原转化的时间。根据TGA曲线进行了化学动力学分析,发现Co0.2Fe还原反应过程在344.7~391.0℃和414.7~472.5℃温度范围反应动力学对应扩散控制的Jander方程模型,607.6~681.5℃温度范围对应二维扩散反应模型,并分别计算出相应模型的表观活化能和频率因子。结果可为化学链燃烧技术应用提供理论指导。     

小型流化床铁基载氧体的积炭特性

利用自行搭建的小型流化床实验台,研究了不同温度(650℃,750℃,850℃,950℃)和不同气氛(CH_4,CO+H_2)下铁基载氧体在化学链燃烧中的积炭特性,并研究了添加水蒸气和CO_2对积炭特性的影响.结果表明:铁基载氧体在CH_4与CO+H_2气氛下均产生积炭,CO+H_2气氛下积炭量较少,积炭程度较轻;在CO+H_2气氛下,温度升高,积炭减轻,积炭量在850℃时最少;还原气氛中添加水蒸气和CO_2能够抑制积炭,水蒸气的效果明显好于CO_2的效果.     

具有自载体功能的CoFeAlO_4载氧体化学链燃烧反应特性

采用燃烧法合成了具有尖晶石结构的CoFeAlO_4载氧体材料,通过表征手段和实验研究考察了不同温度下CoFeAlO_4载氧体的化学链燃烧反应特性和循环稳定性,并对CoFeAlO_4载氧体晶相结构和表观形貌的变化规律进行了分析。结果表明,温度升高有利于提高CoFeAlO_4载氧体转化还原性气体CO的能力,使得还原反应速率更快,但高温下经"还原-氧化"会造成CoFeAlO_4载氧体相态分离,难以保持稳定的自载体尖晶石结构。对反应前后CoFeAlO_4载氧体晶相结构的分析表明,高温条件下经过"还原-氧化"后生成的CoFe2O4和CoAl2O4是导致CoFeAlO_4载氧体烧结和循环稳定性下降的主要原因。     

红砖掺杂改性白云鄂博铁精矿载氧体性能

采用机械混合法,添加建筑固废红砖粉末制备改性白云鄂博铁精矿载氧体,通过热重分析仪和管式炉实验,分析红砖粉末添加量对CO化学链燃烧性能优化效果,并通过扫描电子显微镜、X射线衍射、比表面积分析以及动力学分析等表征手段分析其机制。结果表明,通过DTG曲线可以看出白云鄂博铁精矿载氧体与CO的反应温度基本都高于800℃,红砖粉末改性载氧体可以提升化学链燃烧反应速率,加快反应进程,特别是2.5%红砖改性样品,在950℃下反应效果是最优的,CO₂产率达到了87%;通过对程序升温实验数据进行动力学分析,发现红砖粉末可以缩短其与CO的反应时间,加快反应进程,并且基于循环反应实验,改性载氧体表现出了更稳定的碳转化率。其反应能力的提升和循环稳定性的加强主要是由于红砖粉末使载氧体具有更高的比表面积和孔隙结构所致。