化学链燃烧铜基载氧体前驱体煅烧反应热力学研究

基于吉布斯最小自由能原理,对铜基载氧体前驱体燃烧合成过程进行平衡模拟计算。预测了固体产物状态和气体产物分布。通过改变原料配比,计算绝热燃烧温度,判断反应能否自我维持。结果表明,在加入物料为化学计量比的反应条件下,平衡绝热燃烧温度T_ad为2 300 ~ 2 400℃,燃烧能自我维持。在加入物料为非化学计量比,尿素小于0.2倍理论加入量时,该燃烧不能自我维持,尿素小于0.5理论加入量时,含Cu化合物以液相形式存在。该体系中NO是NO_x的主要成分,随着尿素的增加,NO含量先快速增加后减少,当尿素占比为0.71时,NO含量达到极值。过量尿素的加入会使NO还原为N₂。     

铜基氧载体化学链氧解耦的流化床实验研究

采用溶胶-凝胶法制备了CuO/CuAl2O4氧载体,在CO2气氛下和空气气氛下,分别研究了该氧载体的释氧和吸氧性能,研究结果表明,随着温度的升高,氧载体的释氧、吸氧速率不断升高.随后在N2气氛下研究了3种典型煤的化学链氧解耦燃烧过程,结果表明,煤中挥发分的含量直接影响燃烧过程的快慢,在氧解耦燃烧时,高挥发分的褐煤尾气中,CO2体积分数比无烟煤高15%左右,褐煤中碳的平均转化率为无烟煤的2～3倍.     

基于热重分析的不同态铁基载氧体与炭黑反应特性的研究

为确定铁基载氧体化学链热解实验系统的输送管路中,高温态铁基载氧体与炭黑混合物流动过程可能存在的副反应,利用热重分析仪对氧化铁、四氧化三铁、氧化亚铁分别及混合后与炭黑的化学反应特性进行研究。实验结果表明,炭黑与氧化铁、四氧化三铁、氧化亚铁的反应开始温度分别为520.0、653.0、667.0℃;炭黑与铁基载氧体混合物的反应中,氧化铁起到主要的作用,最大失重速度为0.290 mg/min,温度在731.8℃,因此,不同态铁基载氧体与炭黑混合输运时,混合物温度需低于520.0℃,并降低氧化铁的残余比例。     

基于草木灰修饰铁矿石载氧体的串行流化床化学链燃烧实验

采用草木灰对铁矿石载氧体进行修饰,在1kWth串行流化床反应器上,以合成气（CO H2 CH4）为燃料进行了化学链实验,对其反应活性进行测试。结果表明：生物质灰修饰铁矿石载氧体在1 kWth串行流化床上表现出较高的反应活性,且反应温度越高,反应活性越好;燃料反应器出口CO和CH4体积百分数显著降低,930 ℃下分别为0.12%和2.63%,与采用纯铁矿石相比分别降低了97.3%和16.0%,CO2捕集效率提升明显,最大值达89.38%;SEM分析表明,反应后的铁矿石颗粒表面出现了晶粒熔融粘接的现象,但生物质灰修饰铁矿石的孔隙结构仍较为明显;EDS分析表明生物质灰修饰铁矿石中K的负载情况较为稳定,没有出现明显的流失现象。     

载氧体与氯化氢反应的热力学分析和实验研究

针对生活垃圾化学链式燃烧过程中可能出现的污染和腐蚀问题,研究了金属载氧体和HCI之间的相互作用.采用热力学平衡方法,分析了NiO、Fe2O3、CuO和CaSO4四种载氧体在不同温度下,水分和碳参与反应时氯气的生成情况;并进行了HC1和Fe2O3的高温反应实验.结果表明:温度对氯气的生成影响显著;水分的加入会减少氯气的生成;在有水分参与的反应中,碳的加入会使氯气生成量降低.从氯气生成量角度考虑,温度在700～900K时,Fe2O3可用作生活垃圾化学链式燃烧过程的载氧体.     

钙基复合载氧体反应性能的研究

采用沉淀法制备了3种钙基复合载氧体,并在固定床试验台架上对复合载氧体与CO的反应性能进行了研究.对反应前后的载氧体进行了X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FSEM)表征分析.结果表明:3种添加物均能促进CaSO4与CO的还原反应,提高载氧体的反应速率和转化率;3种添加物对COS的释放具有抑制作用,La添加物对SO2的释放有一定的抑制作用,而Ti、Ni添加物促进了SO2的释放;添加Ni的载氧体具有较高的反应活性,表现出良好的循环特性;载氧体在1次循环反应后,固相中出现了少量的CaO;在6次循环反应后,CaO的峰值比第1次循环后的峰值高,载氧体表面由平整光滑变得疏松多孔,且分布均匀.     

Cu-Mn复合载氧体释氧反应性及动力学研究

载氧体作为化学链转换技术的核心与关键,其性能决定了反应过程的经济性和稳定性。采用石墨成孔浸渍法制备了4种不同含量Cu修饰的Cu-Mn复合载氧体,对其进行了表征和抗磨损性能实验。在热重分析仪上研究了载氧体的释氧特性和循环反应特性,并采用Model-free method分析了载氧体的释氧动力学特性。结果表明,载氧体制备过程中活性组分CuO和Mn2O3并未与惰性载体MgO发生化学反应。Cu修饰对载氧体具有拓孔作用,可以显著提高载氧体比表面积和总释氧量,降低释氧所需温度,缩短释氧时间,降低释氧活化能。但随着Cu含量的增加,载氧体抗烧结性能和抗磨损性能逐渐降低,且随着循环次数增加,载氧体循环反应性能降低。     

基于铁矿石载氧体25 kWth串行流化床生物质化学链气化实验研究

设计并建立了25kW_(th)串行流化床生物质气化反应器,基于此反应器,以赤铁矿石作为载氧体,开展生物质化学链气化实验研究,考察气化反应器温度、S/B、载氧体添加比例对生物质气化特性的影响。当赤铁矿占床料比例高于40%时,该气化装置的气化反应器温度保持平稳,铁矿石载氧体的再生及传热性能优良。燃料反应器出口烟气的成分为H_2、CO_2、CO、CH_4和少量的C_2H_4。随着气化反应器温度升高,气化反应器出口烟气中CO、CH_4和C_2H_4体积分数逐渐降低,相应的CO_2体积分数逐渐升高。随着S/B由0.6升高到1.4,气化反应器出口烟气中H_2和CO_2体积分数逐渐升高,CO、CH_4和C_2H_4体积分数逐渐降低。另外,载氧体添加比例增加,生物质气化反应器出口烟气中CO、H_2、CH_4和C_2H_4体积分数呈减小的趋势,而CO_2体积分数显著增加。     

基于铁矿石载氧体的化学链燃烧

针对铁矿石载氧体,在流化床上进行了模拟煤气成分化学链燃烧循环试验研究.结果表明,在反应初期可得到高浓度的CO2,CO的转化率随着循环次数的增加先减少后增加,H2的转化率在整个循环过程中为100%;CO2的收率随循环次数的增加先缓慢增加最后趋于稳定;该铁矿石载氧体在多次循环反应中保持了很高的活性,开始几个循环中,随循环次...     

基于Fe基载氧体的生物质化学链燃烧试验研究

化学链燃烧技术(CLC)是一种含有CO2内分离的新型燃烧技术。以Fe2O3为载氧体,在10 kWth级串行流化床上进行了生物质化学链燃烧的试验研究,探讨了燃料反应器温度、生物质进料量和水蒸气量对2个反应器(燃料反应器+空气反应器)气体产物组成的影响。结果表明较高的反应器温度虽然有助于速控步(即气化反应)的进行,但是受载氧体的载氧率和颗粒循环速率的影响反而不利于CO2捕集。随着生物质进料量的增加,燃料反应器需氧量的上升,不利于燃料反应器CO2的捕集。而水蒸气量的增加有利于燃料反应器CO2的捕集,但是同时也导致H2的出现。     

基于锰矿石载氧体的准东煤化学链气化特性

化学链气化利用循环载氧体为气化过程提供氧化剂,碱金属修饰载氧体能显著催化气化过程.本文以高钠准东煤为燃料,反应性高、稳定性好的锰矿石为载氧体,探究循环次数、比氧耗和温度对准东煤化学链气化特性的影响.结果表明,随着循环次数增加,碱金属Na逐渐沉积在锰矿石表面,载氧体无明显烧结,反应性能良好;比氧耗的变化会影响合成气各组分浓度,比氧耗为4、温度900℃时,有效气组分可达78.83%.     

小型流化床钴基载氧体积碳性能研究

利用小型流化床,研究了不同温度(650、750、850和950℃)、不同反应气氛下(CO和H_2混合气氛、CH_4气氛)钴基载氧体的积碳性能及在还原反应中添加水蒸气或CO_2对载氧体积碳特性的影响。研究结果表明:在CO和H_2混合气氛中,反应温度越高,钴基载氧体积碳就越少;与CH_4气氛相比,CO和H_2混合气氛可有效减少载氧体表面积碳;添加水蒸气或CO_2均可抑制载氧体发生积碳反应,且添加水蒸气可基本消除钴基载氧体的表面积碳现象。     

结构型载氧体固定床化学链重整制氢的实验研究

采用浸渍法制备球形与拉西环形两种不同结构型Ni基载氧体,用于甲烷化学链重整制氢反应。在固定床中考察反应温度、进气水碳物质的量的比和空速对载氧体活性及稳定性的影响,并对比研究两种不同结构型载氧体的性能。结果表明：两种载氧体均可以保持较好的活性,相对而言球形载氧体更易积碳。在800℃以上时两种载氧体均具有较高的甲烷转化率及产物选择性,拉西环形载氧体在高温下性能下降得较慢。过高的水碳物质的量的比会抑制重整反应的进行,但拉西环形载氧体在高水碳物质的量的比下仍能保持较高的产物选择性。随着空速的增大,拉西环形载氧体的甲烷转化率降低,而对球形载氧体来说,当空速在3 500 h^-1左右时甲烷转化率和氢气产率均最高。经过20次循环稳定性测试,两种载氧体颗粒均出现了不同程度的积碳烧结,其中拉西环形载氧体结构保持得较好,积碳在氧化阶段能被部分清除。     

铁钴修饰镍基复合载氧体化学链重整制氢研究

采用浸渍法制备Fe₂O₃-NiO-CeO₂/γ-Al₂O₃和CoO-NiO-CeO₂/γ-Al₂O₃复合载氧体,研究了不同复合载氧体对化学链重整制氢反应性能的影响。固定床活性测试实验表明,在镍铈载氧体中加入质量分数为5%的Fe₂O₃复合载氧体(5%Fe-Ni-Ce)的H₂选择性和H₂体积分数最大;在镍铈载氧体中加入CoO后,其复合载氧体的反应性能下降。循环实验表明,5%Fe-Ni-Ce复合载氧体在经过20次循环后仍保持高活性。X射线衍射(XRD)结果表明,5%Fe-Ni-Ce复合载氧体中有固溶体形成,进一步的XRD分析发现5%Fe-Ni-Ce晶粒粒径较小。扫描电子显微镜分析发现,反应前5%Fe-Ni-Ce复合载氧体的颗粒分散度最优,在经过20次循环后复合载氧体仍能保持较好的形貌。进一步的固定床实验研究表明,5%Fe-Ni-Ce...     

结构化载氧体颗粒化学链燃烧内扩散影响模拟分析

采用有限速率模型对CuO/Al_2O_3结构化载氧体颗粒化学链燃烧进行了数值模拟,考察了不同结构化载氧体颗粒模型和进气速度对载氧体化学反应内扩散的影响。结果表明,相比于球形载氧体,环形结构拉西环载氧体内扩散更为容易,反应快,温升高;相比于全活性载氧体,1/4活性和半活性载氧体气体扩散到活性物质距离短,反应更快;增加进气速度能够加速颗粒内扩散,改善反应速率。     

基于铁矿石载氧体的生物质化学链气化机理研究

在单批次进料小型流化床上,以稻壳为生物质燃料,研究了床料、气化温度、水蒸气体积分数以及载氧体载氧量与生物质含碳量的摩尔比(O/C)对生物质化学链气化反应特性的影响,并考察了铁矿石的长期交替氧化还原过程中的反应特性,分析了在小型流化床,水蒸气气氛气化条件下,铁矿石载氧体在反应过程中主要的反应以及反应后的铁矿石的床料变化。研究表明:在载氧体条件下,生物质的碳转化率显著增大,随着反应温度的升高,合成气中的H_2和CO的体积分数也相应升高。在温度不变情况下,随着水蒸气比例的升高,CO_2和H_2的体积分数显著上升。伴随着O/C摩尔比的升高,CO和H_2均显著下降。因此,在不同的反应条件下,铁矿石在生物质化学链气化过程中对反应速度、合成气比例等均有明显的作用,对研究生物质的综合利用具有一定的意义。     

化学链过程铁基载氧体的研究进展

在化学链过程中,载氧体通过晶格氧的生成和释放避免了燃料和氧气的直接接触,降低了分离的成本,故其在化学链反应中起到重要的作用。铁基载氧体因成本低、环境友好的特性成为一种有吸引力的选择。总结了铁基载氧体在化学链过程中的相关研究。活性氧化铁因其较低的还原能力通常需要掺杂其他金属,目前主要采用碱性金属（Na、K、Ca）和过渡金属（Cu、Co、Ni等）来进行改性。研究的重点是复合金属载氧体（钙钛矿、铁酸盐、六铝酸盐、CeO₂型载氧体等）,其中钙钛矿型载氧体传氧能力优异,热稳定性和机械强度高,因此以不同的A/B位离子取代,或将钙钛矿与其他材料复合成为近年来的研究热点。     

CuO载氧体对煤化学链燃烧中汞迁移的影响

研究了在“CuO+煤”、“SiO₂+煤”、“煤”实验中燃烧和汞迁移规律。结果表明：在化学链燃烧还原反应器中载氧体与煤反应后,主要气体组分为CO₂,并含有少量CO、CH₄、H₂等挥发物;汞在还原反应器中主要以单质汞(Hg⁰)的形式进行释放,“CuO+煤”实验中Hg⁰释放量占总汞量的22.6%,远低于对照组;CuO促进了燃烧过程中汞迁移至载氧体形成颗粒态汞(Hg^P),CuO载氧体表面的O_α有利于汞转化吸附于载氧体表面,形成吸附态的HgO,一部分CuO被还原时,暴露的吸附位点较多,有利于Hg⁰的氧化。     

置换燃烧新型载氧体CaSO4的化学热力学性能分析

以H2、CO作为还原剂对CaSO4的还原-氧化反应的热力学性能进行了研究,得到了CaSO4的还原-氧化反应的吉布斯自由能与温度的关系和反应的平衡相图.研究结果表明,当温度低于1 045℃时,适当控制H2、CO浓度,CaSO4的还原产物仅有CaS,而无CaO、SO2;当温度低于1 140℃时,CaS的氧化产物仅有CaSO4,而无CaO和SO2.研究结果为CaSO4置换燃烧分离CO2的实验研究提供了理论依据.