基于CuMn2O4载氧体的生物质化学链气化热力学分析

建立了以CuMn2O4为载氧体、松木屑为燃料的生物质（B）化学链气化模型,对CuMn2O4载氧体和松木屑之间的化学链气化反应进行了热力学模拟。研究了气化过程中CuMn2O4载氧体的还原过程,考察了燃料反应器内载氧体与生物质摩尔比(n(O)/n(B))、反应温度、水蒸气与生物质摩尔比(n(H2O)/n(B))、CO2与生物质摩尔比(n(H2O)/n(B))等因素对气化反应的影响,分析了空气反应器内载氧体晶格氧的恢复过程。热力学分析表明：CuMn2O4在气化反应中可以提供晶格氧,有效促进松木屑的气化。CuMn2O4载氧体中的Cu和Mn组分在化学链气化反应中分别按照CuO→Cu2O→Cu和Mn2O3→Mn3O4→MnO的顺序逐级被还原,并且Mn2O3优先CuO被还原。以气化系统的碳转化率和合成气产量为主要评价指标,优化的反应条件为：n(O)/n(B)为0.16,反应温度为1273 K,n(H2O)/n(B)为0.40,n(CO2)/n(B)为0.20。在空气反应器内,CuMn2O4载氧体还原后失去的晶格氧经空气氧化后可以恢复到初始状态。     

赤铁矿作用下煤化学链气化过程碳氮元素转化机理

以赤铁矿为载氧体,利用流化床反应装置比较传统煤气化与化学链煤气化的不同特性,同时研究气化温度、水蒸气流量、赤铁矿/煤比(即氧/碳摩尔比)、燃料种类等反应条件对化学链气化特性的影响,并分析气化反应后载氧体基本特性的变化。结果表明,化学链气化呈现2个不同的反应阶段。在初始的挥发分析出阶段,还原性气体与载氧体、NOx的氧化还原反应对碳、氮元素的转化具有重要影响,NO和N2O均明显析出;在煤焦气化阶段,载氧体能够提高半焦反应活性、促进半焦气化和N2O生成,N2O是主要的NOx产物。赤铁矿载氧体中的Fe2O3在气化过程被还原、部分转化为Fe3O4,未发现载氧体烧结现象。     

基于铁基载氧体的市政污泥气化特性模拟及实验研究

基于Aspen Plus软件中的模拟及流化床反应器中的部分实验,研究了铁基载氧体在市政污泥化学链气化中对碳转化效率、合成气组分、硫氮污染物排放等特性的影响。结果表明：燃料反应器中氧/碳摩尔比(n(O)/n(C))的增加提高了污泥的碳转化率,但却降低了CO、H2的浓度,碳转化率趋于平稳时明显减少了羰基硫(COS)和H2S的排放;燃料反应器中温度的提升利于合成气热值和污泥气化率的提高,降低H2S排放量的同时增加SO2的生成;随着水蒸气与污泥质量流量比的增加,H2的摩尔分数明显上升,在其质量流量比超过12时,变化不再明显;空气反应器中空气与载氧体摩尔流量比(空载比)的增加会使载氧体再生程度提高,但空载比增加到1.3时,开始有大量NOx的生成;空气反应器中反应温度的升高对载氧体的再生影响不大,但会导致热力型NOx的产生。     

铜/铁复合载氧体对煤化学链转化反应活性和碳微晶结构的影响

以铜/铁复合氧化物为载氧体,在流化床反应器中进行煤化学链气化(CLG)实验,采用X射线衍射分析(XRD)和谢乐公式等手段,探究铜/铁复合载氧体对煤化学链气化碳微晶结构和反应活性的影响。结果表明：添加载氧体后,煤气化反应活性增强,其碳转化率达到50%的时间(t50)由14.5 min缩短至9.3 min。从煤焦分子结构演变角度(XRD结果)发现,载氧体的存在影响煤气化过程中碳微晶结构的演变,其存在增加了碳微晶的碳层层间距,降低了层高。碳微晶结构的这些变化促进了煤化学链气化反应的进行。     

一种铜铁铝复合载氧体化学链燃烧性能

利用溶胶-凝胶法制备了一种Cu-Fe-Al-O复合载氧体,以CO为还原介质,在固定床反应器上探究了该载氧体的化学链燃烧性能,以及4种还原程度下该载氧体的循环反应稳定性。结果显示：在20次化学链循环反应中,Cu-Fe-Al-O 复合载氧体对应的化学链反应中CO2产率较为稳定,约为4 mmol/g;而对比样品氧化铁在第20次化学链循环时,对应的化学链反应中CO2产率仅有0.95 mmol/g。进一步实验发现,当还原程度小于75%时,使用Cu-Fe-Al-O载氧体的化学链反应运行稳定,因为在氧化还原过程中,活性组分铜、铁与尖晶石载体存在溶出现象,限制了活性组分的聚集,因此,Cu-Fe-Al-O复合载氧体具有较高的化学链反应循环稳定性。     

部分氧解耦煤化学链燃烧中硫的演化与分布

在实验室高温固定床反应器上,以富含黄铁矿硫的六枝煤为燃料,研究其与CuFe2O4复合载氧体在部分氧解耦化学链燃烧（CLPOU）过程中气、固相硫的演化及分布,并进一步考察反应温度、载氧体过量系数及CO2反应气氛对硫迁移转化的影响。结果表明,无论在程序升温实验或等温实验中,反应器出口气相硫仅为SO2,而固相硫组分以Cu2S为主。提高反应温度和载氧体过量系数会促进煤中硫的氧化,导致更多气相SO2的释放;而CO2反应气氛则在一定程度上抑制SO2的产生。鉴于CuFe2O4复合载氧体的高反应活性和Cu基氧化物的良好固硫特性,CuFe2O4载氧体有望实现煤化学链燃烧过程中碳、硫组分的协同在线控制。     

制备过程对Cu-Fe复合载氧体特性的影响

基于燃烧法制备Cu-Fe复合载氧体,在小型固定床反应器上以气体CO作为还原介质,研究了Cu-Fe复合载氧体失氧情况及CO2产率;采用X射线衍射分析(XRD)的手段,考察了制备过程中煅烧温度和煅烧时间对Cu-Fe复合载氧体物相和循环反应特性的影响。结果表明：当煅烧时间为8 h、煅烧温度为900 ℃时,制备的Cu-Fe复合载氧体中的CuO和Fe2O3能完全反应生成CuFe2O4,且Cu-Fe复合载氧体的氧化还原性能随着循环反应次数的增加而逐渐增加,保持了较好的循环反应性能和较高的反应活性。     

化学链气化过程中CuFe2O4/SiO2载氧体的反应性能及次烟煤的结构演变

以CuFe2O4/SiO2为载氧体,次烟煤为燃料,在间歇流化床中进行次烟煤的化学链气化实验,通过X射线衍射和拉曼光谱分析了化学链气化过程中CuFe2O4/SiO2载氧体和次烟煤的结构演变规律。结果表明：与以SiO2为床料的次烟煤气化相比,CuFe2O4/SiO2载氧体的加入使得次烟煤化学链气化的最大碳转化速率提高了43%。这是因为在化学链气化过程中,CuFe2O4/SiO2载氧体会释放分子氧和传递晶格氧,而分子氧会促进次烟煤中大芳香环的裂解,晶格氧会加快次烟煤中小芳香环的消耗。     

直接球磨法制备铈基载氧体用于甲烷化学链重整制合成气性能研究

采用直接球磨法和共沉淀法制备了Ce_7Fe_3O_δ载氧体,并用直接球磨法制备了不同Ce、Fe、Cu比例的铈铁铜载氧体,对载氧体进行H_2-TPR、XRD表征。在固定床反应器中,考察了制备方法、铜掺杂量对氧载体在甲烷化学链重整制合成气中的性能的影响。结果显示,在恒温实验中,与共沉淀法相比,直接球磨法制备的Ce_7Fe_3O_δ载氧体有较好的反应活性,其CO选择性达到最大90%。与Ce_7Fe_3O_δ载氧体相比,添加铜之后复合载氧体晶格氧的释放速率、CH_4转化率、CO选择性均得到提高,其中Ce_7Fe_3Cu_(0.5)O_δ载氧体具有较好的反应活性。直接球磨法制备的Ce_7Fe_3Cu_(0.5)O_δ载氧体经过5次循环反应后,表现出较好的反应活性和稳定性,其CO平均选择性保持在80%左右。     

铁基载氧体在化学链制氢中的应用研究

采用柠檬酸络合法和浸渍法制备铁基载氧体CeO2-Fe2O3/LaNiO3,并将其用于化学链制氢过程中。在剂烷比2:1、进水量0.1 mL、常压的实验条件下,考察反应温度对载氧体反应性能的影响。结果表明：氢气产量随Fe负载量的增加先增大后减小,最佳负载量为15%;助剂CeO2的添加,提高了载氧体的性能,使其经过100次循环后,仍保持一定的稳定性。并且5%CeO2-15%Fe2O3/LaNiO3载氧体在固定床反应器、还原温度为800 ℃、氧化温度为800 ℃、剂烷比为2:1、进水量为0.1 mL的实验条件下连续循环100次后仍保持高活性。     

熔融盐中晶格氧部分氧化甲烷制取合成气Ⅰ.原理和熔融盐体系分析

熔融盐中用晶格氧部分氧化甲烷制取合成气是一种有利于合理利用反应热,避免热点、爆炸等问题和降低生产成本的合成气制取新方法。对其原理、试验装置进行了介绍。通过理论计算和TG、DTA、TPD、TPR等试验方法对熔融盐系统和氧载体进行了研究分析。结果表明:选用质量比为1∶1的Na2CO3和K2CO3作为熔融盐体系较适合,且反应温度在800℃时较适宜;理论计算NiO、CeO2、CO3O4、ZnO作为晶格氧氧载体部分氧化甲烷制取合成气所需控制条件不同;800℃的熔融盐体系中,NiO是适合的氧载体。     

基于Aspen Plus的生物质化学链气化耦合CO2裂解模拟研究

生物质化学链气化耦合CO₂裂解技术能够在产生高品质合成气的同时将CO₂转化为CO,是可以同步实现CO₂增量降低和存量减少的有效手段之一。使用Aspen Plus软件,建立了生物质化学链气化耦合CO₂裂解过程的模型,研究了温度、压力和生物质与氧载体质量比(m(Biomass)/m(Oxygen carrier),简称m_B/m_O)对反应产出合成气组分、气化特性参数和系统热负荷的影响。结果表明：随着温度的升高,反应产出的合成气中CO、H₂含量呈现上升趋势,CO₂、CH₄含量下降,产气热值增大,且在高于800 ℃时趋于稳定,反应温度在1000 ℃以下时,系统产热可以满足反应需要;当反应压力由0.1 MPa提高至0.5 MPa时,H₂、CO含量下降,CO₂含量提高,合成气热值下降,系统整体放热量增大;当m_B/m_O增大时,生物质进料量逐渐增多,氧载体还原产物中Fe含量增大,FeO含量降低,合成气热值上升;当m_B/m_O在0.3~1.3区间内时,系统产热可以满足系统反应所需。耦合CO₂裂解反应器后碳转化率有较大提升,并且在m_B/m_O为0.7时提升最为显著。     

CoFe2O4氧载体四氢呋喃部分氧化制合成气的热力学分析

利用CoFe2O4氧载体四氢呋喃部分氧化制备合成气,采用Gibbs自由能最小化法对CoFe2O4氧载体四氢呋喃部分氧化制合成气反应进行热力学平衡计算,考察了反应温度、氧燃比和水燃比对CoFe2O4氧载体四氢呋喃部分氧化制合成气反应产物的影响.实验结果表明,温度对CoFe2O4氧载体四氢呋喃部分氧化制合成气反应有显著影响...     

有机固体废弃物化学链气化技术研究进展

化学链气化技术(CLG, Chemical looping gasification)是基于化学链燃烧技术(CLC, Chemical looping combustion)发展而来的一种新颖的固体燃料气化技术。相较于常规气化技术,化学链气化技术省去了氧气制备、且不需要燃料燃烧来提供热量,具有合成气不被氮气稀释、焦油及N/S/Cl等污染物含量低、能量梯级利用等优点。以有机固体废弃物(简称有机固废)种类、载氧体(OC, Oxygen carrier)类型和反应装置为切入点,较为系统地综述了化学链气化处理有机固废技术的发展现状,围绕有机固废的气化特性及相关反应机理与系统进行了较为全面的介绍,并对其未来的研究方向进行了展望。     

烟气体系下CO2与CH4重整反应的研究

使用以α-Al2O3和γ-Al2O3为载体的改性Ni负载型催化剂,在连续流动式固定床反应上评价了CO2-CH4-O2-He转化制合成气的性能。结果表明,在常压、500～700 ℃的温度范围以及原料中CO2体积分数为15%的条件下,反应温度越高,2种催化剂上反应生成的合成气的体积分数越大,但α-Al2O3基催化剂具有更高的活性和生成合成气的选择性;使用α-Al2O3催化剂时,临氧条件比非临氧条件更有利于合成气的生成,O2体积分数越高越有利于合成气的生成; CO2与CH4体积比越小越利于合成气的生成和CO2的转化;α-Al2O3基催化剂具有良好的再生性能。当CO2与CH4体积比为3：4,O2体积分数为2.5%,反应温度700 ℃,常压下反应尾气中合成气的体积分数可达83.8%,CO2的转化率可达95%。     

1 MWth 煤化学链气化过程模拟

基于Aspen Plus建立了1 MWth煤化学链气化模型,探讨了气化过程中不同煤种(宁夏煤、新疆煤、云南煤)、不同载氧体(赤铁矿、锰矿)、温度、氧/碳摩尔比、压力、水蒸气/煤质量比对合成气组分的影响及实现系统自热平衡运行的条件。结果表明：在700~1200 ℃范围内,随着反应温度升高,3种煤合成气产率及冷煤气效率先增加后趋于平缓;水蒸气/煤质量比在0.5~1.5范围内增大、压力在0.1~3.0 MPa范围内增加都会使合成气产率降低;随氧/碳摩尔比在0.1~1.7范围内增大,合成气产率显著降低,系统由外部供热变为向外放热;当系统实现自热平衡运行时,赤铁矿和天然锰矿载氧体的氧/碳摩尔比分别为1.1和1.5;在保证反应速率和经济成本的前提下,优先选择天然锰矿石作为载氧体。     

油漆废渣化学链气化特性及动力学行为

为探究化学链气化技术处理油漆废渣的可行性,通过热重分析仪以及管式炉 在线质谱仪联用研究了以Fe2O3为载氧体的油漆废渣化学链气化特性及动力学行为。热重分析结果表明：随着Fe2O3掺混比例的增加,掺混Fe2O3的油漆废渣热解气化时的总体质量损失量会减少。在升温速率为40 ℃/min时,当油漆废渣中Fe2O3掺混比例(质量分数)分别为10%、30%、50%时,最大质量损失速率相应分别为-27.23%/min、-23.39%/min和-17.12%/min,低于未掺混Fe2O3的油漆废渣热解时的最大质量损失速率-27.56%/min;油漆废渣化学链气化平均活化能分别为192.31、204.81、166.98 kJ/mol,明显低于未掺混Fe2O3的油漆废渣热解时的平均活化能223.29 kJ/mol。管式炉-质谱联用分析结果表明：反应温度为800 ℃,油漆废渣中Fe2O3质量分数为10%、30%、50%时,生成气相产物的低位热值相应分别为7.24、7.36和6.04 MJ/m3,低于未掺混Fe2O3的油漆废渣热解气相产物的低位热值8.76 MJ/m3,Fe2O3加入会降低气相产物的低位热值;当Fe2O3质量分数为50%时,油漆废渣化学链气化生成CO、CH4和H2的活化能分别为22.67、31.94和18.99 kJ/mol,低于未掺混Fe2O3的油漆废渣热解反应生成相应气体的活化能。油漆废渣中的TiO2与反应后的Fe3O4停留在固体残渣中,通过磁性分离装置可对TiO2进行回收。     

选择性氧化甲烷制取合成气的镍基氧载体性能研究

以氧载体中的晶格氧实现甲烷的选择性氧化制取合成气是一种新颖的合成气制备方法,其技术关键在于研制出一种选择性强、循环性能好的氧载体。本文通过热力学分析方法,对以NiO为氧载体活性组分的反应平衡组成进行了计算模拟,结果显示,以该氧载体进行的选择性氧化甲烷反应在热力学上是可行性。固定床实验表明,当晶格氧充足时,能够获得H2与CO的摩尔比接近2的合成,氧载体表现出较高的选择性氧化性能,而当晶格氧不足时,甲烷裂解反应明显。热重循环实验发现,当添加SiO2、MgO和Al2O3三种粘结剂后,氧载体的循环性能与纯NiO相比得到了显著提高,其中NiO/Al2O3氧载体在4500s里顺利完成了三个氧化还原循环,并保持了较高的转化度。