带压环境中CO2/H2O/N2气体稀释对合成气层流火焰速度的影响

合成气稀释燃烧是燃气轮机高效低污染燃烧的重要运行方式。本文以CO₂、H₂O和N₂为稀释气体,利用数值模拟方法研究稀释比对不同压力下合成气（CO/H₂/CH₄）层流火焰速度（S_L）的影响规律,并从自由基浓度变化、敏感性数值和生成速率（rate of production,ROP）三个方面解析三种气体的物理和化学作用机理。结果表明,S_L随燃烧压力和稀释比的增大而不断减小,其中CO₂对层流火焰速度的抑制最为显著。稀释气体的物理效应对层流火焰速度的影响远大于化学效应,但CO₂和H₂O的化学效应不能忽略。化学效应则是通过改变H和OH自由基浓度影响S_L,其中CO₂稀释降低H和OH自由基浓度,H₂O稀释则是降低H自由基浓度,从而降低合成气的层流火焰速度。进一步反应动力学分析发现了H/OH浓度变化在低压、加压下的主要化学反应路径,且受H₂O稀释的化学反应速率对压力较CO₂更为敏感。     

流化床中燃烧高水高氮酒糟的NO排放特性

采用流化床反应器,研究富水蒸气条件下酒糟燃烧的NO排放特性。结果表明,增加过量空气系数和升高燃烧温度,NO排放浓度升高;对送入燃烧反应器的气体中添加水蒸气模拟高水分燃料燃烧有效地降低了酒糟燃烧的NO排放浓度及总排放量,且在适当条件下可减少NO排放约46%(质量)。酒糟灰分中的金属氧化物对NO的还原有催化作用,且随着温度的升高变强。在含H₂或CO的N₂气氛中,灰分对NO催化还原作用更明显。水蒸气本身对NO没有明显还原作用,说明水蒸气是通过与碳氢化合物反应生成还原性气体,如H₂和CO,从而在酒糟灰催化作用下强化NO的还原。     

城市污泥流化床燃烧过程中气态污染物排放特性

在6kW_th鼓泡流化床实验台上进行了城市污泥的燃烧实验,研究了烟气再循环气氛和空气气氛下燃烧温度、过量氧气系数、二次风比率对气态污染物排放特性的影响。研究结果表明：燃烧温度升高,NO排放浓度明显升高,SO₂排放浓度亦呈上升趋势;过量氧气系数提高,NO排放浓度呈显著上升趋势,SO₂排放浓度则呈下降趋势;增大二次风比率,NO排放浓度呈现先降低后升高的趋势,但总体减排效果并不明显,SO₂排放浓度出现少量增长;烟气再循环工况下,NO排放浓度随燃烧温度和过量氧气系数变化的趋势与空气气氛燃烧时一致;烟气再循环率从0增加至1,NO排放浓度明显下降;烟气再循环率达到较高值后,NO排放浓度随之提高而降低的趋势减弱;烟气再循环率逐渐升高过程的前期,烟气中CO浓度出现显著升高;再循环率超过0.3后,CO浓度在一定范围内波动,不再升高。     

富氧富水蒸气条件下燃烧高氮燃料的NOx排放特性

在富氧富水蒸气条件下，研究了富含氮的燃料白酒糟在流化床中燃烧时NO_x的排放特性。结果表明，在过量空气系数1.2条件下，水蒸气和O₂对NO_x的生成相互影响。当O₂浓度低于约35%时，向燃烧气中加入水蒸气能抑制NO_x生成，使烟气中NO_x的排放浓度和燃料N转化为NO_x的转化率降低；而当氧气浓度高于约35%时，加入水蒸气促进了NO_x生成，表明提高氧气浓度使得氧化作用起到主导地位。NO_x生成量随温度的升高先增加后减少，在较高氧气浓度下，NO_x生成量随温度升高而降低的转折点发生在较低的温度；燃烧气氛中添加水蒸气延迟了转折点的发生，使转折点发生在较高温度。     

木炭水蒸气催化气化制取合成气

以木炭为原料,选用KOH、K₂CO₃、KHCO₃、KNO₃为催化剂,在上吸式固定床气化炉中,进行水蒸气催化气化制取合成气实验。考察了不同催化剂、催化剂用量、水蒸气流量、气化温度对木炭水蒸气气化的炭转化率、产氢率、气体组成体积分数和H₂/CO值的影响。实验通过炭吸收催化剂溶液来负载催化剂,实验结果表明：4种催化剂都可提高木炭气化效率,在浸渍相同质量分数的催化剂溶液下,催化活性顺序为KOH>K₂CO₃>KHCO₃>KNO₃。碳转化率及产氢率都随着催化剂溶液浓度的增加而增大,但浓度过高增加趋势逐渐变缓,催化剂溶液质量分数在4%~6%较为合适。增加水蒸气流量,气体产物中H₂体积分数增大,H₂/CO值增大。升高温度可促进炭气化反应,950℃时碳转化率和产氢率分别达到98.7%和145.23g/kg。实验可得到H₂/CO比1.53~4.09范围间的合成气,可用于合成甲醇、甲烷、二甲醚等燃料。     

O2/H2O燃烧方式下石灰石的间接硫化反应特性

利用水平管式炉和热重实验台架,对O₂/H₂O、O₂/N₂和O₂/CO₂ 3种不同燃烧方式下石灰石的间接硫化反应特性进行了研究。重点探究了燃烧方式、水蒸气浓度对石灰石间接硫化反应的影响规律与机理。同时,对硫化产物进行了X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）、孔结构特性和扫描电镜（SEM）分析。结果表明,O₂/H₂O燃烧方式相比于相同氧浓度下的O₂/N₂和O₂/CO₂燃烧方式,石灰石间接硫化反应的钙转化率在化学反应控制阶段基本相同,在扩散控制阶段O₂/H₂O燃烧方式下的钙转化率有显著的提高。主要原因是水蒸气促进了硫化反应后期产物层内的固态离子扩散。此外,O₂/H₂O燃烧方式下,不同的水蒸气浓度对石灰石的钙转化率基本没有影响。     

胜利褐煤水蒸气气化制富氢合成气及其固有矿物质的催化作用

利用微型固定床反应装置,研究了内蒙古胜利褐煤水蒸气气化过程中H₂、CO₂、CO和CH₄生成规律及其固有矿物质的催化效应。原煤(SL-raw)、盐酸洗脱(SL-HCl)、氢氟酸洗脱(SL-HF)及盐酸洗脱液回添煤样(SL-HCl-Re)在水蒸气气化反应过程中,H₂、CO₂和CO生成速率存在明显差异,充分说明胜利褐煤中某些固有的矿物质对其水蒸气气化反应具有显著的催化作用,可大幅度提高其气化反应速率,并使其起始气化温度降低96℃,气化反应主体温度降低150℃以上,同时促进了合成气中H₂生成,抑制了CO的生成,使胜利褐煤水蒸气气化反应过程中一直维持着较高的H₂/CO摩尔比,SL-raw、SL-HCl-Re水蒸气气化所得合成气中H₂/CO摩尔比分别为17.3和4.3,而SL-HCl和SL-HF水蒸气气化所得合成气中H₂/CO摩尔比均只有1.22。SL-HCl和SL-HF水蒸气气化生成H₂、CO₂和CO的规律基本相同,说明起催化作用的物质是可溶解在盐酸洗脱液中的矿物质。经过分析,发现矿物质对胜利褐煤水蒸气气化反应的催化作用主要是通过提高水煤气变换反应(WGSR)速度实现的。最后结合文献报道提出了胜利褐煤水蒸气气化反应过程中矿物质的原位催化机理。     

氧分级对药渣O2/CO2燃烧NOx生成规律与反应机理的影响

在我国目前能源结构中,化石能源尤其是煤炭资源占比很高,造成了极大的环境压力。抗生素发酵药渣为近年来产量迅速升高的固体废弃物,也是一种生物质燃料资源,但目前对药渣的能源化利用研究较少。以CH4等气体来模拟药渣可燃成分,利用Chemkin模拟软件中的PFR反应器构建了药渣在O₂/CO₂气氛下氧气分级燃烧及非分级燃烧模型,对2种情况下NO_x生成特性进行了模拟研究,探求了氧气分级及非分级燃烧时各种因素的影响,并利用生成速率分析法和敏感性分析法对结果进行了反应机理分析。研究结果表明,在氧气非分级条件下,NO_x转化率随燃烧温度升高先升高后降低,在1500℃左右达到峰值;NO_x转化率随过量氧气系数增加而升高,在过量氧气系数由0.9增至1.1时,增幅显著。在氧气分级条件下,主燃区燃烧温度对NO_x转化率的影响较为复杂;NO_x转化率随燃尽风率增加先降低后升高,随燃尽风位置推后降低。氧气分级条件下,还原气氛促进了NO_x中N向其他组分转化,能够明显降低NO_x生成。当燃烧温度低于1500℃,燃尽风率为0.35左右时,NO_x转化率最低。首次对药渣在O₂/CO₂气氛下的燃烧进行了反应动力学模拟研究,探求了各种因素的影响,为实现药渣能源化利用提供了指导。     

木屑炭水蒸气气化制备合成气

以木屑炭为原料,在上吸式固定床气化炉中进行水蒸气气化制备合成气,考察了温度和水蒸气流量对木屑炭水蒸气气化的产物分布、炭转化率、产气率、组成含量和H₂/CO值的影响。结果表明：升高温度有助于木屑炭气化,炭转化率和产气率分别在950 ℃下达到最大值99.2%和4.16 L/g,但温度升高会导致H₂从65.8%降至61.2%,同时H₂/CO也呈下降趋势,从10.3降至3.35;水蒸气流量的增加可提升H₂,从59.8%升至62%,但流量升至0.6 g/min时气化结果趋于稳定。水蒸气气化的最佳操作条件为900 ℃,水蒸气流量0.6 g/min,此条件下炭转化率、产气率和热值分别达到93.3%、4.06 L/g和9.04 MJ/m³,H₂/CO值为4.11,适合于合成甲烷。     

H2O(g)对富氧燃烧超细颗粒物生成特性影响

为实现富氧燃烧技术的广泛推广,对煤粉燃烧在富氧气氛下的颗粒物排放特性进行了研究。在1800 K管式炉内进行煤焦燃烧试验,研究了富氧气氛下H₂O(g)体积分数(0、5%、10%、20%、30%)对煤焦燃烧超细颗粒物的影响;采用荷电低压撞击器(ELPI+)获得超细颗粒物质量和数量浓度粒径分布并进行分析。结果表明,H₂O(g)对超细颗粒物质量浓度和数量浓度粒径分布无影响,但会导致超细颗粒物的峰值波动。超细颗粒物总数量由最小粒径超细颗粒物决定,5种水蒸气浓度下EL?PI+第1级撞击器收集到的超细颗粒物数量占比均超过65%。超细颗粒物总质量由最大粒径超细颗粒物决定,5个水蒸气浓度下ELPI+第7级撞击器收集到的超细颗粒物质量占比均超过94%。低H₂O(g)浓度会抑制超细颗粒物生成,H₂O(g)体积分数为5%时的抑制作用最显著;高H₂O(g)浓度会促进超细颗粒物生成。这是因为一方面H₂O(g)与煤焦发生气化反应,使煤焦颗粒周围产生还原性气氛,促进矿物质还原为单质,进一步促进矿物质蒸发;另一方面气化反应是吸热反应,会降低煤焦颗粒燃烧温度,同时H₂O(g)加入也导致烟气热容增加进一步降低,煤焦燃烧温度抑制煤中矿物质的蒸发,导致超细颗粒物生成减少,是2种作用相互竞争的结果。此外,H₂O(g)的加入使超细颗粒物平均粒径增大,0~5%H₂O(g)时超细颗粒物平均粒径增大最迅速。     

化学链干重整联合制氢热力学分析及实验

提出了一种化学链甲烷干重整联合制氢工艺。该工艺由还原反应器、干重整反应器、蒸汽反应器和空气反应器组成，在实现制氢的同时获得可变H₂/CO比的合成气。借助ASPEN plus软件和小型流化床实验台，在等温条件下，温度900℃，采用Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体，对该工艺进行热力学分析和实验验证。结果显示，当铁氧化物被还原至FeO/Fe时，干重整反应器内甲烷转化率可以达到98%，CO产率可以达到94%。干重整反应器中同时发生甲烷干重整和部分氧化反应，载氧体内部晶格氧可以有效降低积炭并提高合成气H₂/CO比。积炭发生于晶格氧消耗殆尽时。积炭进入蒸汽反应器，发生气化反应，降低氢气纯度。     

低温燃烧下NH3的氧化特性

NH₃的气相氧化是低温燃烧过程中NO_x（NO和NO₂）与N₂O的重要来源,为了深入认识其反应规律,在管式流动反应器系统中进行了实验研究。重点考察了挥发分中的可燃气（CO、CH₄或H₂）和NO对NH₃氧化及氮氧化物排放的影响规律,并根据化学反应机理对实验结果进行了分析。研究结果表明,低温氧化性气氛下微量的可燃气就能够显著促进NH₃的氧化,并使NO_x和N₂O的生成量大幅度升高。当可燃气体浓度相同时,H₂对NH₃氧化的影响最大,CO的影响最小,CH₄对NH₃氧化的影响略大于CO。随着可燃气体浓度的升高,其对NH₃氧化与氮氧化物生成的影响先逐渐增加,然后趋于稳定。反应初始气体中存在NO时,也会加速NH₃的氧化。     

煤焦在气化合成气中高温气化反应特性

在固定床管式炉反应器中进行了煤焦在H₂O、CO₂、H₂和CO混合气氛中气化特性的实验研究,考察了反应温度、原料气组成和加煤量对产物气组成以及碳转化率的影响。实验结果表明,在各实验条件下,合成气与煤焦反应后CO流量均增加最多,H₂少量增加。煤焦与CO₂的反应受到明显抑制。混合气体通过与煤焦反应可以提高有效气（CO+H₂）的含量,实验条件下反应出口气体中有效气浓度比反应结束时最多提高3.3个百分点。反应速率受气化剂之间的竞争和气化产物的抑制作用较为明显,在1100℃和1300℃时,煤焦在相同气化剂流量的合成气中的最高反应速率分别只有在纯气化剂（水蒸气或CO₂）中最高反应速率的49%和69%。受到多种气体组分之间的相互影响,气体在孔道里的扩散和吸附对反应影响更加显著,随机孔模型可以较好地拟合此类反应,而不考虑孔结构的均相模型和缩芯模型拟合度较差。     

一种低能耗捕集CO2煤基甲醇和电力联产过程设计

传统的煤制甲醇过程所需合成气的氢碳比为2.1左右,而煤气化粗合成气氢碳比仅为0.7左右,因此需要将部分合成气进行变换来调节氢碳比。然而,变换气与未变换气混合后使得CO₂浓度降低,从而导致CO₂捕集能耗增加。提出了一种低能耗捕集CO₂煤基甲醇和电力联产过程。新联产过程中部分粗合成气首先经过变换,将CO转变为H₂和CO₂,CO₂浓度提高,在此时进行CO₂捕集可实现捕集能耗的降低。经CO₂捕集后,得到富H₂气体,富H₂气体分流后与另一部分煤气化粗合成气混合调节甲醇合成的氢碳比。对新的过程进行了建模、模拟与分析。结果表明相比传统的带CO₂捕集的煤制甲醇和IGCC发电过程,新的联产过程的能量节约率可达到16.5%,CO₂捕集能耗下降30.3%。     

Catalysis of H2, CO and alkane oxidation–combustion over Pt/Silica catalysts: evidence of coupling and promotion

Results are presented on the oxidative–combustion reactions of H₂, CO, methane and propane over polycrystalline-powdered silica-supported catalysts containing Pt (and possibly oxide promoters, e.g. MnO₂, etc.) and the coupling of different combustion processes and also heterogeneous–homogeneous reactions. The Pt/silica catalysts appear to mature with use. Catalysed combustions take place, as expected, at far lower temperatures and with smaller activation energies than the homogeneous reactions. The role of added or intermediate (i.e. produced by alkane partial oxidation or steam reforming) H₂ in accelerating and lowering the temperatures of catalysed alkane combustions and hence minimising NO_x emission is considered with regard to the dispersion of the Pt, as is bifurcative–hysteretic combustion in the catalysed reaction, prevalent for CO, but less certain for H₂ or alkanes. CO decelerates the catalysed combustion of hydrogen on supported Pt (and may also do this for alkane combustion). Whether the acceleration due to intermediate H₂ in alkane combustion exceeds the deceleration due to intermediate CO remains to be seen, but it may be that the water–gas shift reaction moves the advantage to H₂. Further study by in situ methods will be needed to optimise and understand this coupling so that it can be used to maximise efficient alkane-catalysed combustion with minimum NO_x production. This should also lead to higher turnover numbers (which are at present quite low for propane-catalysed combustion).     

Photocatalytic syngas synthesis from CO2 and H2O using ultrafine CeO2-decorated layered double hydroxide nanosheets under visible-light up to 600 nm

The rational design of photocatalyst that can effectively reduce CO₂ under visible light(l>400 nm),and simultaneously precise control of the products syngas(CO/H2)ratio is highly desirable for the Fischer-Tropsch reaction.In this work,we synthesized a series of CeO₂-decorated layered double hydroxides(LDHs,Ce-x)samples for photocatalytic CO₂ reduction.It was found that the selectivity and productivity of CO and H₂ from photoreduction of CO₂ in conjunction with Ru-complex as photosensitizer performed an obvious“volcano-like”trend,with the highest point at Ce-0.15 and the CO/H₂ ratio can be widely tunable from 1/7.7 to 1/1.3.Furthermore,compared with LDH,Ce-0.15 also drove photocatalytic CO₂ to syngas under 600 nm irradiation.It implied that an optimum amount of CeO₂ modifying LDH promoted the photoreduction of CO₂ to syngas.This report gives the way to fully utilize the rare earth elements and provides a promising route to enhance the photo-response ability and charge injection efficiency of LDH-based photocatalysts in the synthesis of syngas with a tunable ratio under visible light irradiation.