基于CoFe2O4载氧体的生物质化学链气化热力学分析及实验研究

对基于CoFe₂O₄载氧体的生物质化学链气化反应进行了热力学分析,研究了载氧体添加量、温度及水蒸气含量对气化反应特性的影响。同时应用热重分析仪对CoFe₂O₄和生物质的气化反应特性进行了实验研究,并利用XRD对反应前后载氧体的物相组成进行分析。热力学研究表明,CoFe₂O₄在气化反应中能够提供晶格氧,有效促进生物质气化,提高碳转化率。随着反应温度升高,合成气中H₂和CO的含量增加,CO₂的含量减少。随着水蒸气含量增加,H₂和CO₂含量会增加,CO含量减少。添加水蒸气能够提高合成气中H₂和CO的比值,改善合成气的品质。热重实验及XRD结果表明,钴优先于铁被还原,钴与铁存在协同作用,钴能够促进铁的进一步还原。随着载氧体添加量的增加,载氧体被还原的程度会降低,载氧体与生物质的最佳质量比为0.8。     

天然铁矿石为氧载体的生物质化学链气化制合成气实验研究

在一个小型鼓泡流化床反应器上以Ar气为流化介质,对以天然铁矿石为氧载体的生物质化学链气化制合成气过程进行了研究。考察了反应温度对合成气组分、气体产率、碳转化率以及气化效率的影响,反应时间对合成气组分的影响;探讨了氧载体存在对生物质气化过程的影响。结果表明,天然铁矿石可以作为生物质化学链气化制合成气反应过程的氧载体,代替富氧空气或高温水蒸气作为生物质气化的气化剂;随着温度的升高,产物气体中CO、H₂的浓度逐渐增加,CO₂、CH₄浓度缓慢降低;随着反应时间的延长,合成气中H₂、CO、CH₄的相对浓度缓慢增加,而CO₂相对浓度逐渐降低;氧载体的存在能显著提高气体产率和碳的转化率及气化效率。扫描电镜-能谱(SEM-EDS)分析表明,当超过850 ℃时,铁矿石氧载体颗粒表面烧结现象明显,但反应前后,颗粒表面的成分及含量基本保持不变。     

TiO2改性的镁基中温吸附剂及其CO2吸附性能的研究

采用沉淀法合成一系列TiO₂改性的镁基吸附剂,利用XRD、SEM和氮气吸附等方法对吸附剂进行表征,通过变温吸附-脱附动态循环实验考察其CO₂吸附性能。随着TiO₂含量的增加,样品的结晶度逐渐下降,同时由于焙烧后生成钛酸镁,样品比表面积逐渐减小。当TiO₂添加量为2%(质量分数),此时吸附剂呈直径为4.0~5.0μm的球形,局部为纳米片状结构,该吸附剂自第二次循环开始吸附能力无明显变化;经过50次变温吸附脱附循环实验后,动态吸附容量可达6.64%(质量分数),这是由于TiO₂改性后生成的钛酸镁为该吸附剂提供了刚性骨架,促进了活性组分的分散,并提高了吸附剂的稳定性。     

钾催化的石油焦/水蒸气气化反应活性及产氢特性

在固定床反应器中考察了钾盐对金山石油焦/水蒸气气化反应活性和产氢特性的影响,并与石油焦/水蒸气非催化气化反应特性进行了对比研究。研究结果表明,钾盐不仅能有效降低气化反应温度、改善石油焦的气化反应活性,而且能够促进气化反应过程中发生的各种反应(碳/水反应、水煤气变换和甲烷/水蒸气重整反应)。随着气化温度的升高,非催化气化的产物气中H₂的含量逐渐增加,而催化气化的产物气中H₂的含量则有所降低,这是由于非催化和催化气化条件下水煤气变换反应处于不同的状态。与非催化气化相比,催化气化条件下单位质量石油焦完全气化生成的产物气中H₂不仅产率高,而且含量也高(非催化和催化气化条件下H₂的含量分别为47.2%~54.1%和55.0%~60.4%)。各种钾盐对石油焦/水蒸气气化反应的催化活性顺序为:K₂CO₃>KAc>KNO₃>K₂SO₄>KCl,但不同的钾盐对气体产物分布的影响较小。     

生物质与石油焦共气化特性的研究

在内径为50mm,高约950mm的固定床反应器上对生物质与石油焦共气化特性进行了研究。研究了气化模式、石油焦添加比例、添加方式、粒径大小及气化温度对气化效果及焦油量的影响。结果表明,石油焦可以起到催化裂解生物质焦油的作用。随着氧气的体积分数从2%增加到15%时,气体的热值从5.35MJ/m³降低到2.98MJ/m³。在气化温度为700℃时,四种氧气含量下生物质单独气化时焦油产率平均值为6.4%,气体热值为4.31MJ/m³;生物质和石油焦混合气化时焦油产率平均值为2.9%,气体热值为5.19MJ/m³。石油焦的最佳添加比例为1∶1。生物质和石油焦不混掺焦油的产率最大,混掺其次,石油焦提前加入效果最好。随着添加石油焦粒径的增大,石油焦对生物质气化焦油的裂解率逐渐降低。在两种气化模式下,随着气化温度的升高,焦油的产率均逐渐降低。     

气化介质对生物质多孔床料流化床气化产气特性的影响

在自制小型常压流化床内采用多孔介质为床料,对生物质进行气化实验,分别考察了富氧气氛下温度和氧气浓度、水蒸气气氛下温度和水蒸气流量及不同种类床料对生物质产气特性的影响。结果表明,多孔床料下气化产气中可燃气体积分数随气化温度的提高而增大;随氧气浓度的增加,产气中H2的体积分数从14.52%增加到19.71%,CO的体积分数从43.41%降低到36.41%;气化剂水蒸气流量对生物质气化影响存在最佳范围;多孔床料种类不同对H₂和CO的生成以及对低碳氢化合物（C_xH_y）的催化裂解强度的促进作用也不同。     

负载Ni催化剂用于乙二醇蒸汽重整制氢催化性能研究

采用等体积浸渍法和共沉淀法制备了Ni催化剂,在固定床反应器上考察了Ni负载量、焙烧温度、反应温度等因素对乙二醇低温重整制氢反应活性和选择性的影响。应用X射线衍射、氮物理吸附、H₂程序升温还原等技术对负载型Ni催化剂进行了表征。结果表明,共沉淀法制备的Ni/CeO₂催化剂具有较小的NiO颗粒与CeO₂载体颗粒粒径,催化活性较高。添加少量氧化钴到Ni/CeO₂催化剂中可使H₂收率达72.6%,EG转化率达93.1%。在CeO₂中添加Al₂O₃能提高负载Ni催化剂的活性,乙二醇转化率达94.0%,H₂收率达67.0%;但添加SiO₂则使其活性明显变差。     

镍基整体式催化剂上生物质粗燃气重整调变的特性研究

采用浸渍法制备了Ni基整体式催化剂,考察了不同条件(温度、时间、空速、水蒸气添加等)对催化剂上生物质粗燃气重整反应性能的影响。结果表明,催化剂在较低温度下(≤500 ℃)只具有CO加氢反应活性,随着反应温度的升高粗燃气重整反应逐渐进行,在800 ℃以上,CH₄和C₂转化率均高达95 %以上,CO₂转化率达到92%,但随着反应空速和水蒸气添加量的增加,CH₄和CO₂等转化率呈现缓慢降低的趋势。此外,通过改变水蒸气添加量可对合成气中H₂/CO体积比在0.85~4.00进行较好调节。结合XRD表征发现,Ni基整体式催化剂中Ni°的生成可较好地促进重整反应的进行。     

超临界水中钾对甲醛降解过程影响的研究

为掌握生物质中钾对生物质超临界水降解过程的影响,选择生物质气化转化过程中生成的重要小分子中间产物甲醛作为研究对象,研究不同工艺条件下(反应温度400～650℃、压力23～29 MPa、停留时间4～12 s),单一钾成分(KHCO₃/K₂CO₃/KCl)或混合钾成分(KHCO₃、K₂CO₃、KCl)对甲醛超临界水降解气体产物的影响。结果表明,KHCO₃、K₂CO₃、KCl、混合钾均降低了气体产物中CO的体积分数,提高了CO₂的体积分数,但KCl的影响程度弱于其他三种钾成分。此外,由于不同钾成分均不利于气体产物中CO和H₂体积分数的提高,从而使得气体产物的热值降低。KHCO₃、K₂CO₃、KCl、混合钾均降低了H₂、CO、CO₂的产率以及气化率,其对H₂产率以及气化率的抑制程度从大到小依次为:混合钾、KHCO₃、K₂CO₃、KCl,且提高反应温度、延长反应停留时间时抑制气体生成的作用相对越明显。而当反应压力改变时,钾成分对H₂产率及气化率的影响程度变化较小。较高反应温度、较高反应压力、较长停留时间时,混合钾中各成分出现协同作用,明显抑制了气体产物的生成。     

模拟烟气气氛下矿物元素组分对砷的吸附特性研究

利用气相砷吸附反应实验装置,研究了300-900℃条件下CaO、Fe₂O₃、MgO、Al₂O₃、K₂SO₄及钙铁混合吸附剂在模拟烟气气氛下的As₂O₃（g）吸附特性。结果表明,在五种单元素吸附剂中,CaO的吸附能力最强,K₂SO₄最弱;随着温度升高,CaO的吸附量先增加,在700℃时略微下降后又增加,Fe₂O₃的吸附量先增加后减少,MgO、Al₂O₃、K₂SO₄的吸附量一直增加;三种比例的钙铁混合吸附剂的吸附效果的实验值相比计算值至少提高了92%,Ca：Fe比为3：1时,吸附效果最好,达到7.91 mg/g。混合后烧结反应导致表面结构改变是吸附效果提升的重要原因。     

污水污泥空气气化特性的研究

利用外热式下吸固定床气化实验装置,以空气为气化剂对五种不同性质污泥的气化特性进行了研究。结果表明,升高气化温度有利于提高气化气的品质,气化气中CO、CH₄和H₂的含量和气化气热值随气化剂流量的减小而增加。污泥厌氧消化过程使气化气品质降低;污水处理工艺对污泥气化气组成和热值亦产生影响,其中连续SBR工艺的未消化污泥气化气中CO、CO₂的含量最高,而H₂、CH₄和C_mH_n的含量最低;活性污泥法的未消化污泥气化气中H₂和C_mH_n含量最高;A²/O工艺的未消化污泥气化气中CO、CO₂的含量最低,而CH₄的含量最高,且三个污水工艺污泥的气化气热值依次升高。     

糠醛渣对气化煤灰熔融特性影响的研究

本研究选择一种典型糠醛渣和两种硅铝比(Si/Al)不同的气化煤,考察配入糠醛渣对两种气化煤灰熔融温度的影响,利用X射线衍射仪(XRD)分析了不同温度下灰渣的矿物质变化规律,采用热力学计算软件FactSage计算了平衡状态下的物相变化。研究结果表明,随着糠醛渣配比的增加,两种气化煤灰的熔融温度均呈现先增加后降低的趋势,其中,高硅铝比的气化煤灰增加趋势更显著。配入糠醛渣后气化灰渣难熔相由钙长石(CaAl₂Si₂O₈)变为白榴石(KAlSi₂O₆),白榴石(KAlSi₂O₆)在1300℃仍以固相形式存在,导致灰熔融温度升高。硅铝比高的气化煤灰的SiO₂相对含量高,其与糠醛渣中的K₂O反应生成更多高熔点的白榴石(KAlSi₂O₆),导致其熔融温度升高趋势更显著。随着糠醛渣配比的继续增加,共气化灰渣中K₂O含量增加,灰渣中形成低熔点的钾...     

H2,CO和H2/CO在ZrO2催化剂上吸附行为研究

用insituFTIR法研究了H₂、CO及CO/H₂在ZrO₂表面的吸附行为.结果表明,H₂在ZrO₂表面吸附存在两种形态的羟基(即ZrOH和ZrOHZr),吸附温度增加,羟基数量增加.CO在200℃易与ZrO₂表面羟基作用形成甲酸盐物种,吸附温度升高时,该物种逐渐分解生成CO和ZrOH.当CO和H₂共存时,表面甲酸盐的量明显增加,并随温度增加,逐渐加氢形成甲氧基,最后生成甲烷.甲氧基的加氢过程较慢,所需反应温度也较高,被认为是CO加氢合成醇的速控步骤.     

烟煤焦在H2O和CO2气氛下的结构演变与气化反应性关联

本研究以烟煤在1000 ℃热解所制得的焦样为研究对象,考察了其在H₂O、CO₂及两者混合气氛下的结构演变,以及气化反应性的影响。为了探究焦样在气化过程中的结构演变,利用氮吸附、SEM和拉曼光谱等表征手段分析不同碳转化率下的焦样结构。结果表明,H₂O气氛对焦样结构的演变明显不同于CO₂气氛,揭示了焦样在两种气氛下的反应路径不同。因结构演变的不同,随碳转化率的增加,焦样在两种气氛下表现出不同的气化反应性能。在CO₂气氛下,焦样的气化反应速率随碳转化率的增加而逐渐降低,与H₂O气氛存在下变化趋势相反。在H₂O和CO₂共气化条件下,煤焦在H₂O和CO₂混合气氛下的反应速率高于单气氛下的反应速率的计算值,表现出一定的协同作用。这是因为焦样与H₂O反应能够产生较大的比表面积,为焦样与CO₂反应提供更多的反应场所,促进了焦样与CO₂的反应。     

添加煤灰及混合氧化物对石油焦CO2高温气化反应的影响

以化学组成相近的燃烧煤灰、气化煤灰和混合氧化物为添加剂,分别通过干混法和湿混法加入石油焦中,并借助热重分析仪在1200-1400 ℃下进行CO₂气化实验,研究高温下煤灰掺混方式、含量及物相组成对石油焦CO₂气化的影响,并使用混合氧化物替代实际煤灰研究其对石油焦的高温气化催化作用。结果表明,石油焦气化反应速率随煤灰添加量的增加而提升;气化温度为1200、1300 ℃时,使用干混法和气化煤灰对石油焦的气化促进作用较弱;但气化温度为1400 ℃时,改变煤灰和石油焦的掺混方式及其中活性金属存在方式,对石油焦气化反应几乎没有影响。这是高温下煤灰熔融,导致液态熔体与石油焦表面接触良好、活性金属自由度高以及传质阻力增加共同作用的结果。此时混合氧化物的催化指数与混合物中铁钙含量具有线性关系,即添加高铁钙含量的煤灰可以促进石油焦CO₂气化反应。     

生物油部分氧化气化制备合成气研究

以生物油为原料,在常压和空气氛围下进行非催化部分氧化气化实验制备合成气,考察了气化温度、氧油比对合成气形成特性及合成气品质的影响,并对生物油非催化部分氧化气化制备合成气的主要反应过程进行了讨论。结果表明,升高温度可以促进生物油经非催化部分氧化气化制合成气过程中相关转化反应的进行,合适的氧油比有利于合成气的增加。当温度为1 050℃,空气量为0.2 L/min,进料量为72 g/h时,生物油经部分氧化产生的气体中H₂含量最高,CH₄、CO和CO₂很少;H₂/CO和H₂/(CO+CO₂)均达到最大值,分别为4.3和3.2。     

煤催化气化条件下不同煤种煤灰烧结行为研究

选取9类典型煤种,利用压差法测定烧结温度的实验装置,结合灰渣的XRD分析结果,考察了添加K基碱金属催化剂、不同煤种灰成分对烧结温度的影响。结果表明,碳酸钾催化剂的添加,明显降低高铁钙含量的WJT煤的灰熔点及烧结温度,碱金属K化合物极易同煤中Fe、Ca的矿物质反应生成低温共融物进而加剧煤灰的熔融结渣。不同煤种烧结温度的差异与煤灰中硅、铝、铁、钙含量密切相关。铝、硅含量高的煤灰烧结温度较高,而铁、钙含量高的煤灰烧结温度相对较低。碱金属K催化剂的添加加剧了煤灰的烧结结渣,而钙、铁的存在会加速硅铝酸盐间的反应生成低温共融物进而加速灰熔融。各煤种烧结温度的变化与其灰成分在CaO-SiO₂-Al₂O₃、FeO-SiO₂-Al₂O₃三元相图上的位置相吻合。     

焙烧温度对Ni/CaO-Al2O3结构及其催化重整性能的影响

采用共沉淀法制备了一系列具有类水滑石结构前驱体的Ni/CaO-Al₂O₃复合催化剂，考察了制备过程中焙烧温度对复合催化剂结构及性能的影响。结果表明，焙烧温度可调控活性组分Ni与载体之间的相互作用力，进而调变复合催化剂的比表面积、活性组分Ni的颗粒粒径。当焙烧温度为700 ℃时，Ni与载体之间相互作用力适宜，复合催化剂具有最大的比表面积（21.42 m²/g）和最小的Ni颗粒粒径（19.51 nm）；该复合催化剂在CO₂吸附强化CH₄/H₂O重整制氢过程中可得到98.31%的H₂浓度和94.87%的CH₄转化率，循环10次后，H₂浓度仍能保持在97.35%以上。这是因为大的比表面积为反应提供了更多的活性位点，利于CO₂吸附过程的强化，而小的Ni颗粒粒径提高了复合催化剂的抗烧结能力。     

硫化氢对钴改性活性焦脱除煤气中汞的影响机理

采用等体积浸渍煅烧法制备钴改性活性焦(Co-AC),并采用BET、XRD等分析手段进行表征。 利用固定床吸附实验台,研究了模拟煤气(N₂、H₂、CO、H₂S)气氛下汞的吸附特性,重点关注H₂S对汞吸附的影响。 结果表明,5%负载量的Co-AC在120 ℃和H₂S作用下具有优异的脱汞能力,2 h内平均脱汞效率高达97.8%。 此外基于密度泛函理论,首先计算了H₂S、HS及S在Co₃O₄(110)表面的吸附能及键长,通过比较H—S键键长的变化得出H₂S会逐步解离成HS与S,然后将优化后的S-Co₃O₄(110)作为Hg的吸附基底,研究其吸附特性,得出Hg与S反应生成稳定的HgS,吸附能为-3.503 eV,证明了汞的吸附遵循Eley-Rideal机制。 Co-AC吸附剂在高温下脱汞性能受到极大的抑制,因为随吸附温度升高,表面活性硫的减少及硫和汞的反应平衡常数下降显著,导致汞的脱除能力下降。 本文采用了实验加模拟的手段,探明了H₂S存在时Hg⁰在钴基吸附剂表面的反应机理,为协同脱除煤气中的H₂S和Hg⁰提供了理论指导。     

预处理Fe基催化剂CO加氢合成低碳烯烃选择性影响研究

研究了Fe₂O₃在CO和H₂气氛下预处理对催化剂物相、表面组成和性质的影响及CO加氢合成低碳烯烃反应行为。结果表明,300℃ H₂预处理后催化剂主要物相结构为Fe₃O₄和α-Fe,250℃ CO预处理后主要物相为Fe₃O₄,随着CO预处理温度的升高,有碳化铁生成。表面碳化物含量随着CO预处理温度的升高而增加。CO较H₂预处理表面碱性增强,CO₂和CO吸附显著增加,随着预处理时间的延长,表面积炭降低了CO₂和CO吸附。经CO预处理的催化剂具有较高的烯烃选择性,H₂预处理的催化剂烯烃选择性相对较低。