两段式固定床富氧－水蒸气气化实验研究

以玉米芯颗粒为原料在两段式固定床气化装置上进行了气化实验,考察了当量比ER、富氧浓度OC和水蒸气配比S/B对气化温度、气化气组分、低位热值、气体产率、气化效率和碳转化率等参数的影响,并比较了两段式固定床与传统下吸式固定床的气化特性。实验结果表明,当量比为0.27时H₂的体积分数、CO的体积分数和气化效率达到最大值;增加富氧浓度能优化气化效果,但富氧浓度大于90%后,燃气质量和气化效率均提高不大;增加S/B能提高H₂的体积分数,但同时会降低CO的体积分数、气体热值、气化效率;当S/B为0.6时,氢气的体积分数达最高值33.3%,H₂/CO比为1.32;相比于传统固定床,两段式固定床气化可明显提高气化温度、氢气的体积分数、碳转化率和气化效率,降低焦油含量。     

松木粉气流床气化特性实验研究

在气流床气化实验装置上进行了松木粉气化特性的研究。考察了温度、氧当量比、水蒸气配比对气体产物的成分、气化特性和固体产物的微观形态及成分的影响,结果表明,随着温度的升高,CO与H₂浓度显著升高,CO₂与CH₄浓度明显下降,碳转化率、产气率、产气热值有所提高;氧当量比从0.2上升至0.5时,CO与H₂浓度降低超过10%,CO₂浓度则上升100%以上,碳转化率提高至92.9%,产气率有所上升,而产气热值则降低超过20%;水蒸气配比从0增大至0.58时,H₂/CO体积比由0.63提高为1.40,碳转化率、产气率和产气热值均呈现先增大后减小趋势。由SEM照片可以看出,固体残渣主要由类球状或块状结构与纤维团聚结构两部分组成。温度升高使残渣颗粒由呈现不规则形状逐渐向球形转化,氧当量比的增大使残渣中类球状颗粒表面孔洞与裂缝明显增多直至破碎。     

福建无烟粉煤纸浆黑液富氧流化床催化气化研究

在实验室小型流化床反应器中研究了福建龙岩无烟粉煤纸浆黑液富氧催化气化的特性，考察了纸浆黑液催化剂添加量不同时氧体积分数变化对碳转化率、产气率、煤气组成与热值的影响。结果表明，纸浆黑液催化和富氧气体燃烧的双重作用明显地提高了煤的碳转化率和煤气有效组成；纸浆黑液中钠碱对煤焦气化的催化与对煤灰分中SiO2和Al2O3等氧化物的熔制反应同时发生并存在着竞争；纸浆黑液中钠碱对高温碳与气化剂之间多种反应表现出不同程度的促进。龙岩无烟粉煤在纸浆黑液富氧催化气化时适宜操作条件是氧的体积分数40％和蒸汽/富氧比为1.4kg/m3～2.0kg/m3。碳转化率94％、煤产气率为3.62m3/kg、煤气热值为7.33mJ/m3。     

生物质流化床富氧气化的实验研究

在常压流化床装置上进行了生物质在富氧条件下定向气化的实验研究。实验主要考察了氧的当量比和氧体积分数对气化气组成、碳转化率和气体热值的影响。当量比值是与温度紧密联系的一个量，本实验主要通过调节进料量来改变它的值，随着当量比的变化（0.21～0.29），燃气成分也会改变，其中变化最大的是H2、CO。H2体积分数显著增加，CO和CH4体积分数有降低的趋势，使燃气热值降低；氧体积分数是富氧气化过程中较重要的参数，在实验研究的范围内，发现增大氧气体积分数可以提高H2体积分数及有利于调节H2/CO(体积分数)的比值。当氧气体积分数从21％提高到45％，H2体积分数从20％增加到27.7％，H2/CO(体积分数)从0.38增加到0.75，比较接近合成液体燃料的气体比值。     

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。     

煤和生物质共气化制备富氢气体的实验研究

在煤处理量为8kg/h的小型流化床反应器上,以富氧空气和水蒸气为气化介质,对煤和生物质共气化制取富氢燃气进行了实验研究。在850℃～1 050℃主要考察了空气当量比、水碳比、生物质比例和生物质种类对燃气组成和气体产率的影响。结果表明,对煤和稻草混合体系,稻草质量比为33%时,空气当量比增加,CO2含量显著增加,H2、CO和CH4含量减少,气体产率增加;水碳比增加,CO2和CH4含量增加,CO和H2含量减小,气体产率先增加后减小;生物质比例增加,CO2、H2和CH4含量增加,CO含量降低,气体产率先增加后减小,当生物质比例小于50%时,可以实现体系的稳定运行。对于三种不同的煤与生物质混合体系,煤与高粱秆共气化所得煤气中H2含量最高,气体产率的顺序为:煤/木屑煤/高粱秆煤/稻草煤。实验中H2在煤气中的体积分数最高可达37.25%,最大产率为0.54m3/kg。     

生物质在流化床中的空气-水蒸气气化研究

以流化床为反应器，对生物质的空气-水蒸气气化特性进行了研究。考察了一些主要参变量，如温度 (700 ℃～900 ℃)、水蒸气/生物质比(0～4.04)、空气当量比(0.19～0.27)以及生物质粒度(0.2 mm～0.9 mm)等对气化结果的影响。在实验研究的条件范围内，生物质产气率在1.43 m3/kg～2.57 m3/kg范围内变化，产气的低热值在6 741 kJ/m3～9 143 kJ/m3范围内变化。实验结果表明：较高的气化温度有利于氢的产生；但气化温度过高会使气体热值下降；与常规的空气气化相比，水蒸气的加入使生物质气化产气率显著提高，但水蒸气加入量过多使气化温度下降，产气率和产气热值降低；生物质颗粒粒度的大小对产气组分的分布和产气率均有影响，较小颗粒的生物质会产生较多的CH4、CO和较少的CO2。     

工业废液碱对福建无烟煤水蒸气催化气化的实验室研究

在Φ28mm的反应管中，采用工业废液碱用于福建无烟煤固定床水蒸气气化实验。结果表明，该废液碱对福建无烟煤气化有很强的催化活性。在添加3％－12％废液碱的情况下，碳转化率均比无催化剂时增加2.55倍－3．93倍，明显大于添加以Na2CO3为催化剂的碳转化率。同时该废液碱对煤气组成，产气量和煤气热值均有明显提高。在催化气化的同时加入适量的脱碱剂可极大地降低灰渣中的含碱量。     

高变质福建无烟煤连续流化床混合气催化气化

连续流化床（内径123mm、高1．2m）中，采用工业纯碱（碳酸钠）为催化剂进行了高变质程度无烟煤一福建永安煤（低挥发分k=5．47％、高灰Aad=29．45％）混合气（空气／水蒸气）催化气化的研究，考察了催化剂质量分数、气化温度、水汽比等操作参数的影响。实验结果表明，工业纯碱作为催化剂添加5％可使碳转化率增加3倍，实现了煤的高效转化；气化温度有明显催化气化促进作用，超过900℃时，流化床内易结渣。从同时满足高产气率及高煤气热值两个指标出发，在适宜操作条件（碳酸钠质量分数5％、850℃～880℃、适宜水汽比）下，产气率提高2倍，从无催化剂时的2．13m^3／kg～2．15m^3／kg提高到4．2m^3／kg～5．1m^3／kg；煤气热值提高5倍，从1．0MJ／m^3左右提高到5．0MJ／m^3；表明工业纯碱进行高变质福建无烟煤流化床混合气催化气化具有重要的工业应用价值和现实的开发意义。     

有氧烘焙对生物质气化及碱金属迁移转化特性的影响

本工作研究了有氧烘焙对玉米秸秆组成成分、烘焙产率、化学结构及微观结构等理化特性及气化特性的影响,同时考察了玉米秸秆烘焙及气化过程中碱金属的迁移转化规律。结果表明,烘焙可有效提高玉米秸秆中固定碳含量,降低H/C、O/C。相较于惰性烘焙,有氧烘焙具有更好的提质效果,结合H/C、O/C、质量产率和能量产率发现,氧气体积分数为6%时较合适。烘焙玉米秸秆气化气中CO含量、气体产率及热值随烘焙气氛中氧气含量的增加呈先上升后下降的趋势,在氧气体积分数为6%时气化品质相对较好,此时气体组分中CO体积分数为14.73%、气体产率达到1.09 L/g、气体热值达到4.93 MJ/m³。烘焙过程中碱金属在玉米秸秆中富集,并促进部分水溶态钾向醋酸铵溶态钾转化,有助于气化过程中生成更多不溶态钾,且有氧烘焙促进作用更明显。研究结果可为生物质有氧烘焙提质及气化产气的技术推广提供基础数据及技术支持。     

O2/CO2气氛下CO2和H2O气化反应对煤及煤焦燃烧特性的影响

利用热天平对比研究了大同煤及煤焦在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的燃烧行为,探讨CO₂和H₂O气化反应对其富氧燃烧特性的影响。结果表明,在5%氧气浓度下,煤粉在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的燃烧速率按顺序依次降低。氧气浓度降低到2%,由于CO₂和H₂O气化反应的作用,煤粉在高温区的整体反应速率按顺序依次增大。当氧气浓度为5%时,煤焦在O₂/CO₂中的燃烧速率要低于O₂/N₂中的燃烧速率,但燃烧反应推迟后气化反应的参与使得煤焦在O₂/H₂O/CO₂中的整体反应速率显著升高。当氧气浓度降低到2%后,随着温度的升高,在CO₂气化反应的作用下,煤焦在O₂/CO₂中的整体反应速率逐渐高于O₂/N₂中的燃烧速率。在O₂/H₂O/CO₂中,由于H₂O在共气化中起主要作用,煤焦在O₂/H₂O/CO₂高温区的整体反应速率进一步升高。动力学分析表明,在5%氧浓度时,煤焦在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的表观活化能依次升高。随着氧气浓度的降低,在不同反应气氛中的表观活化能均有所下降。     

富氮多级孔炭材料的制备及其吸附分离CO2的性能

使用新型含氮聚合物席夫碱为炭源, SBA-15为模板,通过纳米铸型法原位合成微孔-中孔-大孔串联的多级孔富氮炭材料.材料的比表面积为752 m²·g^-1,孔容0.79 cm³·g^-1; X光电子能谱分析表明炭材料中的氮含量高达7.85%(w).将所制备的多孔炭材料应用于CO₂的吸附分离,发现炭材料的微孔发挥主导作用,表面氮掺杂发挥辅助作用.在两者的协同作用下, CO₂吸附量在常压、273 K下可达97 cm³·g^-1, CO₂/N₂和CO₂/CH₄的分离比(摩尔比)分别为7.0和3.2,低压亨利吸附选择性分别为23.3和4.2.采用Toth模型对单组分平衡吸附进行拟合,并根据理想溶液吸附理论(IAST)预测双组分CO₂/N₂和CO₂/CH₄混合气体的分离选择性分别为40和18.     

芦苇浆黑液在流化床上的热解实验研究

为了掌握芦苇浆黑液的热解行为,利用流化床在530、580、630、680、730和780 ℃ 六个床温下对芦苇浆黑液在氮气氛围下的热解过程进行了实验研究,分析了床温对气相产物、碳的转化率、NO_x和SO₂的排放浓度、焦油成分和热解焦微观形貌的影响。结果表明,热解气中的主要成分为CO、CH₄、CO₂和H₂,床温的升高有利于H₂和CO的生成,而不利于CH₄和CO₂的生成;可燃气体积分数随着床温的升高而升高,其值从59.2%(530 ℃)升高到66.1%(780 ℃);床温较高时,热解产生的焦油量较少,其中,多环芳烃化合物的相对含量较多,该值在780 ℃时最高为46.88%。     

Gas transport property of polyallylamine–poly(vinyl alcohol)/polysulfone composite membranes

Polyallylamine (PAAm) was synthesized by free radical polymerization and characterized by Fourier transform infrared resonance (FT-IR) spectroscopy, hydrogen nuclear magnetic resonance (¹H NMR) spectroscopy and differential scanning calorimetry (DSC). The composite membranes were prepared by using PAAm–poly(vinyl alcohol) (PVA) blend polymer as the separation layer and polysulfone (PSF) ultrafiltration membranes as the support layer. The surface and cross-section morphology of the membrane was inspected by environmental scanning electron microscopy (ESEM). The gas transport property of the membranes, including gas permeance, flux and selectivity, were investigated by using pure CO₂, N₂, CH₄ gases and CO₂/N₂ gas mixture (20 vol% CO₂ and 80 vol% N₂) and CO₂/CH₄ gas mixture (10 vol% CO₂ and 90 vol% CH₄). The plots of gas permeance or flux versus feed gas pressure imply that CO₂ permeation through the membranes follows facilitated transport mechanism whereas N₂ and CH₄ permeation follows solution–diffusion mechanism. Effect of PAAm content in the separation layer on gas transport property was investigated by measuring the membranes with 0–50 wt% PAAm content. With increasing PAAm content, gas permeance increases initially, reaches a maximum, and then decreases gradually. For CO₂/N₂ gas mixture, the membranes with 10 wt% PAAm content show the highest CO₂ permeance of about 1.80 × 10⁻⁵ cm³ (STP) cm⁻² s⁻¹ KPa⁻¹ and CO₂/N₂ selectivity of 80 at 0.1 MPa feed gas pressure. For CO₂/CH₄ gas mixture, the membranes with 20 wt% PAAm content display the highest CO₂ permeance of about 1.95 × 10⁻⁵ cm³ (STP) cm⁻² s⁻¹ KPa⁻¹ and CO₂/CH₄ selectivity of 58 at 0.1 MPa feed gas pressure. In order to explore the possible reason of gas permeance varying with PAAm content, the crystallinity of PVA and PAAm–PVA blend polymers was measured by X-ray diffraction (XRD) spectra. The experimental results show an inverse relationship between crystallinity and gas permeance, e.g., a minimum crystallinity and a maximum CO₂ permeance are obtained at 20 wt% PAAm content, indicating that the possibility of increasing CO₂ permeance with PAAm content due to the increase of carrier concentration could be weakened by the increase of crystallinity.     

三通道气相色谱法监测大气中CH_(4)、CO、CO_(2)、N_(2)O和SF_(6)北大核心CSCD

我国正处于“碳达峰、碳中和”的关键时期,准确认识我国温室气体浓度时空格局以及变化对于评估“碳达峰”和“碳中和”行动成效非常重要。当前我国近地面温室气体高精度监测主要依赖进口的光学监测主机,单台仪器成本高且监测要素有限。为此,该研究基于传统的气相色谱法,自主设计了一套三通道气相色谱分析系统,在单台仪器上实现了5种主要长寿命温室气体(CH_(4)、CO、CO_(2)、N_(2)O和SF_(6))的高精度监测。对该系统的精密度、线性响应情况和准确度进行的针对性测试实验表明系统检测性能满足世界气象组织/全球大气观测(WMO/GAW)质控标准。针对环境浓度的CH_(4)、CO、CO_(2)、N_(2)O和SF_(6)的连续分析精密度分别达0.08%、1.90%、0.05%、0.08%、0.66%。准确度测试中,5种气体(CH_(4)、CO、CO_(2)、N_(2)O和SF_(6))使用回归方程计算所得值与标称摩尔分数间的偏差分别达0.15×10-9、0.20×10-9、0.37×10-6、0.35×10-9、0.02×10-12(摩尔分数),CH_(4)、CO、CO_(2)、N_(2)O和SF_(6)仪器响应值与标称摩尔分数的线性拟合相关系数(R2)均为0.9999,线性拟合残差和准确度基本达到WMO/GAW拓展质控目标。该系统对杭州城区大气温室气体在线连续监测结果显示,2021年5~7月期间大气CH_(4)、CO、CO_(2)和N_(2)O呈明显的日变化特征,主要受人为活动影响。综合测试和试运行结果表明,该研发系统具备良好的精密度、准确度、线性和稳定性,与目前国内广泛进口的仪器相比,具有技术自主可控、运行成本更低、自动化水平更高等优势,能满足多种温室气体在线监测研究的需求。     

浓凝胶转换法制备纳米SAPO-34及其CH4/N2吸附分离性能研究

通过浓凝胶转换法合成了一种厚度约为50 nm, 大小约为200 nm的纳米片状SAPO-34分子筛, 经XRD, SEM, ICP和氮气(77 K)吸附-脱附等方法对其进行了表征, 结果显示, 相比于微米级立方体形的SAPO-34 (2 μm), 本文合成的纳米片状SAPO-34表现出更高的比表面积(818.68 m²/g)和孔容(0.57 cm³/g). 比表面和孔容积的增大使其气体吸附容量得到较大的提升, 其中CH₄的吸附容量达到25.74 cm³/g, 提升了60%, 高于绝大多数分子筛吸附剂, 同时CH₄/N₂的吸附选择性未出现明显下降(3.1), 且达到商用吸附剂水平(＞3.0). 通过CH₄/N₂(体积比1∶1, 298 K)混合气体穿透测试证明所合成的纳米SAPO-34是一种有效的CH₄/N₂分离吸附剂, 在煤层气富集脱氮工业中具有极大的应用潜力.     

新型类沸石金属-有机骨架材料用于天然气中CO2的分离

研究了在usf型类沸石金属-有机骨架材料(usf-ZMOF)中不同金属离子(Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Al³⁺)对天然气分离(以CO₂/CH₄, CO₂/H₂, CO₂/N₂为研究对象)的不同影响. 结果表明, 此类材料对于3种体系的分离选择性均高于现有材料. 其中性能最好的是Al-usf-ZMOF, 其对CO₂/CH₄, CO₂/N₂和CO₂/H₂的分离选择性分别为290, 1700和16800. 同时, 对于经不同的离子交换后的usf-ZMOF, 吸附选择性随着离子电荷值的增加而增大; 对于同一主族的离子, 选择性随着原子序数的增加而减小. 而上述现象的产生是由阳离子和CO₂间的强静电作用所致.     

制备方法对 Ni-Al2O3催化剂在 CO2-CH4重整反应中 催化性能的影响

为提高镍基催化剂的干法重整活性,采用溶液燃烧法、等体积浸渍法、胶体磨循环浸渍法和水热-沉积法制备了SCM、IMP、T310和HTP四种催化剂,在800 ℃考察了其在CO₂-CH₄重整反应中的催化性能,并结合ICP-AES、N₂吸附-脱附、XRD、H₂-TPR和TEM等表征手段对催化剂进行分析。结果表明,水热-沉积法和胶体磨循环浸渍法制备的催化剂比表面积较大,分别为190.83和182.21 m²/g,可为反应提供较多的接触面积,进而提高催化剂的初始活性(HTP试样CH₄和CO₂初始转化率相对较高,分别达85.15%和90.84%);而溶液燃烧法和等体积浸渍法制备的催化剂具有较多的NiAl₂O₄尖晶石,其还原峰面积占总还原峰面积90%以上,还原后可获得更多晶粒粒径更小的稳定活性组分Ni(SCM和IMP试样稳定性更好,反应50 h后活性超过HTP和T310试样,100 h后CH₄转化率方降至50%以下)。因此,决定催化剂稳定活性的更重要的因素应该是活性组分Ni晶粒粒径的大小及其抗烧结能力的强弱。     

不同气氛下煤连续热解产物的分配规律及产品品质分析

在连续进出料的流化床中研究了热解温度为850 ℃时,含有O₂、H₂、CO、CO₂、CH₄的反应气氛对热解产物分配规律及产品组成的影响。采用Raman、BET等测试方法对不同热解气氛下制得半焦的品质进行了评价,结合热重分析了影响半焦反应活性的因素。结果表明,无O₂气氛下,H₂与CO₂存在时降低了焦油产率,而CO与CH₄促进了焦油的生成。CH₄的裂解析碳使半焦产率上升。O₂的加入使CO₂、CO含量明显增加,半焦及焦油产率降低。N₂中引入O₂时,PAHs含量降低。CH₄促进了烷基萘与苯类的生成,CO则抑制酚类裂解生成苯类。CO₂的气化作用促进了微孔的生成,相应地,半焦的比表面积快速增加,半焦的反应活性也最高。CO歧化与CH₄热裂解产生的析碳堵塞了部分孔道,降低了比表面积。H₂与CH₄所产生的氢自由基能渗透到半焦内部,引起半焦结构的缩聚,进而影响氧化反应活性。