CaSO4氧载体煤基合成气化学链燃烧模拟研究

相对于金属氧载体, CaSO₄作为氧载体用于化学链燃烧,具有成本低、来源广泛和氧传递容量大等诸多优点,但是气相SO₂以及各种固相硫沉积物对CaSO₄用于化学链燃烧过程造成很大的障碍。基于热力学模拟,对CaSO₄氧载体与以合成气为燃料的化学链燃烧进行了模拟研究,结果表明就CaSO₄与合成气的反应而言,在燃料反应器中, 100℃～400℃的低温反应条件下,主要发生的是合成气中CO和H₂的甲烷化反应以及硫酸盐热化学还原反应,反应产物主要是H₂S和CaCO₃;在400℃～915℃,主要发生的是CO和H₂与CaSO₄的还原反应,还原产物是CaS和CO₂;当反应温度高于915℃时,诸多副反应开始发生,反应物相除了CaS和CO₂外,CaO等副产物开始出现;而在空气反应器中,在CaS的整个氧化过程中,CaS再生形成CaSO₄的反应都是主要的,但是当空气过量系数Ф_AR<0.8时,CaSO₄与CaS的固相反应以及CaS氧化形成CaO的两个副反应也同时起作用。在燃料反应器中,最优的反应条件是反应温度915℃、常压并严格控制CaSO₄ 的加入量并确保CaSO₄氧载体过量系数Ф_FR~1;而在空气反应器中,提供充足的空气量对于CaS的氧化非常重要,空气过量系数Ф_AR ≥1不仅能确保CaS的充分氧化,而且还能避免CaS氧化过程中SO₂的排放和CaO的产生。     

基于钾基修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧循环实验

对天然的铁矿石加以钾基修饰,在流化床上进行了煤化学链燃烧循环实验。研究了改性后的铁矿石对气体产物浓度及含碳气体体积分数影响的持续力。钾基铁矿石缩短了反应时间并明显提高了CO₂浓度;在20次循环中,钾基铁矿石能明显提高CO₂体积分数并降低CO体积分数,11次循环后,CO₂体积分数稍有减少,CO体积分数略有增加。借助于扫描电镜与电子能谱(SEM-EDX)和X射线衍射(XRD),对不同循环后的载氧体进行表征。与纯铁矿石相比,前10次循环钾基铁矿石载氧体表面严重烧结,20次循环之后烧结减轻,恢复多孔结构。结果表明,钾基铁矿石载氧体中KFe₁₁O₁₇或其衍生物对煤气化有催化作用;在20次循环中存在钾流失现象;20次循环后钾基铁矿石载氧体能完全氧化为Fe₂O₃。     

CaO加入条件下煤与CaSO_4氧载体化学链燃烧的反应性能研究

以小型流化床为反应器、水蒸气为气化介质,在CaSO4氧载体中加入CaO颗粒进行煤气化—氧载体还原反应实验。实验结果表明,添加CaO改善了煤气化—CaSO4还原反应性能,提高了煤气化—CaSO4还原反应速率和CO2生成速率。但CaO添加剂的催化作用随反应温度的提高而减弱。900℃是较适宜的反应温度,此温度下加入适量CaO(CaO/CaSO4物质的量比1.18),气态硫化物释放得到显著抑制,SO2和H2S降幅分别为63.19%和27.37%;同时,还能控制CO2被吸收固化成CaCO3的比例低于2%。     

气体燃料化学链燃烧技术中的溶胶凝胶Ni基氧载体研究

高性能氧载体是实现具有CO2富集特性的化学链燃烧技术的关键。选用Ni(NO3)2和Al(OC3H7)3为主要原料,匹配合适的实验操作参数,通过溶胶 凝胶法制备了NiO/NiAl2O4氧载体,其中60%NiO含量、1300℃烧结6h的该种氧载体物化指标较好。在热重分析上研究了NiO/NiAl2O4氧载体与甲烷/空气的还原 氧化反应性,利用XRD、SEM和BET对反应前后的氧载体进行表征。结果表明,制备的氧载体具有良好的还原 氧化反应循环能力。随着循环次数的增多,每次还原阶段被还原的程度缓慢加深,每次氧化阶段被氧化的程度逐渐下降,且还原加深幅度和氧化下降的幅度均逐渐减小,整体上其循环反应性呈缓慢增加的趋势。循环反应过程中,氧载体颗粒间无任何烧结,仍然保持为多孔结构。这些结果初步证明采用溶胶凝胶法制备的NiO/NiAl2O4氧载体具有实现气体燃料化学链燃烧技术的可行性。     

焦油模型化合物与铁基氧载体的反应特性研究

本研究以生物质/煤的焦油模型化合物(TMCs)为研究对象,在两阶段固定床实验上探究了铁基氧载体(70%Fe₂O₃/30%Al₂O₃)对TMCs的转化特性,考察了不同TMCs的反应性及其转化的影响因素。研究发现,TMCs与氧载体的反应活性为：苯酚>蒽>萘,且苯酚转化生成积炭的比例最多(64%),而萘转化生成积炭的比例最少(40%);氧载体与萘的反应程度相对较高,但容易导致氧载体的烧结。此外,积炭表征显示萘生成的积炭在三种TMCs中具有最高的稳定性。增加氧载体的用量和提高反应温度不仅有利于萘和蒽的进一步转化,而且能够增加气相产物中CO₂的分率。由于苯酚分子具有较高的反应活性及较强的裂解效果导致其转化率随氧载体用量和反应温度的增加变化较小,然而,较高的反应温度(1000℃)导致焦油发生严重的裂解现象并产生大量积炭。三次循环实验结果表明与萘反应的氧载体失活最为严重。     

K_xFe_yO_z对煤化学链催化燃烧性能影响研究

以廉价的钙铝水泥作为载氧体制备过程的载体,并以机械混合-挤压成型造粒法制备了基于Fe2O3为载氧体活性相、钙铝水泥为载体的新型载氧体。在单流化床反应器上研究了钙铝水泥添加比例以及钾添加剂对合成载氧体的化学链燃烧性能的影响。研究结果表明,合成载氧体中载体以Ca2Al2SiO7形式存在,钾的添加显著提高了煤气化反应速率以及煤转化速率,钾在稳定相中以K2Fe22O34存在。K2Fe22O34在煤化学链燃烧过程的催化性能体现在其作为储钾相与KFeO2相的形态转变过程中。     

惰性载体对CaSO4载氧体化学链燃烧性能的影响

为提高化学链燃烧中CaSO₄载氧体的机械强度和反应活性,采用机械混合法制备了负载甘油、硅溶胶以及拟薄水铝石惰性载体的CaSO₄载氧体,并对其机械强度、反应特性等进行了实验研究。结果表明,甘油和硅溶胶的加入可显著提高CaSO₄载氧体的机械强度,而拟薄水铝石作用较小。热重还原实验表明,甘油和硅溶胶的加入可加快载氧体与甲烷的反应速率,缩短反应时间。XRD分析表明,惰性载体的加入不会影响CaSO₄向CaS转化,CaSO₄接近完全转化。     

铁矿石载氧体化学链燃烧高温还原表征

基于热重分析仪研究了950℃下天然赤铁矿石载氧体与H2还原反应过程中的反应性能,并借助于X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜与电子能谱(SEM-EDS)联用,对还原反应固体产物进行了表征.研究表明,950℃下载氧体反应速率最大值出现在转化率为0.11时,此阶段主要是由Fe2O3完全转化为Fe3O4,反应很容易进行.随后反应...     

基于镍基载氧体的串行流化床煤化学链燃烧实验

以NiO/Al₂O₃为载氧体,在1 kW_th串行流化床反应器上进行了煤化学链燃烧实验,通过四个参数:碳转换效率η_C,coal、煤气化产物的转换效率、碳捕集效率η_C,cap及煤燃烧效率η_combust对煤燃烧过程进行表征,考察了燃料反应器温度t_FR、过量空气系数α、隔离器水煤比S_LS/C、燃料反应器水煤比S_FR/C和热负荷等参数的影响。结果表明,t_FR和S_LS/C的增大有利于煤气化产物的转换;t_FR、α和S_LS/C的增大有助于η_C,coal的提高,随着S_FR/C由0.8增加到1.8,η_C,coal呈先增加再减小的趋势,并在S_FR/C=1.2达到最大值;η_combust和η_C,coal变化趋势保持一致,主要受飞灰含碳量中残碳损失的影响;t_FR提高有助于提高η_C,cap,而α和S_LS/C的增大使得η_C,cap降低。     

Mn-Fe_2O_3载氧体作用下CO化学链燃烧特性及动力学研究

采用共沉淀法制备不同物质的量比Mn掺杂的铁基载氧体(Mn-Fe2O3),并进行XRD、BET和TEM表征。开展不同温度下Mn-Fe2O3与CO的化学链燃烧实验,研究载氧体的反应特性,确定较优的掺杂量和反应温度。结果表明,适量的Mn掺杂有助于改善铁基载氧体的反应活性,Fe∶Mn物质的量为50∶1时燃烧反应转化率最高。多循环化学链燃烧实验证实了载氧体稳定性较好。不同升温速率(30、40、50℃/min)下反应动力学分析表明,Mn-Fe2O3与CO的化学链燃烧还原反应均属于随机成核和随后生长的Avrami-Erofeev方程模型,并依据模型分别计算出了该模型的活化能和频率因子。     

Application of Fe2O3/Al2O3 Composite Particles as Oxygen Carrier of Chemical Looping Combustion

Chemical looping combustion (CLC) of carbonaceous compounds has been proposed, in the past decade, as an efficient method for CO2 capture without cost of extra energy penalties. The technique involves the use of a metal oxide as an oxygen carrier that transfers oxygen from combustion air to fuels. The combustion is carried out in a two-step process: in the fuel reactor, the fuel is oxidized by a metal oxide, and in the air reactor, the reduced metal is oxidized back to the original phase. The use of iron oxide as an oxygen carrier has been investigated in this article. Particles composed of 80 wt% Fe2O3, together with Al2O3 as binder, have been prepared by impregnation methods. X-ray diffraction (XRD) analysis reveals that Fe2O3 does not interact with the Al2O3 binder after multi-cycles. The reactivity of the oxygen carrier particles has been studied in twenty-cycle reduction-oxidation tests in a thermal gravimetrical analysis (TGA) reactor. The components in the outlet gas have been analyzed. It has been observed that about 85% of CH4 converted to CO2 and H2O during most of the reduction periods. The oxygen carrier has kept quite a high reactivity in the twenty-cycle reactions. In the first twenty reaction cycles, the reaction rates became slightly higher with the number of cyclic reactions increasing, which was confirmed by the scanning electron microscopy (SEM) test results. The SEM analysis revealed that the pore size inside the particle had been enlarged by the thermal stress during the reaction, which was favorable for diffusion of the gaseous reactants into the particles. The experimental results suggested that the Fe2O3/Al2O3 oxygen carrier was a promising candidate for a CLC system.     

Cu修饰的Fe2O3/Al2O3氧载体的循环反应稳定性研究

采用冷冻干燥法制备了经Cu修饰（10%）的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体。利用热重分析仪分别在850、900和950 ℃等温环境下,使氧载体交替接触还原气体和氧化气体,来模拟氧载体在化学链燃烧中的循环过程。结果表明,经Cu修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体在850和900 ℃下的等温循环过程中反应性能都很稳定,在950 ℃时的循环反应前期有微量烧结,但在循环后期反应性能也很稳定。随着反应温度的升高,氧载体氧化速率增大,还原速率和载氧率先减小后增大。与未经修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体相比较,在900 ℃下作等温循环实验,经Cu修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体具有较高的载氧能力和还原速率,但氧化速率较低;两者都具有较好的循环稳定性。     

Fe2O3/Al2O3氧载体用于甲烷化学链燃烧：负载量与制备方法的影响

以不同方法制备了系列Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体,采用XRD、H₂-TPR、CH₄-TPR、O₂-TPD和BET等分析技术对氧载体进行了表征。研究了不同Fe₂O₃负载量氧载体的甲烷化学链燃烧性能,考察了不同制备方法对Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体结构、反应性和产物选择性的影响。结果表明,Fe₂O₃负载量对氧载体活性及产物中CO₂选择性的影响较大,负载量较低时氧载体活性较低且引起甲烷部分氧化产物CO含量增加。制备方法亦对氧载体与甲烷的反应活性有所影响,整体上共沉淀法制备的质量分数60％Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体具有较高的氧化活性和化学链循环稳定性。其在反应温度850℃、反应时间15 min、30次循环后甲烷转化率及产物中CO₂选择性均未见明显降低。     

K2CO3修饰的铁锆复合氧载体-煤焦化学链气化制氢反应特性研究

以K₂CO₃修饰的Fe₂O₃和ZrO₂复合型氧化物为氧载体(K3-Fe70Zr30),在固定床装置上考察了温度和原料配比对煤焦化学链制氢过程中产气率及组成的影响。程序升温实验结果表明,煤焦与氧载体500 ℃时开始反应,温度高于750 ℃时反应速率快速增大;而还原态氧载体与水蒸气400 ℃时开始反应,当温度高于500 ℃时出口氢气浓度明显增大。恒温实验表明,随温度升高,产品气中CO/CO₂体积比增大,导致产氢量降低。随煤焦与氧载体比例增加,产品气体中CO/CO₂体积比增加,而产氢量先增大后降低,其最大值可达1.734 L/g。K3-Fe70Zr30氧载体在前两次循环能维持良好的反应活性,但在第3次循环反应中活性降低,而重新添加K₂CO₃之后氧载体活性恢复,表明氧载体活性降低主要是由于K₂CO₃的流失所致。     

基于镍基修饰的铁矿石载氧体煤化学链燃烧实验

使用1 kW_th串行流化床反应器,研究了以铁矿石为载氧体以及对铁矿石进行镍基修饰情况下煤化学链燃烧特性,对两种修饰方法(机械混合和浸渍)进行了对比评价。结果表明,铁矿石载氧体具有良好的反应性能和稳定性,是实现煤化学链燃烧的一种比较理想的载氧体。向矿石中机械添加少量NiO/Al₂O₃载氧体,能够有效改善其反应活性,提高系统CO₂捕集率;采用浸渍法修饰的铁矿石载氧体煅烧后,总体微观孔隙结构变差,导致煤气化产物与载氧体间的反应无法充分进行,系统CO₂捕集率显著下降。浸渍修饰的方法和过程需要进一步的研究和改善。