微型流化床反应分析仪中原位/非原位煤焦气化动力学研究

利用新开发的微型流化床反应分析仪(micro-fluidized bed reaction analysis, MFBRA) 考察了义马烟煤半焦的原位以及两种非原位半焦气化行为并测定了其动力学参数,其中,原位半焦气化是指煤热解温度和气氛与半焦气化过程一致,非原位半焦1气化是指煤在Ar气氛下热解,热态条件下直接在CO₂气氛下气化;非原位半焦2气化是指煤在Ar气氛下热解,冷却收集后再在CO₂气氛下气化。研究发现,原位半焦具有最大的比表面积和最小的平均孔径,石墨化程度最弱,且对CO₂的化学吸附能力最强,表面活性位点最多。在最小化气体扩散的实验条件下,原位半焦气化反应的反应速率明显比非原位半焦气化反应快,且求取的活化能数据较小。实验揭示了原位半焦和非原位半焦结构和反应性的差异,也证明了MFBRA对原位等温气化反应的适用性。     

微型流化床中的等温微分反应特性

利用自主研制微型流化床反应分析仪(MFBRA), 针对石墨燃烧反应研究该仪器的等温微分反应特性. 测试结果表明: MFBRA最大程度地抑制了内外扩散作用, 利用等温方法求算的石墨燃烧反应的活化能为160~170 kJ/mol, 指前因子106 s?1, 证明石墨燃烧符合成核与生长机理模型. 利用热重程序升温的测试结果与该MFBRA测试结果基本一致, 表明MFBRA所测试的石墨燃烧动力学参数及基于此分析建立的机理模型的准确性, 也证明了微型流化床反应分析仪具有等温微分反应特性. 对比热重非等温与MFBRA等温动力学求算方法还揭示了: 等温动力学方法可将反应速率常数和模型函数分离, 大大地简化了求算过程, 提高了动力学参数的准确性.     

棉秆半焦与载镍橄榄石固-固化学链反应动力学研究

本实验利用微型流化床反应分析仪(MFBRA)研究了棉秆半焦(CSC)与载镍橄榄石(Ni/olivine)的固-固化学链反应特性,利用模型拟合法在等温条件下对29种模型函数进行拟合计算,从中选取了最优的三种模型,计算出棉秆半焦和载氧体的固-固反应动力学。结果表明,CO和CO_2是CSC与Ni/olivine反应的主要气体产物,固-固反应过程中,先析出CO后再析出CO_2,CSC并不会完全转换成CO_2,产气中CO的浓度比CO_2大;随着反应温度的升高,产气中CO和CO_2的浓度和产率增加。CO、CO_2和CSC利用三种不同模型函数计算出来的活化能平均值分别为27.5、46.4和69.8 kJ/mol。利用热重研究了CSC和Ni/olivine非等温反应特性及动力学,结果表明,CSC和Ni/olivine的反应从750℃开始,在890℃时反应速率达到了峰值,非等温反应活化能为72.05 kJ/mol,这与MFBRA等温动力学活化能基本相似,说明生物质化学链气化过程中,半焦和镍基载氧体的固-固反应较容易发生。     

胜利褐煤半焦冷却处理对其微观结构及反应性能的影响

采用不同的冷却方式对胜利褐煤热解"热"半焦进行冷却处理,考查了冷却方式对半焦微观结构及反应性能的影响.利用特制两段新型石英反应器,在高纯氩气、400、600、800 ℃的条件下,对褐煤热解30 min制得的"热"焦,分别浸入室温、干冰及液氮环境中得到冷态半焦,然后在15%水蒸气、900 ℃、10 min的条件下对冷态半焦进行非原位气化反应.为了比较,同样热解条件下制得的"热"半焦不经冷却,通过直接切换反应气氛为15%水蒸气进行原位气化(气化条件与非原位气化相同).利用TGA、SEM、BET和Raman光谱仪对半焦反应性和微观结构进行表征和分析.结果表明,"热"焦的水蒸气原位气化半焦产率低于冷态半焦的非原位气化.冷却处理对半焦的孔结构影响较大,随着冷却速率的增大,半焦比表面积及总孔容积显著降低,但对半焦的化学结构(芳环体系和含氧官能团)的影响非常小.冷却速率越大,半焦的反应性越低,冷态半焦反应性能降低主要由于冷却对半焦孔结构造成的不可逆转的破坏.     

废轮胎热解半焦CO2气化反应动力学

利用热重－差热（TG－DTA）分析仪对废轮胎热解半焦进行气化反应的研究,反应气体为CO2,在20－1100度温度范围内以不同的加热速率（10℃/min,30℃/min,50℃/min对各种热解条件下制得的废轮胎半焦进行气化动力学研究,分析了升温速率,制焦条件等对半焦气化反应特性的影响,得到废轮胎热解半焦与CO2气化反应的动力学参数。建立了废轮胎半焦CO2气化反应一级动力学模型,模型与实验结果吻合良好。     

DAEM模型研究大同煤及其半焦的气化动力学

用热重法对大同煤及其在不同温度下所得的半焦在空气气氛中的气化行为进行了考察 ,并用分布活化能模型 (DAEM)对气化过程的动力学进行了解析 ,发现随着半焦中挥发分含量的减少 ,描述反应速率的Arrhenius曲线斜率逐渐接近于常数 ,即大同煤在高温区的Arrhenius曲线斜率。另外 ,通过不同煤种的对比气化实验 ,由DAEM模型所得的活化能分布曲线表明 ,当煤或半焦中挥发分量较高时 ,反应初期的活化能值变化规律不同于挥发分含量很少的半焦 ,挥发分含量越高 ,反应初期活化能的下降幅度越大。     

稻秆半焦与CO2气化反应特性的研究

利用三种热解炉装置,分别在热解终温550℃～950℃、加热速率0.1K/s～500K/s下热解制取稻秆半焦。采用等温热重法,在STA409综合热分析仪上进行了稻秆半焦与CO₂的气化实验,考察了热解终温、热解速率以及气化温度对半焦气化反应性的影响。研究表明,热解条件对稻秆半焦的反应性影响很大。在热解终温为550℃～950℃时,随着热解温度的提高,其气化反应性呈下降趋势;热解速率越高,其气化反应性越好。在850℃～950℃,提高气化温度能提高稻秆半焦与CO₂的反应性。采用扫描电镜技术观测了0.1K/s和500K/s 两种热解速率下半焦的表面形貌。结果显示,后者具有更加丰富的孔隙结构,且大孔结构明显多于前者。采用混合反应模型描述了稻秆半焦与CO₂的气化反应过程,求取了反应动力学参数。     

生物质半焦与煤混合气化协同作用的动力学研究

在热重分析仪上进行了稻秆半焦和神府煤与CO₂非等温混合气化实验,升温速率20℃/min,终温1200℃。实验结果表明,两种燃料在热解阶段符合加权计算规律,但是在超过800℃的高温气化阶段具有显著的协同作用。与不考虑协同作用的计算结果相比,添加稻秆半焦的煤焦气化反应速率提高,气化反应结束温度降低26℃,最大失重速率提高22%。协同作用的主要原因是稻秆半焦中碱金属具有催化作用,通过动力学分析表明混合气化活化能比煤焦单独气化要低。     

分布化能模型的理论及其在半焦气化和模拟蒸馏体系中的应用

通过对分布活化能模型所做的理论分析,给出了失重过程中活化能的解析表达式,阐明了失重实验中升温速率影响失重曲线的基本原理。按照本文给出的活化能求解方法,对大同煤半焦的空气气化动力学和煤焦油馏分的模拟蒸馏过程进行了分析,得到了半焦气化过程和模拟蒸馏过程的活化能变化曲线,与常规动力学分析结果的对比表明,新的DAEM方法能够很好地应用于简单反应体系。     

多孔物质气固反应动力学研究

利用自主研制的微型流化床反应分析仪（MFBRA）在等温条件下测试了高比表面活性炭氧化反应,并根据基于固体转化的热分析动力学方法及考虑气体在微孔内扩散与反应的应用化工动力学方法求算了动力学参数．在内外扩散抑制最小化的实验条件下,粒径小于5μm的活性炭在700-1000℃的燃烧反应动力学研究表明,根据微型流化床中实验数据,采用等温热分析动力学方法求算得内扩散控制区活化能约为95kJ／mol;弓l入化工动力学方法中的随机孔模型对低温区等温燃烧数据拟合,可得孔结构参数在0．17m^-3左右,反应活化能为178kJ／mol,约为内扩散反应活化能的两倍,最为接近本征的碳燃烧反应活化能．     

Catalytic gasification of Pakistani Lakhra and Thar lignite chars in steam gasification

采用热重法在常压与700℃~900℃条件下的水蒸气气化过程,对两种巴基斯坦Lakhra和Thar褐煤半焦进行了单一和混合催化剂(即3%钙和5%钠-黑液单一催化剂及一种3%钙和5%钠-黑液混合催化剂)对碳转化率、气化反应速率常数及活化能、有害污染含硫气体相对量的催化效应研究.两者Lakhra和Thar褐煤半焦经直接气化就可获得高的碳转化率,但采用纸浆黑液催化剂可使气化速率变得很快.含灰高的Thar褐煤半焦在纸浆黑液催化气化过程更易生成一些复杂的硅酸盐,从而导致比含灰低的Lakhra褐煤半焦出现一个更低的转化率.在水蒸气气化过程由半焦和纸浆黑液自身所产生的SO2 和 H2S含硫气体可为存在于纸浆黑液中的Ca盐所捕获而完成脱硫过程,但这一过程在低于900℃时更有效.缩芯模型 (SCM)可较好地用来关联转化率与时间的关系并给出不同温度下的反应速率常数k.基于阿累尼乌斯方程预测了反应活化能Ea 和指前因子A.在纸浆黑液和钙混合催化及纸浆黑液催化剂时,Lakhra褐煤半焦的Ea分别为44.7kJ/mol和 59.6kJ/mol明显小于Thar褐煤半焦的Ea=114.6kJ/mol 和 Ea=100.8kJ/mol,同样也小于无催化剂纯半焦气化时Lakhra褐煤半焦的Ea=161.2kJ/mol和Thar半焦的Ea=124.8kJ/mol.     

内在矿物对高灰褐煤CO_2气化的影响研究

利用分选结合逐级酸洗的方法制备出不同灰含量和矿物组成的褐煤煤样,使用沉降管反应器(DTR)和热重分析仪(TGA)研究内在矿物在1 000-1 200℃对褐煤CO_2气化的影响。结果表明,内在矿物对褐煤CO_2气化具有促进作用,且促进机制具有温度敏感性。低温时(1 000℃),内在矿物可通过增加初生半焦微晶结构的无序度,间接提高气化碳转化率。高温时(1 100-1 200℃),内在矿物通过催化煤焦气化,直接促进气化碳转化率的上升。碱性指数不适用于表征本研究的褐煤内在矿物的催化作用。Ca是内在矿物中影响整体催化能力的主要成分,而且羧酸盐形式的Ca是其中的活性组分。不同的催化机制是导致煤焦中钙的催化活性因其化学形式而异的根本原因。羧酸盐形式的Ca可降低煤焦气化反应的活化能,而CaO则提高反应的表观频率因子。     

玉米芯水解残渣热解焦气化反应性研究

利用热重分析仪研究了玉米芯及其酸水解残渣热解焦的气化反应性,重点考察了热解温度、升温速率、气化温度和气化介质(CO₂、H₂O)对残渣热解焦气化反应性的影响,并借助SEM观测了热解焦的表观形貌。结果表明,残渣热解焦的气化反应性较玉米芯热解焦有所下降;在热解温度550~850 ℃,残渣热解焦的气化反应性随热解温度提高而降低,在热解升温速率0.1 K/s下制取的热解焦,其气化反应性低于15.0 K/s下的热解焦;在气化温度850~950 ℃,提高气化反应温度和使用水蒸气作为气化介质能显著提高残渣热解焦的气化反应性;采用混合反应模型计算了残渣热解焦的气化反应动力学参数。     

中度气化煤焦异相还原NO机理

采用量子化学密度泛函理论结合热力学和动力学研究了中度气化的锯齿形煤焦异相还原NO的反应机理。分析了中度气化煤焦异相还原NO的反应路径、异相还原过程中的能量变化以及热力学和动力学分析。结果表明,中度气化煤焦更易于NO的吸附,IM2→IM3的开环过程为整个反应的决速步,所需克服能垒最大（398.03 kJ/mol）。中度气化煤焦异相还原NO的反应在煤燃烧系统中为可自发的放热反应,且为单向反应。根据决速步理论,反应的进行需克服较大活化能（389.83 kJ/mol）,同时根据阿伦尼乌斯公式,总体反应速率受温度影响较大,温度越高反应速率越快,越利于NO还原。     

神府烟煤焦与城市固体废弃物水热炭焦共气化反应特性的实验研究

基于常压热重分析仪(TG)开展了神府烟煤焦(SF char)、水热炭焦(HTC char)及其混合物等温CO_2气化实验以研究气化温度(800-950℃)、掺混比(3∶1、1∶1、1∶3)对共气化特性的影响,并探讨了气化反应活化能及其影响因素。结果表明,HTC因其较大的比表面积和较多的灰分而具有较强的气化活性。低HTC掺混比的混合物气化活性对温度变化敏感。低温下混合物的气化活性受HTC掺混影响显著。反应活化能随着反应转化率的增大而逐渐增大并趋于稳定。进一步研究表明,混合物的活化能与其掺混比以及活性矿物(K+Na)/Ca的物质的量比均存在近似线性关系。     

焦炭溶损反应动力学及其模型研究

利用未反应核收缩模型对高炉焦炭与CO2的反应动力学进行了研究，建立了以可测参数（R）表达的焦炭与CO2的反应动力学关系式。并对反应速率常数和有效扩散系数、表观反应活化能和有效扩散活化能及反应过程中各步骤阻力进行了分析。结果表明，（1）焦炭与CO2的反应符合未反应核收缩模型。（2）反应的表观活化能Ea=124.5kJ/mol，有效扩散活化能ED=642.4 kJ/mol；界面化学反应的阻力随反应温度升高而增加；残余灰层内的内扩散传质阻力相对比例随温度升高而下降。（3）焦炭溶损反应在低温区主要受内扩散控制，随着温度升高，反应由外扩散、化学反应和内扩散三步控制；当进入高温区，反应进行一段时间后主要受内扩散控制。     

氢气存在下的煤焦水蒸气气化: I 反应特性研究

分别以水蒸气/惰性气混合气、水蒸气/氢气混合气作为气化剂,在常压和875℃~950℃下,采用热天平对1200℃快速热解神府煤焦的气化反应特性进行了研究,并考察了气化过程中煤焦结构的变化及其对气化反应的影响。实验发现,煤焦在水蒸气/氢气作为气化剂条件下的气化反应过程可分为两个阶段,首先是反应急剧进行的阶段,然后是反应速率趋于稳定的阶段,且反应速率接近于石墨的反应速率。该现象与煤的化学结构有关,第一阶段气化剂与活泼性物质 碳氢支链、含氧官能团的反应,第二阶段气化剂与芳香碳的反应;煤焦在水蒸气/氢气气氛下,气化过程中的碳难以转化完全。神府煤焦的SEM表明,煤焦表面有大量的裂缝、孔隙、褶皱、及碎块。碎块表面光滑,这些物质覆盖了内部裂缝与孔隙。煤焦和水蒸气/氢气气化残焦（碳转化率68%）由于气化反应,其碎块减少,表面的大孔暴露出来。比较两种气化剂条件下的气化反应过程发现,水蒸气/惰性气气化反应速率随碳转化率的增加而缓慢均匀地下降;水蒸气/氢气气化反应速率随碳转化率增加先迅速降低,而后较缓慢降低。     

氢气存在下煤焦水蒸气气化： II 修正随机孔模型的建立

采用热天平对神府煤1200℃快速热解焦进行常压水蒸气/惰性气气化及水蒸气/氢气气化。考察神府煤焦在875℃~950℃时与水蒸气/惰性气的气化反应和水蒸气/氢气的气化反应特性,两者的特征曲线明显不同。不加氢的水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加缓慢而均匀地下降;加氢水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加先迅速降低,而后降低较缓慢。此种形式的气化曲线以往的动力学模型很难进行模拟,研究根据随机孔模型提出了一个新的气化动力学模型。此模型拟合的数据与实验数据比较,证明了修正的随机孔模型可以更好的模拟煤焦的加氢水蒸气气化,相关系数达到0.996以上。用修正模型求得的神府煤焦加氢水蒸气气化的活化能为251.990kJ/mol,指前因子为5.97877×10⁹min^-1。