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。     

煤和生物质化学链气化中铜基载氧体与灰分的碳热反应研究

从反应温度、灰的种类和灰的比例三个方面,对煤和生物质化学链气化过程中铜基载氧体与灰中矿物的碳热反应过程进行了研究;通过往复切换固定床的氧化还原气氛模拟化学链气化的循环过程,利用XRD和SEM-EDS等表征手段并结合热力学计算对产物进行分析。结果表明,灰中Fe_2O_3和Al_2O_3易与CuO/Cu_2O反应形成CuAl_2O_4、Cu_2Fe_2O_4和CuFe_2O_4等尖晶石结构的物质,而CaO能够通过阻碍Cu-Al和Cu-Si复合化合物的形成来缓解铜基载氧体的烧结。温度升高促使CuO极易与CaSiO_3和MgSiO_3等硅酸盐矿物发生固-固反应,生成CaCuSi_2O_6和CuMgSi_2O_6等而降低铜基载氧体的反应活性。随着灰分比例的增加,Ca~(2+)和Fe~(3+)等离子富集所生成的Ca_2Fe_9O_(13)易与SiO_2发生反应生成高熔点的CaFeSi_2O_6三相共熔体,与铜基载氧体共熔并覆盖在载氧体表面,阻碍其释氧性能。     

白松木屑半焦与褐煤共气化过程中的协同效应

对白松木屑在200、300和400 ℃下马弗炉烘焙预处理制得半焦,与胜利褐煤进行共气化研究. 傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析表明,200和300 ℃制得白松木屑半焦中主要含有―C―O―、―CH₃和―OH三种官能团,而400 ℃制得白松木屑半焦和褐煤结构相似,主要含有―C=C―、―C=O和―OH三种官能团,因此,随着预处理温度升高,生物质半焦中的官能团从单键转换成双键. 然后通过热重分析仪和固定床反应器对所制得的松木屑半焦、褐煤单独气化以及它们的共气化进行比较,两者的实验结果相吻合. 随着制备松木屑半焦的温度升高,生物质半焦单独气化的产气率也不断提高;200和400 ℃制得的松木屑半焦与褐煤共气化时具有协同作用,而且400 ℃半焦与褐煤共气化的产气率、碳转化率和协同效率均大于200 ℃半焦的;300 ℃半焦与褐煤共气化不存在协同作用,相反,它们之间存在抑制作用. 结合热重分析和固定床实验,推断协同气化主要是热解阶段松木屑半焦中碱金属和氢原子作用的结果.     

白松木屑半焦与褐煤共气化过程中的协同效应

对白松木屑在200、300和400℃下马弗炉烘焙预处理制得半焦,与胜利褐煤进行共气化研究.傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析表明,200和300℃制得白松木屑半焦中主要含有—C—O—、-CH3和-OH三种官能团,而400℃制得白松木屑半焦和褐煤结构相似,主要含有—C=C—、-C=O和-OH三种官能团,因此,随着预处理温度升高,生物质半焦中的官能团从单键转换成双键.然后通过热重分析仪和固定床反应器对所制得的松木屑半焦、褐煤单独气化以及它们的共气化进行比较,两者的实验结果相吻合.随着制备松木屑半焦的温度升高,生物质半焦单独气化的产气率也不断提高;200和400℃制得的松木屑半焦与褐煤共气化时具有协同作用,而且400℃半焦与褐煤共气化的产气率、碳转化率和协同效率均大于200℃半焦的;300℃半焦与褐煤共气化不存在协同作用,相反,它们之间存在抑制作用.结合热重分析和固定床实验,推断协同气化主要是热解阶段松木屑半焦中碱金属和氢原子作用的结果.     

白松木屑半焦与褐煤共气化过程中的协同效应

用环氧树脂E12为基体,配合酚类固化剂及其他助剂,经熔融共混制备出低温固化环氧粉末涂料。考察了固化剂、促进剂用量等对体系固化性能、附着力及耐冲击性的影响,并通过非等温差示扫描量热法及红外光谱研究了酚羟基/环氧体系的固化反应。实验结果表明:随着固化剂用量增加,涂膜耐冲击性能先提高后减小;随着促进剂用量的增加,体系固化温度降低,附着力和耐冲击性提高。固化剂、促进剂最佳用量分别为环氧树脂E-12用量的20%和2.0%。     

基于赤泥载氧体的蓝藻化学链热解和气化特性研究

本研究以高挥发分的蓝藻成型颗粒为对象,采用赤泥作为载氧体,开展蓝藻化学链热解和气化特性研究,考察赤泥载氧体对热解和气化行为的影响规律.基于流化床反应器,研究了不同温度(750-900℃)和不同比氧耗(0.1-0.7)下蓝藻成型颗粒化学链热解和气化过程中合成气组分分布、碳转化率和速率、有效合成气组分和合成气中H2/CO的...     

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。     

次烟煤与半焦富氧混燃特性热重分析（英文）

低阶煤与煤制半焦混燃对解决中国半焦过剩的问题具有重要意义。通过热重分析研究了准东次烟煤与烟煤半焦的富氧混燃特性。与空气气氛相比,富氧燃烧将着火温度和燃尽温度分别提高了10和40℃。氧气浓度提高到30%可以大幅补偿富氧条件下燃烧参数的轻微降低并获得更好的共燃性能。利用Flynn-Wall-Ozawa (FWO)、Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)和Starink法计算活化能,活化能随质量转化率的变化可分为两个不同阶段,次烟煤、混合燃料和半焦的平均活化能分别为49.31、50.82和59.00 kg/mol。计算了焓变、吉布斯自由能变和熵变等热力学参数,相互作用指数表明在共燃过程中两种燃料发生了明显的相互作用,动力学和热力学计算结果表明30%的半焦参比促进了共燃。同时,X射线荧光光谱（XRF）和灰熔融分析表明与半焦掺烧能降低次烟煤灰的结渣倾向。     

流化床气化炉半焦细粉水蒸气再气化特性及动力学研究

利用热天平考察了流化床气化炉半焦细粉的水蒸气再气化特性及其动力学,并与相应的自制半焦及脱灰半焦细粉进行了比较分析.结果表明,半焦细粉的再气化反应性随着温度的升高而增加.与自制热解半焦相比,半焦细粉的反应性较高,这主要取决于比表面积的影响,而不同细粉的气化反应性差异还与其石墨化程度和灰含量有关.在此基础上,利用缩核模型对半焦细粉的再气化行为进行了模型拟合并得到了动力学参数,从而为细粉的再气化提供了一定的理论指导.     

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。     

生物质灰添加对无烟煤煤焦气化特性的影响

以遵义无烟煤煤焦为气化原料,以稻草灰和棉秆灰为生物质灰添加剂,基于热重分析仪开展焦样-CO_2等温气化实验,以探究生物质灰添加对煤焦气化反应特性的影响,并基于气化过程焦样固体结构演变对其进行关联解释。研究表明,稻草灰和棉杆灰的添加有利于提高煤焦气化反应活性,这主要归因于生物质灰添加有利于气化过程煤焦活性矿物质含量增加和碳结构有序度降低。且稻草灰和棉秆灰的添加对焦样气化反应活性的增加幅度随气化温度升高而减小,这可解释为生物质灰添加对气化过程煤焦活性矿物质含量增加和碳结构有序度降低的幅度随气化温度升高而减小。此外,棉秆灰对煤焦气化反应活性的促进作用较稻草灰更为显著,这主要由于棉杆灰的添加对气化半焦中活性AAEM含量的增加作用以及碳结构石墨化进程的抑制作用更加明显。     

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。     

Chemical-looping gasification of biomass in a 10 kW_(th) interconnected fluidized bed reactor using Fe_2O_3/Al_2O_3 oxygen carrier

Abstract:The aim of this research is to design and operate a 10 kW hot chemical-looping gasification(CLG)unit using Fe2O3/Al2O3as an oxygen carrier and saw dust as a fuel.The effect of the operation temperature on gas composition in the air reactor and the fuel reactor,and the carbon conversion of biomass to CO2and CO in the fuel reactor have been experimentally studied.A total60 h run has been obtained with the same batch of oxygen carrier of iron oxide supported with alumina.The results show that CO and H2concentrations are increased with increasing temperature in the fuel reactor.It is also found that with increasing fuel reactor temperature,both the amount of residual char in the fuel reactor and CO2concentration of the exit gas from the air reactor are degreased.Carbon conversion rate and gasification efficiency are increased by increasing temperature and H2production at 870℃reaches the highest rate.Scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffraction(XRD)and BET-surface area tests have been used to characterize fresh and reacted oxygen carrier particles.The results display that the oxygen carrier activity is not declined and the specific surface area of the oxygen carrier particles is not decreased significantly.     

稻秆焦炭热解和CO2气化过程中碱金属和碱土金属的迁移

研究了稻秆焦炭中碱金属与碱土金属（AAEMs）在N₂热解和CO₂气化气氛下的迁移过程。通过对不同热处理时间的固相样品分析,得到了两种气氛下AAEMs的迁移规律,并讨论了CO₂气化气氛对AAEMs迁移的影响机理。在两种气氛下,K的释放比例都随热处理时间延长先快速增加,然后缓慢增加,而Ca和Mg的释放比例都很低。气化前期K的释放比例高于热解,气化后期K的释放比例与热解几乎相同。热解时,焦炭中酸溶K和Ca的比例先降低然后维持稳定,而酸溶Mg的比例几乎不变。气化时,酸溶K的比例先缓慢降低,然后迅速降低;酸溶Ca和Mg的比例则先增加后迅速降低。气化前期,酸溶AAEMs的比例要高于热解相同时间的焦炭样品;气化后期,酸溶AAEMs的比例则明显低于热解焦炭样品。CO₂通过与焦炭有机结构反应,促进了char-K的释放,提高了K的释放比例,也促进了难溶的有机结合的AAEMs分解为酸溶AAEMs;在焦炭气化后期,焦炭中的Si会与AAEMs反应生成难溶硅酸盐。     

Cu-橄榄石载氧体煤焦化学链气化实验研究

用浸渍法以橄榄石为载体负载CuO制备了Cu-橄榄石载氧体,并在固定床上开展了载氧体存在下煤焦的水蒸气气化实验。结果表明,提高气化温度和水碳物质的量比可以提高煤焦气化的碳转化率和合成气产率;增加载氧体CuO负载量和载氧体/煤焦质量比能提高碳转化率和水转化率,但会消耗产气中的合成气,导致合成气产率降低。高温再生后载氧体依然能保持活性,表明橄榄石载体抑制了Cu/CuO的烧结。载氧体经950℃再生八次后用于煤焦气化,实现碳转化率42.3%,水转化率57.3%,合成气产率2.12L/(g·h)。     

生物质焦的表征及其吸附烟气中汞的研究

选用四种生物质即稻杆(RS)、稻壳(RH)、松木屑(WC)和棉花杆(CS)制备了生物质焦,利用N₂吸附/脱附和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪,对制备的生物质焦的孔隙结构和表面化学性质进行了表征,分析生物质种类和制焦条件对生物质焦性质的影响。在固定床汞吸附实验台上研究了生物质焦的脱汞性能。结果表明,随着热解温度的升高,生物质焦的比表面积、微孔容积、分形维数等参数有先增大后减小的趋势。WC600、RS600、RH600均有较好的孔结构特性;热解温度升高,生物质焦表面官能团的数量和种类随之减少。不同生物质制备的焦样表面官能团的数量和种类差异较大。其中,RH600和RS600的表面官能团的种类比较丰富,而且含量相对较多。但WC600和CS600表面的官能团种类和数量都很少。生物质焦的单位汞吸附容量与其分形维数以及微孔容积之间并非简单的依附关系,其吸附能力还受含氧官能团等其他因素的影响。     

热解温度对生物质焦理化特性的影响

利用SEM、BET及TGA对在873、1 073和1 273 K下制得的麦秆焦的理化特性进行分析,进行了用制得的麦秆焦还原NO的实验,同时考虑了焦样及NO初始浓度对该反应的影响,得出了热解温度对麦秆焦的各种物理化学特性及其与NO反应活性的影响。结果表明,1 073 K焦样的孔隙特征最为发达,燃烧活性最高,并对应最高的NO还原效率。焦作用下NO的还原率随着焦样浓度的增大线性升高,而随着初始NO浓度的增大呈幂函数的规律下降。不同热解温度下麦秆焦样与NO的反应均在1 173 K附近存在动力学控制和扩散控制的转折温度;在动力学控制的反应温度范围内,热解温度对麦秆焦与NO反应活化能的影响不大(89.78~95.41 kJ/mol),其中,NO浓度项和焦浓度项的反应级数分别为0.89和1.00。