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。     

负载碳酸钠煤焦催化气化反应特性研究

基于热重分析仪开展负载碳酸钠神府烟煤/遵义无烟煤煤焦气化实验,并借助扫描电子显微镜和孔结构及比表面积分析仪表征焦样孔结构及表观结构变化,考察了反应温度(650-800℃)、气化剂(水蒸气、二氧化碳)及碳酸钠负载量(钠离子负载量2.2%、4.4%、6.6%,质量分数)对神府烟煤/遵义无烟煤焦样气化反应活性的影响。结果表明,碳酸钠有利于促进神府/遵义煤热解过程孔隙结构的发展。在二氧化碳气氛下,适宜催化剂负载量使神府烟煤反应活性提高,过多负载催化剂堵塞煤焦内部孔隙结构,使得气化反应活性降低,遵义无烟煤反应活性随负载量增加而提高,两者反应活性均随温度升高而提高。在水蒸气气氛下,神府烟煤/遵义无烟煤在一定条件下反应活性随催化剂负载量增大、温度升高而提高。碳酸钠的添加能够在保证气化反应性的前提下降低气化反应温度和活化能。     

烟煤与生物质快速共热解产物特性分析

研究了烟煤(YL)分别与富含半纤维素的玉米芯(CB)和富含木质素的松木屑(SD)快速共热解产物产率和气体组成的变化规律。结果表明,烟煤与生物质共热解组分互相作用,造成共热解气、液、固相产率和气体组成的明显变化,且与生物质种类有关。相对于独立热解过程,玉米芯丰富的半纤维素造成热解水蒸气和CO₂浓度较高,且玉米芯中富含的K元素挥发迁移至煤焦表面,对热解半焦与水蒸气、CO₂的气化反应起到催化作用,反应生成的H₂和富氢组分易与热解生成的自由基结合,抑制自由基之间的缩聚反应,使得共热解气体和液体产率增加,而半焦产率减小。烟煤/松木屑共热解过程中,松木屑中富含的Ca元素在煤焦表面迁移,促进了松木屑热解液体在半焦表面裂解反应,生成CO₂、CO和富氢自由基等轻质组分,造成共热解半焦和液体产率降低而气体产率增加。热解产物半焦、焦油、水蒸气、CO₂之间的气化和裂解反应均产生富氢的次生组分,从而提高了共热解气体中CO和烃类气体产率,降低了H₂产率。     

神华煤直接液化残渣水蒸气和CO2气化反应性研究

分别对神华煤和神华煤直接液化残渣的水蒸气和CO₂气化反应性进行了研究。结果表明,水蒸气气化反应中,煤半焦的反应性强于残渣半焦;CO₂气化反应中,残渣半焦的反应性强于煤半焦。这主要是影响煤和残渣水蒸气和CO₂气化反应性的关键因素不同。水蒸气气化反应受煤化程度的影响较大,而CO₂气化反应受煤化程度的影响较小,受矿物质催化作用的影响大。     

CO_2对褐煤热解行为的影响

利用热天平和快速升温固定床进行了CO2气氛下褐煤热解特性的研究,考察了CO2对半焦的产率和气体产物分布的影响。通过对半焦的比表面积、孔结构、官能团和元素含量的分析,确定了CO2对煤热解过程的影响机制。CO2对新生半焦的气化反应破坏了含氢的半焦结构,一方面,促进了羟基、甲基、亚甲基等基团的断裂和苯环的开裂;另一方面,减弱H与其依附本体的结合,增加了氢的流动性,引发了更多的氢自由基生成。这些氢自由基与煤大分子断裂生成的碎片自由基结合生成更多的挥发分,使半焦有较大的比表面积、孔容和开孔率。CO2的引入促进了煤的热解和挥发分的生成,增大了H2、CO、CH4和C2H6等小分子烃类物质逸出,降低了半焦的产率。     

硝酸钙对内蒙古褐煤热解和气化特性的影响

在小型固定床反应装置上开展了内蒙古褐煤原煤(RC)和脱灰煤(DC)以及分别负载钙盐的煤样的热解实验,并对热解所得焦样开展了焦样与水蒸气气化反应的实验研究。结果表明,硝酸钙的添加对煤的热解和气化阶段均有影响。在热解阶段,硝酸钙的存在能显著改变主要气相产物H₂、CO₂和CO等组分的逸出规律和累积生成量;在气化阶段,作为催化剂的碱土金属,降低了焦样的气化反应活化能,更有利于气化反应的进行。     

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。     

加压下氢气对煤焦水蒸气气化反应的影响

在加压固定床微分反应器上对霍林河褐煤焦(HLH)、神木烟煤焦(SM)和晋城无烟煤焦(JC)与水蒸气/氢气混合气的加压气化反应特性进行了研究。结果表明,氢气对煤焦水蒸气气化反应具有明显的抑制作用,其抑制作用大小分别随氢气分压、总压和煤阶的提高而增强,而随反应温度升高而减弱;有氢气存在和无氢气存在时煤焦水蒸气气化反应过程都能用相同的动力学模型描述,有氢气存在时煤焦水蒸气气化的最终碳转化率低于纯水蒸气气化的最终碳转化率;氢气对煤焦水蒸气气化反应的抑制机理与氢气的分压范围有关,当氢气分压很低时,氢气的抑制作用主要是由于氢气离解生成的氢原子占据煤焦表面活性位所致,而当氢气分压很高时,氢气的抑制作用主要是由于氧交换反应的逆反应加强所致。     

High pressure performance of thin Pd–23%Ag/stainless steel composite membranes in water gas shift gas mixtures; influence of dilution, mass transfer and surface effects on the hydrogen flux

The hydrogen permeation and stability of tubular palladium alloy (Pd–23%Ag) composite membranes have been investigated at elevated temperatures and pressures. In our analysis we differentiate between dilution of hydrogen by other gas components, hydrogen depletion along the membrane length, concentration polarization adjacent to the membrane surface, and effects due to surface adsorption, on the hydrogen flux. A maximum H₂ flux of 1223 mL cm⁻² min⁻¹ or 8.4 mol m⁻² s⁻¹ was obtained at 400 °C and 26 bar hydrogen feed pressure, corresponding to a permeance of 6.4 × 10⁻³ mol m⁻² s⁻¹ Pa^−0.5. A good linear relationship was found between hydrogen flux and pressure as predicted for rate controlling bulk diffusion. In a mixture of 50% H₂ + 50% N₂ a maximum H₂ flux of 230 mL cm⁻² min⁻¹ and separation factor of 1400 were achieved at 26 bar. The large reduction in hydrogen flux is mainly caused by the build-up of a hydrogen-depleted concentration polarization layer adjacent to the membrane due to insufficient mass transport in the gas phase. Substituting N₂ with CO₂ results in further reduction of flux, but not as large as for CO where adsorption prevail as the dominating flow controlling factor. In WGS conditions (57.5% H₂, 18.7% CO₂, 3.8% CO, 1.2% CH₄ and 18.7% steam), a H₂ permeance of 1.1 × 10⁻³ mol m⁻² s⁻¹ Pa^−0.5 was found at 400 °C and 26 bar feed pressure. Operating the membrane for 500 h under various conditions (WGS and H₂ + N₂ mixtures) at 26 bars indicated no membrane failure, but a small decrease in flux. A peculiar flux inhibiting effect of long term exposure to high concentration of N₂ was observed. The membrane surface was deformed and expanded after operation, mainly following the topography of the macroporous support.     

含氧/蒸汽气氛中煤高温分解产物分布及反应性

在流化床反应器中考察了含氧/水蒸气气氛中煤在850 ℃下的热解特性,包括产物分布特性及生成的半焦与焦油的反应性,研究了温度、过量空气比(Equivalence ratio: ER)和水蒸气/煤比(S/C, 质量比)的影响。结果表明,随热解温度、ER和S/C质量比的增加,气体产率增加,而半焦和焦油产率减少。O₂的加入使CO₂、CO含量明显增加,H₂含量降低。O₂和水蒸气的加入使半焦的比表面积显著增加,半焦气化活性增强,但半焦在900 ℃和 ER 为0.22的条件下出现轻微石墨化,降低了其气化活性。同时,反应气氛中含有O₂和水蒸气对焦油的性质有显著影响,与单纯的N₂气氛相比,O₂和水蒸气的存在使热解焦油中单环芳烃、酮类、酚类、脂肪烃都明显减少,这对于焦油的进一步裂解及重整更加有利。     

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。     

煤催化气化中非均相反应动力学的研究

以神木煤焦为研究对象,在小型加压固定床上考察了不同气化剂(水蒸气、二氧化碳、氢气)、催化剂负载量、水蒸气分压、氢气分压和一氧化碳分压对碳转化率和气化反应速率的影响。结果表明,对于非均相的催化气化反应来说,反应速率顺序为C-H2OC-CO2C-H2。H2和CO不同程度地抑制煤焦水蒸气气化反应,CO的抑制作用明显大于H2。在700℃,当添加5%的CO,碳转化率降低约50%。基于Langmuir-Hinshelwood(L-H)方程,结合随机孔模型,同时考虑催化剂负载量及气化产物分压的影响,建立了煤焦催化水蒸气气化动力学模型,模型预测反应速率常数与实验值误差在10%以内,说明建立的动力学模型可以较好地模拟煤焦的催化水蒸气气化反应过程。     

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。     

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。     

昭通褐煤的热解提质及其对气化反应性能的影响

为了对储量相对丰富的昭通褐煤进行合理有效的分级转化利用,采用固定床程序升温热解的方法研究了不同温度下煤的热解行为,借助GC-MS和拉曼光谱对所得焦油和煤焦进行了表征分析,并在850℃下对不同热解温度制得的煤焦进行了水蒸气等温气化特性评价。结果表明,热解温度为700℃时,热解气体有效组分(H_2、CO、CH_4)的累积物质的量占总释放量的70%,此温度下热解气低位热值增长速率最快(以500℃下热解气低位热值为基准计算,其值为90%);酚类化合物在500-700℃大量生成析出,而温度高于700℃时,酚类化合物的分解反应加剧。不同热解温度下所制煤焦的表观气化反应速率随热解温度的升高不断降低,气化产物中CO_2与CO的物质的量逐渐升高,700℃热解制得的煤焦在水蒸气气氛下气化所得合成气中有效组分H_2与CO的比率最高。     

氧气对褐煤水蒸气气化半焦的活化及机理

以胜利褐煤为原料,利用一段流化床/固定床石英反应器,进行N_2/O_2/H_2O/H_2O+O_2气氛的褐煤热解/气化实验。采用BET、Raman、FT-IR、微波消解ICP-AES、TGA等技术表征半焦。研究氧气添加对气化反应以及半焦结构和反应性的影响,解析了氧气对气化半焦的活化机理。结果表明,氧气添加可以改变半焦结构,活化半焦,从而促进转化率、H_2产率和CO_2产率的提高。氧气对气化半焦的活化作用主要包括两个方面,一是芳核与氧气发生氧化分解反应,破坏了芳环大π键,形成了新的官能团,从而促进了反应(C+H_2O→H_2+CO)的发生;二是随反应的进行,芳香大环(≥6)结构解聚为芳香小环(3-5)结构,同时氧原子进入芳核,形成缺陷位C-O-C,从而导致半焦微晶结构的缺陷程度提高、缩聚程度降低,进而导致半焦反应性和表面吸附作用提高,促进反应(CO+H_2O→H_2+CO_2)的发生。     

K_2CO_3催化剂在煤焦热解中的形态转变及其对煤焦催化气化的影响

在固定床中考察了不同温度下神府煤焦催化热解中K2CO3的转变形态,以及在TG-DSC分析仪上研究了K2CO3添加方式和粒径对其气化速率的影响。结果表明,随着气化温度的升高,催化剂的添加方式对煤焦气化反应速率的影响减弱;对热解残渣的SEM/EDX谱图显示,随着温度升高,K催化剂在煤焦中能展现更好的分散性;在热解过程中,煤焦中的碳通过与K2CO3反应释放出CO2和CO,生成的气体量与温度相关;在较低温度650℃下,不同粒径对气化效果影响差别较大,粒径越小气化反应性越好。K2CO3的流动性随着温度升高而增强,催化活性也越强;低于700℃时,要考虑添加方式对气化反应性的影响。     

Flash photolysis/temperature jump study of the vibrational relaxation of N2O(010) by O(P) and NO

This survey begins with the photochemistry at 254 nm and 298 K in the system H₂O₂COO₂RH, the primary objective of which is to determine the rate constants for the reaction OH + RH → H₂O + R relative to the well-known rate constant for the reaction OH + CO → CO₂ + H. Inherent in the scheme is that the reaction HO₂+CO→OH+CO₂ is negligible compared with the OH reaction, and a literature consensus gives k_HO2 < 10⁻¹⁹ cm³ molecule⁻¹ s⁻¹, or some 10⁶ less than k_OH at 298 K. Theoretical calculations establish that the first stage in the HO₂ reaction is the formation of a free radical intermediate HO₂ + CO → HOOCO (perhydroxooxomethyl) which decomposes to yield the products, and that the rate of formation of the intermediate is equal to the rate of formation of the products. The structure of the intermediate and a reaction profile are shown.

High temperature rate data reported subsequent to the data in the consensus and theoretical calculations lead here to a recommendation that, in the range 250–800 K, k_HO2 = 3.45 × 10⁻¹²T^1/2 exp(1.15 × 10⁴/T) cm³ molecule⁻¹ s⁻¹, the hard-sphere-collision Arrhenius modification. This yields k_HO2(298) = 1.0 × 10⁻²⁷ cm³ molecule⁻¹ s⁻¹ or some 10¹⁴ slower than k_OH(298).     

CO对褐煤快速热解行为的影响

利用快速升温固定床进行了霍林河褐煤在CO气氛下快速热解反应行为的研究,考察了热解半焦的产率、性质和气体产物的分布特点。半焦的红外光谱图、元素含量和表面结构性质分析表明,CO参与并改变了褐煤的热解行为。与N₂气氛相比,热解温度低于600 ℃时,带孤对电子的极性CO容易诱发半焦结构中芳香环的开裂,侧链、醚键和脂肪链的断裂,促进小分子片段和自由基的生成,自由基稳定了煤热解生成的碎片,导致挥发分的生成和逸出量增加,H₂、CH₄、CO和CO₂的产率增大,半焦产率降低,半焦的比表面积和孔容增大。热解温度高于700 ℃时,CO的歧化反应程度增大,产生的积碳附着于半焦的表面,阻塞了孔道,导致半焦的比表面积和孔容减小,从而抑制了CO在半焦孔隙结构内部的扩散,限制了CO与煤中有机大分子结构的接触和反应,导致H₂、CH₄和CO产率减小,而CO₂产率因CO歧化反应而增大。     

Hydrothermally stable silica–alumina composite membranes for hydrogen separation

A thin layer (30–40 nm) of a dual-element silica–alumina composition was deposited on a porous alumina support by chemical vapor deposition (CVD) in an inert atmosphere at high temperature. Prior to CVD, an intermediate layer of γ-alumina was coated on the macroporous alumina support. The intermediate layer was prepared by the dip-coating and calcination of boehmite sols of different sizes to give a graded structure that was substantially free of defects. The resulting supported composite membrane had high permeance for hydrogen in the order of 2–3 × 10⁻⁷ mol m⁻² s⁻¹ Pa⁻¹ at 873 K with selectivities of H₂ over CH₄, CO and CO₂ of 940, 700 and 590, respectively. The membrane operated by a hopping mechanism involving jumps of permeating molecules between solubility sites. The presence of aluminum improved the hydrothermal stability of the membranes for periods in excess of 500 h at 873 K in 16% steam, allowing the permeance to remain above 10⁻⁷ mol m⁻² s⁻¹ Pa⁻¹, although with decreased selectivities.