模拟喷吹氢气对高炉运行和二氧化碳排放的影响

本文采用一维稳态区域模型模拟了氢气注入对高炉运行和二氧化碳排放的影响。在高炉垂直温度模式模拟的基础上，以热储备区为重点，评估了最大注氢速率。本研究还检查了鼓风温度氧气浓度对焦炭置换率、生产率、氢气利用效率和二氧化碳减排的影响。在鼓风温度为1200°C，富氧量为2vol%和12vol%时，最大氢气注入速率分别为每吨铁水（HM）注入19.0和 28.3千克的H₂。结果表明，焦炭替代率为每千克H₂ 3到4 千克的焦炭，直接CO₂排放减少10.2%到17.8%，根据氧富集水平的不同，生产率最高可提高13.7%。提高鼓风温度进一步减少了二氧化碳的直接排放。氢气利用度达到最大值0.52–0.54 H₂O/(H₂O + H₂)。氢气注入的脱碳潜力估计在每吨H₂ 9.4吨CO₂到9.7吨CO₂之间。为了经济可行性，注氢需要在低成本制氢方面取得革命性进展，除非技术变革是由碳排放成本推动的。氢气注入可能会对滚道的径向温度模式产生不利影响，这可以通过采用适当的注氢技术来解决。     

低燃料比高炉改善能量利用的方向

实验室和生产高炉的研究发现,铁矿石的还原过程明显存在两个速度高峰,它把高炉内部分为上部高级氧化铁还原区、中部还原反应迟钝区和下部浮士体还原区等三部分。其中浮士体还原区还包括自热储备区下端到矿石熔滴以前(约950℃—1400℃甚至更高)的混合还原区与滴下带内的液态直接还原区。由固体浮士体间接还原和焦炭溶损反应组成的混合还原区是高炉内能量利用的关键区域,只有改善矿石还原性,降低焦炭反应性以增加该区内的间接还原量,才能降低高炉燃耗。上部高级氧化铁的间接还原虽可提高煤气利用率,但不能降低燃料比。位于热储备区的还原迟钝区是浮士体的潜在还原区。喷吹含氢高的辅助燃料、改善矿石还原性、提高鼓风温度和含氧量等可以挖掘该区的还原潜力,进一步降低高炉的燃科消耗量。     

富氢气体直接还原铁矿石及其碳沉积行为

焦炉煤气改质后可用于生产直接还原铁, 为炼钢提供优质的原料. 利用热重分析法, 研究了H₂ 与CO 物质的量比(H₂/CO)、温度对铁矿石球团矿还原速率及其碳沉积速率的影响. 实验结果表明: H₂ 的还原能力大于CO, 且随着混合气体中H₂ 含量的增加, 铁矿石球团矿的 还原速率增大; 当H₂/CO 比大于8/2 时, 增加H₂ 含量对还原速率影响减小; 在铁矿石还原 后期出现碳沉积, 且碳沉积速率随着H₂ 含量的增加而减小; 低温易于碳沉积, 但当温度高于 850 °C 时, 碳沉积得到抑制.     

吸附强化焦炉荒煤气重整制氢的热力学分析

采用Aspen Plus软件对焦炉荒煤气重整制氢反应进行热力学分析.研究发现,普通重整(不添加CO₂吸附剂)和吸附强化重整(添加CO₂吸附剂CaO)最佳反应压强都为常压,温度和n_○S/n_○C(蒸汽与C物质的量比)的增加能促使H₂的产量和体积分数(干产气体积分数)增加,但n_○S/n_○C大于3以后增幅不大.CaO的添加会促进重整反应进程,降低最佳重整温度,提升H₂产量和浓度.当n_○S/n_○C=3时,吸附强化重整(n_○CaO/n_○C(CaO与C物质的量比)=1)的最佳反应温度由普通重整的650℃降为450℃,而每100mol焦炉荒煤气产氢量由186mol提升为212mol,氢气体积分数由74%提升为97%,而制氢能耗则由2.26kW·h/m³降为2.00kW·h/m³.     

膜反应器中生物质甘油制氢反应的热力学研究

采用吉布斯自由能最小化方法对膜反应器中生物质甘油水汽重整制氢反应进行热力学研究,考察了温度、压力、水与甘油进料比(S/G)等条件对反应性能的影响,并分析副产物CO和CH₄的生成、积炭的生成、移去CO₂、O₂的添加等对氢气产量和反应体系平衡组成的影响.结果表明:T=900 K,p=100 kPa,S/G=12时,在膜反应器中及时移除CO₂可提高氢气产量和选择性,氢气产量高达6.86 mol H₂/摩尔甘油,选择性98.00%; 在反应体系中添加少量的O₂(摩尔分数<1%)有利于抑制CO和CH₄的生成,而氢气产量几乎不受影响.     

高炉处理烧结烟气脱硫脱硝理论分析

对利用高炉处理烧结烟气同时脱硫脱硝脱二噁英技术的可行性进行了理论探讨,分析高炉内部还原二氧化硫和氮氧化物,以及分解二噁英的热力学条件,探讨烧结烟气代替空气鼓风对理论燃烧温度、风量、炉缸煤气、炉顶煤气和铁水硫含量的影响.结果表明：二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮的最低平衡体积分数分别为1.84×10-13%、3.08×10-11%和3.72×10-21%,高炉内部还原二氧化硫和氮氧化物是可行的;高炉具有分解二噁英的有利热力学条件;烟气中二氧化硫和一氧化碳对理论燃烧温度的影响可忽略,氮氧化物能略微提高理论燃烧温度,二氧化碳体积分数增加1%,理论燃烧温度降低大约40.5℃,但通过降低鼓风湿度和提高富氧率等措施,能达到高炉正常生产时的炉缸热状态水平;随着烟气中二氧化碳含量的增加,风量、炉缸和炉顶煤气量都逐渐降低,炉缸煤气一氧化碳和氢气含量增加,炉顶煤气中一氧化碳、氢气、二氧化碳和水含量都增加,氮气含量显著降低;铁水硫含量与烟气二氧化硫含量成正比,但当二氧化硫质量浓度达到2000 mg·m-3,铁水中硫质量分数仅为0.025%,铁水质量仍合格.通过综合调节高炉操作参数,也可以实现烧结烟气代替空气鼓风进行高炉炼铁生产,达到脱硫脱硝脱二恶英的目的.     

折流式移动流化床COREX煤气预还原粉铁矿的数值模拟

建立了折流式移动流化床内粉铁矿预还原的二维气固反应流CFD模型.模型的数值求解采用PHOENICS和FLUENT的联合求解.与之前的实验结果相比,在冷态条件下单床层平均压降和气固相流动行为的数值模拟结果与其基本一致,得出所提出的数学模型是可靠的.在此模型基础上,对采用COREX输出煤气对铁矿粉预还原的工艺过程进行热态模拟.在模拟的工况条件下,还原气温度的整体降幅700 K,气相CO和H₂还原势的利用率分别达到38%和26%,矿粉的还原分数达到75%,即反应器内有良好的气固换热而且对COREX煤气还原势的利用率较高,实现了对还原气热能和还原势的梯度利用.     

铁酸锌气体还原的热力学分析

根据热力学原理,计算并分析了含锌冶金粉尘中的重要成分ZnFe2 O4在CO- CO2气体还原过程中的热力学行为. ZnFe2 O4的气体还原遵循逐级还原规律,且ZnFe2 O4很容易被CO还原到ZnO和Fe3 O4.较高温度条件下,ZnO的气体还原易于FeO的还原.随着反应温度升高,锌完全反应和挥发所需要的CO含量不断降低,当反应温度从1100 K升高到1400 K时所需的CO体积分数由0.4降低到0.01以下.要达到还原分离金属锌的目的,不必将铁氧化物还原到金属铁,而只需将铁氧化物还原到Fe3 O4或FeO,同时满足锌的还原条件即可.在高炉炉身中上部,由于发生锌的还原反应和内部循环,给高炉生产带来危害,因此应减少和控制高炉的锌负荷.     

铁矿煤球团内生还原气生产DRI工艺及估算

在高炉热风炉中用高炉煤气、垃圾制燃气、低热值煤气加热循环还原气,或用红焦、热DRI(直接还原铁)等热量加热循环还原气至1100℃,输入还原竖炉加热铁矿煤球团,生产DRI,从炉顶气中回收硫和CO2,炉顶气净化后作为还原气循环使用.球团内煤干馏形成的半焦、焦炭起到了与高炉内焦炭不同的骨架作用.利用还原反应后气体余热来预热和干馏球团,利用铁精矿粉和煤粉的高比表面积,利用煤的干馏气化促进低温下碳的一次气化反应和直接还原反应,使DRI煤耗进一步降低.设炉顶气温度降到150℃,配煤218kg,高炉煤气消耗约947m3时,工艺能耗约333kg/t煤.比高炉工艺节能约52%,减排CO2约83%.比MIDREX节能约84kg标准煤.该工艺简称为DRI-NHQ.     

Au/TiO2的制备方法对其SPR的影响

纳米金粒子沉积在TiO₂表面制得具有表面等离子体共振效应(SPR)的Au/TiO₂,是目前提高TiO₂光催化剂对太阳能的利用率和量子效率的重要途径之一,本文以氯金酸(HAuCl₄·3H₂O)和P25型纳米TiO₂为原料,采用紫外可见分光光度计探讨了温度对化学还原制备金溶胶的SPR的影响; 并以紫外漫反射进行表征.比较了化学还原热沉积法、化学还原光沉积法和光还原沉积法制得Au/TiO₂的SPR差异,结果表明,光还原沉积法是一种高效、经济且环境友好型制备较强SPR的Au/TiO₂的方法.     

喷雾热解法制备氢氧化镧

以H2O2为助剂,对氯化镧溶液通过喷雾热解法制备氢氧化镧的工艺进行了研究,首先通过热力学分析获得了H2O2与氯化镧反应的起始温度为288℃,并进一步研究了热解温度、氯化镧溶液质量浓度、H2O2添加量及载气压力对氢氧化镧转化率的影响.通过氯含量测定,XRD及SEM分析,获得了优化的工艺条件为:热解温度600℃,氯化镧溶液质量浓度400 g/L,H2O2加入量5%,载气压力0.4 MPa,在此条件下得到了转化率为99.96%的碎片状La(OH)3.     

添加氯离子对Ni/CeO2催化剂CO选择甲烷化反应催化性能的促进

采用浸渍方法制备NiO(Cl_x)/CeO₂系列样品,经还原后得到Ni(Cl_x)/CeO₂催化剂,用于富氢气体中CO的选择甲烷化反应,考察Cl/Ce原子比(x)对CO选择甲烷化反应活性的影响. 结果表明,添加氯离子能够显著抑制CO₂甲烷化反应,因而可使富氢气体中CO浓度降至10-5以下并且CO甲烷化反应选择性不低于50%,满足质子交换膜燃料电池对燃料的要求. 通过CO和CO₂吸附实验、程序升温还原(TPR)测定以及物相组成和晶粒尺寸分析,揭示添加氯离子的作用.      

稻壳和稻草的热重-质谱分析及其反应动力学

采用热重-质谱(TG-MS)联用对比研究了氮气气氛中稻壳和稻草在升温速率分别为5,20℃/min时的热解行为,分析得到了稻壳和稻草热裂解过程产生的小分子气相产物(CO,CO_2,CH_4,H_2)随温度和升温速率变化的释放规律.结果表明:稻壳和稻草的热解过程可分为脱水干燥预热解阶段、挥发分析出快速热解阶段和残余物裂解炭化阶段;稻草热解总失重率约为75%,稻壳约为55%,而且稻草的热解特性指数高于稻壳;稻草热解释放生物质燃气主要成分(CO,CH_4,H_2)的离子流强度明显高于稻壳;用Coats-Redfern法计算生物质的热解动力学参数,表观活化能和挥发分初始析出温度均是稻草稻壳,这与实验结果吻合,表明相同条件下稻草的热解性能优于稻壳.     

碳排放CO2温室效应机制

基于两个化学反应(1)CO₂+H₂O→H₂CO₃和(2)H₂CO₃+3H₂O→H₂CO₃·3H₂O,采用量子化学方法,优化获得反应物和产物分子结构,计算其红外振动光谱和化学反应的热力学数据,确定这些化合物对红外辐射的吸收与强度.研究发现,反应(1)和(2)能自发发生反应,产生H₂CO₃和H₂CO₃·3H₂O(三水碳酸);H₂CO₃具有较强的红外辐射吸收(重要的吸收频率1 919.9 cm^-1和强度426.7 km/mol等),H₂CO₃·3H₂O具有很强的红外辐射吸收(重要的吸收频率3 145.9 cm^-1和强...     

焦炉荒煤气中焦油组分重整制氢的热力学分析

选择1-甲基萘作为焦炉荒煤气中焦油组分的模型化合物,采用HSC Chemical软件对其蒸汽重整反应进行了热力学分析.研究发现,温度和S/C比(Steam/Carbon摩尔比)的增加能够促使H_2产量和浓度的增加,但是当温度或S/C比分别达到500℃,8∶1以上,H_2产量、浓度均变化不大;反应压力的增加不利于重整反应的进行,致使H_2产量降低,确定最佳的蒸汽重整反应压力为常压;当加入CaO作为CO_2吸附剂时,发现重整反应进程被强化,H_2产量、浓度均得到显著提升,当CaO/C比(CaO/Carbon摩尔比)为2∶1,S/C比为8∶1,温度在400~650℃时,H_2产率和体积分数均能达到95%以上.     

TSR 反应中地球化学条件的热力学估算

从化学热力学的角度, 通过热力学计算和绘制热力学相图, 针对硫酸盐热化学还原反应(TSR反应)和H₂S对碳酸盐岩的溶蚀两个化学反应过程, 判别其发生的可能性、方向和物理化学条件, 求取不同温度下CaSO₄ (或SO₄²⁻)被直接还原为H₂S的离子浓度、pH和氧化还原条件; 指出在地质体系中, 当CaCO₃处于沉淀–溶解的边界时, 少量酸性流体的加入就会使沉淀转为溶解, 而当Ca²⁺和CO₃²⁻浓度升高时, 又达到新的沉淀–溶解平衡。H₂S对CaCO₃的溶蚀在深度约为1000 m时达到最佳效果, 长期、多次的TSR反应才能产生充足的酸性流体(即H₂S), 这是溶蚀改造碳酸盐岩储层达到明显效果的必要条件。     

提高再生气中H2S浓度的方案研究

对以生物质热解气为原料的低温甲醇洗工艺进行模拟和研究,热解气主要成分为CO₂、H₂、CO、H₂S、COS和水等。采用Aspen plus对低温甲醇洗工艺进行全流程模拟,通过对比分析可知,模拟结果与实际值基本吻合。针对原工艺H₂S浓度低的问题,提出两个改进方案以提高H₂S的浓度：①提高气提塔的N₂流量;②在气提塔后添加一个闪蒸罐,气提塔塔底的甲醇溶液经过加热和闪蒸后再进入甲醇再生塔。结果表明改进方案可以大大提高再生气中H₂S的浓度。     

Fe/CaO载氧体作用下生物质化学链气化研究

生物质化学链气化技术是一种高效的生物质能源利用技术，其过程中载氧体能够起到载氧、载热和催化的作用。为了提高载氧体的氧化还原特性，同时提高生物质气化得到合成气的产率，研究了机械混合法和浸渍法制备的Fe/CaO载氧体在生物质化学链气化过程中的作用。制备了不同Fe负载量的Fe/CaO载氧体，对其进行了XRD、CO₂-TPD和H₂-TPR表征以分析其物理化学性能。随着Fe负载量的增大，载氧体的还原性增强，同时CO₂吸收性减弱。在固定床装置上对其反应性能进行了实验研究，结果表明在反应温度为850 ℃时，随着Fe负载量增大，气体转化率逐渐增大，CO2和CO的产气量逐渐增大，H₂的产气量减少。当Fe负载量为40%得到的载氧体能够得到最大合成气产量453.4 mL，H₂和CO的产气量分别为146.6 mL和306.8 mL。     

川东南二三叠系气藏硫化氢成因探讨

通过天然气组分、碳氢同位素组成与薄片、包裹体等资料分析,研究了川东南二-三叠系的长兴组、飞仙关组与茅口组气藏H₂S成因。结果表明,天然气组分以烷烃气为主,非烃含量平均24.68%。其中,烷烃气均偏干,部分样乙烷低于检测下限,可测样乙烷含量0.03%~0.39%,均值0.15%;δ¹³C₁值均偏重,为–28.3‰~–35.2‰,平均–31.1‰,部分样出现δ¹³C₁ > δ¹³C₂倒转。非烃以CO₂和H₂S为主,H₂S含量1.0%~21.7%,平均5.3%。储层中代表原油充注与古油藏裂解的各类沥青较少见,方解石脉中烃类包裹体以含气态烃包裹体为主,含油包裹体少见。结合前人研究成果认为,川东南茅口组几乎不含H₂S的岩溶缝洞型气藏（分布于涪陵北部与綦江地区）未见遭TSR改造迹象;飞仙关组气藏（分布于涪陵北部）、长兴组气藏（主要分布于涪陵北部与中部）与茅口组热液白云岩气藏（分布于涪陵中南部）的H₂S均为TSR成因,部分遭受TSR改造气藏现今H₂S含量较低或为后期被消耗所致;其中,飞仙关组参与TSR反应的烃类以液态烃为主,而其他层位气藏以气态烃（甲烷）为主,这可能与TSR发生时储层中是否存在一定量液态烃有关。TSR反应于各层内独立发生,并非飞仙关组发生后向下“倒灌”。长兴组TSR反应所需硫源或来自飞仙关沉积期卤水的侧向排泄,茅口组硫源或来自相邻层位富含SO₄^2-流体。     

CO2和N2惰化条件下合成气可燃下限实验研究

利用自主搭建的可燃极限实验系统,对含有CO₂和N₂的合成气可燃下限进行实验研究,并对Le Chatelier公式进行校核.结果表明,合成气可燃下限随含氢量的增加而降低,由于反应控制机理的影响效应,少量氢气的加入对混合物可燃下限具有显著影响;合成气可燃下限随N₂和CO₂比例的增加近似线性升高,而CO₂较强的热效应及化学效应使其对混合物可燃下限的影响更显著;由于Le Chatelier在推导过程中对化学反应作用的简化及忽视,使其对含氢量较低及惰化比例较高的合成气可燃下限的预测准确性较差,且计算结果不能区分不同惰性气体对合成气可燃下限的影响差异.