铜基载氧体吸放氧性能的固定床实验研究

以机械混合法制备的铜基载氧体为研究对象,在固定床反应器中研究了反应温度、气体流量、惰性载体种类和惰性载体添加比例对铜基载氧体吸放氧性能的影响.实验结果表明:随着反应温度的升高载氧体的吸氧性能降低,但放氧性能提高;载氧体的吸放氧性能都随气体流量的增大而提高;对于制备的三种不同惰性载体的载氧体,其吸氧性能相差不大,放氧性能为Cu/MgCu/ZrCu/Si.对于制备的三种不同惰性载体添加比例的载氧体,其吸放氧性能均随惰性载体添加比例的增大而提高.     

铁基载氧体化学链燃烧还原过程的数学模型

为了研究铁基载氧体的反应特性,基于未反应缩核模型建立了移动床内铁基载氧体颗粒还原过程的一维数学模型.模型中考虑了铁基载氧体与H2、CO的多级还原反应,气体组分体积分数模拟值与实验值的平均误差为6.9％,总还原度的平均误差为11.2％.研究表明:铁基载氧体在移动床反应器内最终还原度约为23％,主要进行的反应是第一级和第二级还原反应,第一级和第二级还原度分别为95％和40％;提高反应器内温度、选择合适的载氧体粒径及气固比有助于增加反应的深度,提高合成气及铁基载氧体的利用率,载氧体粒径建议取1 ～2mm.     

CaSO4的复合载氧体制备及其反应特性

利用浸渍法制备出载氧性能较好及价格低廉的复合型CaSO4载氧体,同时研究其固体燃料化学链燃烧特性.在综合热分析仪中研究复合型载氧体同H2和CO等气体燃料和煤焦固体燃料的反应性能,发现浸渍有微量Fe2O3和NiO的CaSO4复合型栽氧体同气体、固体燃料的反应速率加快,反应时间大大缩短,Fe2O3改善载氧体的反应性能方面优于NiO.SEM照片显示复合型载氧体同固体燃料高温下反应前后颗粒形态发生较大变化,并出现颗粒聚团.XRD分析表明循环反应后浸渍的Ni以Ni3S2形式出现,而浸渍的Fe以Fe3O4化舍物的形式存在,CaSO4的还原产物只有CaS.加入CaCO3颗粒后,大大改善了复合CaSO4栽氧体的循环性能.     

基于化学链制氧的加热炉富氧燃烧系统构建及分析

基于化学链制氧原理构架了加热炉富氧燃烧系统,以解决富氧燃烧氧气来源问题.通过对Co₃O₄氧解耦特性的研究,分析构建系统的可行性.结果表明:Co₃O₄释氧反应平衡氧的体积分数随温度升高而急剧增大,当反应温度为900℃时,平衡氧的体积分数为29.6%;烟气中CO₂,H₂O等成分不会对Co₃O₄释氧过程产生影响;随Co₃O₄与烟气物质量的比的增大,烟气中氧气的体积分数逐渐增大,当物质量的比为1∶1时,950℃下氧气的体积分数可达24.5%;考虑实际生产过程,产量为32t/h的蓄热式轧钢加热炉,富氧率为4%时,Co₃O₄填充量为3.4t.     

基于铁基载氧体的燃煤加压化学链燃烧循环反应特性

在煤加压化学链燃烧试验装置上,以巴西CVRD铁矿石为载氧体,徐州煤为燃料,进行了煤加压化学链燃烧还原/氧化循环反应试验研究.试验结果表明:随还原/氧化循环次数增加,载氧体反应能力有所增加,载氧体及碳的转化率基本保持稳定;提高反应压力,CO2的捕获效率增加,载氧体还原程度加深,载氧体以及燃料的转化率增加.对载氧体进行表征分析结果表明,随循环次数增加,载氧体颗粒比表面积及孔容积逐渐增加.高压下载氧体颗粒的平均孔径减少,且没有明显发现Fe基载氧体与煤灰相互作用形成复杂的化合物导致载氧体不可逆失活.SEM分析表明,随着循环反应进行,载氧体表面变为疏松多孔状结构,没有发现载氧体颗粒的团聚、烧结现象.试验结果表明该铁矿石载氧体可以应用于煤加压化学链燃烧.     

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。     

化学链燃烧钴基载氧体炉内脱汞机理研究

煤化学链燃烧炉内脱汞对降低煤燃烧单质汞的排放有重要意义,但是汞在载氧体作用下的氧化机制尚不明确。本文采用Co3O4载氧体在固定床反应器中进行脱汞实验,并在线检测反应器出口Hg0浓度。通过热力学计算揭示Hg0的催化氧化机制。实验结果表明,HCl与Co3O4的异相反应和HCl与Hg0的均相反应对Hg0脱除效率贡献都很大。随...     

铜基载氧体制备参数对释氧和吸氧性能的影响

在STA409PC热重分析仪上,以机械混合法和溶胶凝胶法制备的铜基载氧体为研究对象,研究了惰性载体种类、惰性载体添加比例、不同煅烧温度及煅烧时间等制备参数对铜基载氧体释氧和吸氧性能的影响.实验结果表明:三种类型载氧体释氧性能强弱顺序为Cu/Zr>Cu/Ti>Cu/Si,吸氧性能相差不大;随惰性载体添加比例的增加,载氧体的释氧和吸氧性能增强;随煅烧温度的升高,载氧体的释氧性能降低,而吸氧性能变化不大;煅烧时间的改变对载氧体的释氧-吸氧性能没有明显的影响;不同制备方法制备的载氧体,Cu/Zr和Cu/Si溶胶凝胶法好于机械混合法,Cu/Ti机械混合法好于溶胶凝胶法.     

Fe2O3修饰CaSO4/Ben载氧体化学链燃烧反应特性

分别采用间歇式流化床反应器和热重分析仪进行多次循环实验及反应性能测试,研究了Fe2O3在化学链燃烧过程中对CaSO₄/Ben(膨润土)载氧体的催化作用,并对比Fe₂O₃不同添加量(质量分数)时CaSO₄/Ben载氧体与CO的反应活化能。结果表明,添加Fe₂O₃后CaSO₄/Ben载氧体的比表面积和孔容增加,还原反应速率提高,并使系统内维持较高浓度的CO₂;添加Fe₂O₃可抑制CaSO₄生成CaO和含硫气体的反应,提高CaSO₄/Ben载氧体循环反应的稳定性;Fe₂O₃的最佳添加量为w=15.0%,该添加量下CaSO₄/Ben载氧体与CO反应的活化能由88.72 kJ/mol降低至43.08 kJ/mol,反应活性显著提高。     

基于铁基载氧体串行流化床煤化学链燃烧的滞流化现象

以高纯的Fe2O3为载氧体在1 kW串行流化床反应器上进行了煤化学链燃烧连续实验研究.结果表明:实验前期,载氧体展现出了良好的反应性能,煤气化产物转换率较高,额外氧耗率仅为1.0%～2.4%;实验后期,载氧体颗粒表面的严重烧结导致其孔容和比表面积急剧降低,载氧体的活性降低,各项指标衰减;载氧体氧化过程强放热引起颗粒团聚并结块,导致空气反应器出现滞流化现象,实验无法正常继续,因而有必要对该高纯的铁基载氧体加入惰性材料(SiO2,Al2O3等),以提高其抗烧结能力.     

基于铁基载氧体的甲烷化学链燃烧数值模拟

基于Gibbs自由能最小化原理,建立了以Fe2O3为载氧体的甲烷化学链燃烧模型,研究了流化床燃料反应器内反应物摩尔比、温度以及操作压力对反应产物分布和载氧体反应活性的影响,并揭示了其反应机理.结果表明:当Fe2O3与CH4反应物摩尔比保持在12左右,反应器温度控制在850～900℃范围时,出口处CO2的摩尔分数达到最大...     

基于铜基氧载体化学链空气分离技术实验研究

利用STA409PC综合热分析仪以升温速率热重法研究了铜基氧载体最佳释氧温度;以等温热重法研究了氧载体的颗粒直径、惰性载体种类、混合比率及反应温度对释氧性能的影响.实验结果表明:铜基氧载体的最佳释氧温度为850~1000℃.随氧载体粒径的减小和惰性载体比率的增加氧载体释氧速率在逐渐增大但变化不大;二氧化硅、二氧化锆和二氧化钛为惰性载体制备的铜基氧载体表现了高的释氧速率和转化率;反应温度对释氧性能影响很大,随反应温度的增加,氧载体的释氧速率明显增大.     

基于过渡金属氧化物载氧体的煤矿通风瓦斯处理性能

采用反应管对基于过渡金属氧化物载氧体的煤矿通风瓦斯(VAM)处理性能展开了研究.结果表明,经活化后的三种载氧体均能将CH4完全转化为CO2,其活性顺序为CuO60/γ-Al2 O3>NiO60/γ-Al2 O3>Fe2 O360/γ-Al2 O3;基于CuO60/γ-Al2 O3的CH4转化率随空速的增加而减小,随CuO负载量和床层温度的升高而增大;煤矿通风瓦斯中的CH4浓度越低,CH4转化率达到90%所需的床层温度就越低;对活性物质低分散高负载的CuO60/γ-Al2 O3和活性物质高分散低负载的CuO5.5/γ-Al2 O3两种CuO/γ-Al2 O3系载氧体进行了比较,发现两种载氧体的CH4转化机理均包含有化学链燃烧和催化燃烧两种机理,基于催化燃烧机理的CH4转化率在一定温度下存在极大值,当床层温度高于该极大值温度时,化学链燃烧对CH4转化率的贡献明显大于催化燃烧对CH4转化率的贡献;相同条件下,CuO5.5/γ-Al2 O3的初期活性优于Cu60/γ-Al2 O3,但CuO60/γ-Al2 O3的活性稳定性优于CuO5.5/γ-Al2 O3.     

化学链高温空分制氧性能评价

采用Aspen Plus软件对高温空分制氧流程进行模拟研究并做出评价.基于热力学平衡原理,对不同金属氧化物载体(Mn3O4-Mn2O3和CoO-Co3O4)、不同反应温度下的平衡氧分压进行计算,得到了Mn3O4-Mn2O3和CoO-Co3O4体系氧平衡分压与温度的关系;在计算平衡氧分压的基础上,确定了制氧所需的空气量与水量/CO2量;构建了制氧流程,并进行了模拟计算.结果表明,在2种载氧体Mn3O4-Mn2O3和CoO-Co3O4中,载氧体Mn3O4-Mn2O3制氧性能较好;化学链高温空分制取纯氧能耗为0.353 kW.h/kg,与传统制氧能耗经验数据0.246 kW.h/kg相比并不具有明显的优势;化学链高温空分制取O2和CO2混合气体能耗为0.151 kW.h/kg(氧气体积分数为14.3%),与传统制氧能耗经验数据0.246 kW.h/kg相比,具有节能潜力.     

铜锰复合载氧体吸释氧反应性实验研究

以ZrO₂作为惰性载体制备Cu/Mn复合载氧体并在搭建的固定床反应器上研究气体流量、反应温度、进气氧含量和颗粒直径对Cu/Mn载氧体吸释氧反应性的影响.结果表明,随气体流量的增大,Cu/Mn载氧体的释氧和吸氧速率增大;随反应温度的升高,Cu/Mn载氧体的释氧速率增大而吸氧速率减小.释氧反应阶段,供气氧含量越低,Cu/Mn载氧体释氧速率越快;吸氧反应阶段,供气氧含量越高,Cu/Mn载氧体吸氧速率越快.Cu/Mn载氧体的吸释氧速率均随粒径的增加而增大.     

FB-TGA在化学链燃烧反应动力学中的应用综述

由于流化床-热重分析仪(FB-TGA)将流态化与质量测量相结合,在表征传递与反应紧密耦合的反应过程中具有独特优势,因此总结了FB-TGA在化学链燃烧反应动力学及载氧体性能表征的应用进展．通过概述FB-TGA的构造发展,揭示其操作测量特性与性能优化方向;通过剖析FB-TGA的研究成果,阐述了载氧体气固反应动力学的新认知．解析了长周期循环中载氧体磨损和团聚的演化行为与过程规律,并为后续载氧体构筑、性能活性保持与反应器设计提出策略建议．     

化学链燃烧中赤铁矿氧载体的本征反应动力学研究

本文对一种化学链燃烧所用赤铁矿氧载体进行了本征还原反应动力学研究。氧载体颗粒的比表面积及孔径分布测试显示此种氧载体的孔隙率为0.031,表明此种氧载体结构致密,孔隙结构不发达。热重反应器上进行的程序升温还原实验结果显示氧载体的还原反应分阶段进行,并确定第一还原阶段的温度测试窗口为400~650°C。在排除了氧载体颗粒内外扩散的影响后,批次流化床实验分析确定反应的本征活化能为138.55 k J/mol,指前因子为6.8×1013s-1。通过对内外扩散因素的分析,加深了对此种氧载体颗粒与CO的宏观反应特性的认识。本研究结论与前人关于缩核模型、外扩散控制以及较小的表观活化能的研究结论具有良好的相容性。     

铁基载氧体化学链CH4/CO2转化研究进展

从工艺优化、载氧体选择与优化以及反应器设计角度对化学链CH4/CO2转化研究进展进行综述与探讨.目前提出的多种化学链CH4/CO2转化工艺可以归结为CH4和CO2在同一反应器以及CH4和CO2在不同反应器2类.热力学计算结果表明铁基载氧体适合于化学链CH4/CO2转化,多种载体和助剂有利于提高铁基载氧体性能甲烷反应性、...     

烧结矿应用于化学链燃烧的反应特性

本文通过热重实验研究了烧结矿作为载氧体的H2还原反应特性,将其与通过溶解法制备的Fe2 O3/Al2 O3载氧体进行了氧化还原反应性比较,在500~1250℃范围内研究了温度对于烧结矿还原反应过程的影响,在950℃下进行了30次循环反应实验,采用四种模型进行了反应动力学分析.结果表明,烧结矿的H2还原转化率大于80%,可以完全再氧化,并具有良好的循环反应性能.在500~950℃范围内,随温度升高还原反应速率及最终转化率都显著增加;而当温度高于1100℃时,在反应后期还原反应速率和最终转化率有下降的趋势.在500~950℃范围内,对烧结矿的还原过程第一反应阶段( Fe2 O3-Fe3 O4/FeO,还原转化率<25%)可采用二阶反应模型( M2)拟合,得到表观活化能为E=36.018 kJ·mol-1,指前因子为A0=1.053×10-2 s-1;第二反应阶段(Fe3O4/FeO-Fe,还原转化率>25%)采用收缩核模型(M4)拟合,得到的表观活化能为E=51.176 kJ·mol-1,指前因子为A0=1.066×10-2 s-1.     

CuO/Al2O3作为载氧剂的流化床化学链燃烧数值模拟

以欧拉-欧拉双流体模型和气固非均相化学反应动力学为基础,嵌入了气固化学反应速率方程和反应内热源项的UDF(自定义函数)程序,对化学链燃烧燃料反应器——鼓泡流化床内气固两相流动及化学反应过程进行了数值模拟,并分析了甲烷进气速度对床内气固两相流动、传热及化学反应速率的影响.结果表明:随着甲烷进气速度增加,床内气固混合更加剧烈,气泡的产生、碰撞和破碎使得气固分布不均,流化质量下降,导致反应器内化学反应速率以及温度分布不均,床内局部存在的高温区域将使颗粒温度过高而烧结,降低了甲烷燃烧效率.