铁矿石载氧体化学链燃烧高温还原表征

基于热重分析仪研究了950℃下天然赤铁矿石载氧体与H2还原反应过程中的反应性能,并借助于X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜与电子能谱(SEM-EDS)联用,对还原反应固体产物进行了表征。研究表明,950℃下载氧体反应速率最大值出现在转化率为0.11时,此阶段主要是由Fe2O3完全转化为Fe3O4,反应很容易进行。随后反应速率下降,当转化率为0.178时载氧体产物含有的低阶铁氧化物为Fe3O4、FeO;而转化率为0.477时,主要产物有Fe、FeO、Fe3O4存在。SEM-EDS表征结果表明,随转化率增加,载氧体颗粒表面上含Fe元素的晶粒逐渐聚集、长大,并且在Fe、FeO生成区发生了颗粒体积收缩和烧结现象,特别是Fe元素富集区;而SiO2、Al2O3相对含量较高区域依然保持稳定的结构。与铁矿石串行流化床实验对比,铁矿石良好的惰性载体分布有效地缓解了载氧体的烧结程度,使得载氧体在长时间使用过程中反应性能得以维持。

基于镍基修饰的铁矿石载氧体煤化学链燃烧实验

使用1 kWth串行流化床反应器,研究了以铁矿石为载氧体以及对铁矿石进行镍基修饰情况下煤化学链燃烧特性,对两种修饰方法(机械混合和浸渍)进行了对比评价。结果表明,铁矿石载氧体具有良好的反应性能和稳定性,是实现煤化学链燃烧的一种比较理想的载氧体。向矿石中机械添加少量NiO/Al2O3载氧体,能够有效改善其反应活性,提高系统CO2捕集率;采用浸渍法修饰的铁矿石载氧体煅烧后,总体微观孔隙结构变差,导致煤气化产物与载氧体间的反应无法充分进行,系统CO2捕集率显著下降。浸渍修饰的方法和过程需要进一步的研究和改善。

基于Shell煤气化工艺的干煤粉加压气流床气化炉性能研究

以Shell煤气化工艺为基础,利用干煤粉加压气流床气化过程模拟模型,对干煤粉加压气流床气化工艺的性能进行了数学模拟和性能研究.分析了煤气化过程中氧气和蒸汽对气化炉性能的影响,为整体煤气化联合循环(IGCC)电站系统设计中气化工艺及参数的选择提供了依据.研究表明,氧气煤比和蒸汽煤比是影响气化炉出口煤气成分、碳转化率和其他性能的主要因素,气化炉温度随着氧气煤比的增加而增加,随着蒸汽煤比的增加而下降;当蒸汽煤比一定时,随着氧气煤比的变化,冷煤气效率有一个最佳值,氧气煤比要比蒸汽煤比对气化炉性能的影响更为显著.

基于钾基修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧循环实验

对天然的铁矿石加以钾基修饰,在流化床上进行了煤化学链燃烧循环实验。研究了改性后的铁矿石对气体产物浓度及含碳气体体积分数影响的持续力。钾基铁矿石缩短了反应时间并明显提高了CO2浓度;在20次循环中,钾基铁矿石能明显提高CO2体积分数并降低CO体积分数,11次循环后,CO2体积分数稍有减少,CO体积分数略有增加。借助于扫描电镜与电子能谱(SEM-EDX)和X射线衍射(XRD),对不同循环后的载氧体进行表征。与纯铁矿石相比,前10次循环钾基铁矿石载氧体表面严重烧结,20次循环之后烧结减轻,恢复多孔结构。结果表明,钾基铁矿石载氧体中KFe11O17或其衍生物对煤气化有催化作用;在20次循环中存在钾流失现象;20次循环后钾基铁矿石载氧体能完全氧化为Fe2O3。

生物质灰对铁矿石载氧体性能的影响

在小型固定床上以铁矿石为载氧体、CO为燃料,进行了化学链燃烧试验.通过在铁矿石中加入生物质灰,探讨了生物质灰的种类（玉米秆灰、油菜秆灰和稻草灰）、灰的添加量（5%～20%）及灰中碱金属对铁矿石载氧体反应活性的影响.试验结果表明：生物质灰中无机组分不同,对铁矿石载氧体反应活性的影响也不同.由于玉米秆灰和油菜秆灰中碱金属K含量较高,高温下K以气态形式迁移到铁矿石表面,生成了K3FeO2,从而提高了铁矿石的还原反应活性.稻草灰中Si含量很高,高温下碱金属K及FeO与铁矿石反应,生成低熔点共晶体,加剧了铁矿石表面的烧结,减少了气固反应的接触面积,导致CO总转化率急剧下降.

氧煤比对气流床煤气化过程的影响

为研究氧煤比对气流床煤气化炉气化过程的影响,对某厂运行的Texaco气化炉进行了数值模拟研究。利用所建立的数学模型,分析了Texaco气化炉内的气化过程,以及氧煤比对炉内温度、气相成分及炉膛出口合成气成分的影响规律。结果表明：Texaco气化炉内下行火焰的长度约占气化炉高度的1/3,炉膛上部火焰高度区域内气相温度及主要成分浓度的变化梯度最大,而在炉膛下部气相成分及温度的变化均不明显;随着氧煤比的增大（0.95~1.10）,气化炉出口合成气有效成分（H2＋CO）浓度逐渐降低,CO2和H2O的浓度及气化炉内气相温度逐渐升高;在保证顺利排渣和合适的出口合成气成分的条件下,存在一个最佳氧煤比。

化学链燃烧过程中铁基烧结返矿载氧体反应活性及结构研究

使用流化床,以95%的甲烷作为还原性气氛,以烧结过程中烧结返矿作为载氧体,研究其在化学链燃烧过程中的反应活性以及烧结返矿在氧化还原循环中的结构特征。对烧结矿原料、还原后以及氧化再生的烧结矿进行形貌结构及物性表征。结果表明,在初始氧化循环过程中,烧结返矿的载氧能力和反应活性有显著的提高;前25个循环过程中,烧结返矿的比表面积显著增大,比表面积的增大是提高烧结返矿反应活性的主要原因之一。随着循环的进行,烧结返矿表面出现裂纹并逐渐加大。Raman检测结果显示,在还原过程中有新的铁晶型,纤铁矿(γ-Fe OOH)生成,而纤铁矿(γ-Fe OOH)的生成将降低烧结返矿的载氧能力。氧化循环过程中,采用甲烷作为还原性气体,并未发现有碳沉积现象的产生。

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.

基于镍基载氧体的串行流化床煤化学链燃烧实验

以NiO/Al2O3为载氧体,在1 kWth串行流化床反应器上进行了煤化学链燃烧实验,通过四个参数:碳转换效率ηC,coal、煤气化产物的转换效率、碳捕集效率ηC,cap及煤燃烧效率ηcombust对煤燃烧过程进行表征,考察了燃料反应器温度tFR、过量空气系数α、隔离器水煤比SLS/C、燃料反应器水煤比SFR/C和热负荷等参数的影响。结果表明,tFR和SLS/C的增大有利于煤气化产物的转换;tFR、α和SLS/C的增大有助于ηC,coal的提高,随着SFR/C由0.8增加到1.8,ηC,coal呈先增加再减小的趋势,并在SFR/C=1.2达到最大值;ηcombust和ηC,coal变化趋势保持一致,主要受飞灰含碳量中残碳损失的影响;tFR提高有助于提高ηC,cap,而α和SLS/C的增大使得ηC,cap降低。

污泥化学链气化特性试验研究

为改善污泥气化效果,采用化学链气化技术处置污泥.在小型流化床上进行试验,基于赤铁矿载氧体,研究了O/C物质的量比、气化温度和水蒸气体积分数对污泥气化特性的影响以及赤铁矿多次连续循环过程中的物化性能.结果表明:赤铁矿会显著提高污泥的气化程度和碳转化率;当O/C物质的量比增大时,合成气中CO和CH_4的体积分数下降,H_2的体积分数呈现先下降后上升的趋势;随着气化温度的升高,合成气中CO和H_2的体积分数逐渐提高,CO_2和CH_4的体积分数降低,碳转化率不断提高;当水蒸气体积分数增大时,CO_2和H_2的体积分数逐渐提高,CO和CH_4的体积分数不断下降,碳转化率提高;赤铁矿在长时间运行中表现出良好的反应性.

草木灰水溶液改性的天然贫铁矿载氧体的反应性能

化学链燃烧是一种基于CO_2零排放理念的无焰燃烧技术,能够提高CO_2捕集效率。本文选用一种天然贫铁矿作为载氧体,在热重分析仪上采用CO作为还原气考察了其反应特性。为了减轻载氧体表面的烧结情况,本文提出了采用草木灰水溶液对天然贫铁矿载氧体进行改性,并对改性后载氧体进行短时间、多次数氧化还原循环实验研究;考察了反应器温度对改性前后的载氧体反应特性影响。实验结果表明:天然贫铁矿在15次氧化还原循环反应中展现了一定的循环稳定性,但载氧体的还原程度和反应速率较低;改性后的载氧体还原程度更深、反应速率更快,且保持了良好的反应活性。载氧体在100次的氧化还原循环中出现粉化团聚现象,导致轻微的质量损失。XRD和SEM的分析结果表明生物质灰中的K元素在反应中与铁矿石中的物质生成了新的化合物,增大了载氧体的比表面积,提高了载氧体的还原反应活性。载氧体表面没有出现明显的烧结团聚现象。

K_xFe_yO_z对煤化学链催化燃烧性能影响研究

以廉价的钙铝水泥作为载氧体制备过程的载体,并以机械混合-挤压成型造粒法制备了基于Fe2O3为载氧体活性相、钙铝水泥为载体的新型载氧体。在单流化床反应器上研究了钙铝水泥添加比例以及钾添加剂对合成载氧体的化学链燃烧性能的影响。研究结果表明,合成载氧体中载体以Ca2Al2SiO7形式存在,钾的添加显著提高了煤气化反应速率以及煤转化速率,钾在稳定相中以K2Fe22O34存在。K2Fe22O34在煤化学链燃烧过程的催化性能体现在其作为储钾相与KFeO2相的形态转变过程中。

负钛铜基载氧体在煤化学链燃烧中多环芳烃的生成

为了控制煤化学链燃烧中多环芳烃（PAHs）的生成,改善载氧体在多次循环后的碳沉积现象,以TiO2为惰性组分,采用机械混合法制备铜基载氧体（CuO/TiO2）,研究该载氧体在模拟化学链燃烧燃料反应器中PAHs的生成情况,探究煤化学链燃烧中PAHs的排放特性和机理.实验采用气相色谱仪对PAHs做定性定量分析,结果表明：化学链燃烧生成的三环芳烃总量最多;对于煤化学链燃烧适合的燃料为低挥发性、高n（H）∶n（C）摩尔比的燃料;添加适量分散剂可改善制作载氧体时的结块现象,提高化学链燃烧法（CLC）反应效率,使PAHs排放总量减少,有效抑制碳沉积;PAHs生成总量随反应温度的升高先增加后减少,高温区（800-1 000℃）适合CuO/TiO2载氧体进行化学链燃烧反应.

钢渣制品的最佳碳化制度

通过对钢渣制品进行碳化养护,确定其最佳的碳化制度。实验结果表明:当液态外加剂掺入量为9.00%,初始成型压力f为3.0 MPa时,钢渣制品在CO2分压为fC O2=0.25 MPa、fC O2=0.55 MPa和fC O2=0.75 MPa的压强下各碳化养护1 h后,其碳化增重率达11.02%,在最佳的碳化制度下,相对于未碳化试样,碳化养护后的钢渣制品的抗折强度、抗压强度、吸水性、饱水强度、冻融强度都有较大的提高,并且压蒸安定性良好。

铁元素对褐煤热解和气化特性影响的实验研究

以煤炭热解和气化为核心技术的多联产系统是我国煤炭清洁利用技术的发展方向之一.利用实验室台架进行植入铁元素后的褐煤的热解和气化,研究了铁元素对褐煤热解和气化的半焦产物的影响,分析了铁在褐煤热解和气化过程中的迁移和转化.结果表明:植入铁元素降低了酸洗煤样的热解失重率,可提高半焦产量,同时,还能提高褐煤半焦在水蒸汽气化过程中的反应活性.

调峰型气化炉内换热区换热行为模拟研究

基于两相流的欧拉壁膜模型和组分输运模型耦合的方法,针对1种调峰型的气化炉壳侧内部进行建模,研究了烟气垂直向上流动时,螺旋盘管管壁外表面的相变行为及液膜的形成过程和分布情况。计算结果表明:当烟气通过管道外壁面时,烟气中水蒸气在管道外壁发生相变。首先在底部盘管壁面发生凝结形成液膜,随着时间的推进,凝结过程持续进行。底部盘管表面先凝结形成的液膜最厚,上部盘管表面后冷凝形成的液膜逐渐变薄,在内圈盘管形成的液膜厚度要比外圈厚。烟气进入换热区域直至盘管外壁全部覆盖液膜用时2.4 s,液膜厚度达2.57×10^(-5) m,各测量点烟气温度与实验测值误差在5%以内,排烟温度310~330 K,含水量为6.2%,为新型气化炉结构的优化设计提供理论依据。

基于铁矿石载氧体25kW_(th)串行流化床生物质化学链气化实验研究

设计并建立了25kW_(th)串行流化床生物质气化反应器,基于此反应器,以赤铁矿石作为载氧体,开展生物质化学链气化实验研究,考察气化反应器温度、S/B、载氧体添加比例对生物质气化特性的影响。当赤铁矿占床料比例高于40%时,该气化装置的气化反应器温度保持平稳,铁矿石载氧体的再生及传热性能优良。燃料反应器出口烟气的成分为H_2、CO_2、CO、CH_4和少量的C_2H_4。随着气化反应器温度升高,气化反应器出口烟气中CO、CH_4和C_2H_4体积分数逐渐降低,相应的CO_2体积分数逐渐升高。随着S/B由0.6升高到1.4,气化反应器出口烟气中H_2和CO_2体积分数逐渐升高,CO、CH_4和C_2H_4体积分数逐渐降低。另外,载氧体添加比例增加,生物质气化反应器出口烟气中CO、H_2、CH_4和C_2H_4体积分数呈减小的趋势,而CO_2体积分数显著增加。

基于草木灰修饰Fe基载氧体的化学链燃烧实验

采用草木灰对Fe基载氧体进行修饰,并在流化床反应器上进行了气体燃料化学链燃烧实验。研究了草木灰修饰对提高Fe基载氧体还原活性的可行性,讨论了草木灰种类、草木灰的无机组分对载氧体活性的影响。结果表明,草木灰修饰能有效提高Fe载氧体的反应活性,载氧体的还原反应活性由草木灰中K和Si的含量共同决定。随着修饰草木灰中的K含量提高,载氧体的活性逐渐提高;但在Fe3O4/FeO的转化阶段,同时存在碱金属K对还原反应的催化作用和低熔点碱金属硅酸盐对还原反应的抑制作用。循环实验表明,草木灰中碱金属K对载氧体活性的提高效果始终明显,载氧体中负载的K在循环过程中出现了流失现象,而生成的碱金属硅酸盐类化合物,可抑制碱金属K的流失。

基于铁矿石载氧体的生物质化学链气化机理研究

在单批次进料小型流化床上,以稻壳为生物质燃料,研究了床料、气化温度、水蒸气体积分数以及载氧体载氧量与生物质含碳量的摩尔比(O/C)对生物质化学链气化反应特性的影响,并考察了铁矿石的长期交替氧化还原过程中的反应特性,分析了在小型流化床,水蒸气气氛气化条件下,铁矿石载氧体在反应过程中主要的反应以及反应后的铁矿石的床料变化。研究表明:在载氧体条件下,生物质的碳转化率显著增大,随着反应温度的升高,合成气中的H_2和CO的体积分数也相应升高。在温度不变情况下,随着水蒸气比例的升高,CO_2和H_2的体积分数显著上升。伴随着O/C摩尔比的升高,CO和H_2均显著下降。因此,在不同的反应条件下,铁矿石在生物质化学链气化过程中对反应速度、合成气比例等均有明显的作用,对研究生物质的综合利用具有一定的意义。

基于草木灰修饰铁矿石的串行流化床化学链燃烧

采用草木灰对铁矿石载氧体进行修饰,在1kW_(th)串行流化床反应器上,以合成气(CO+H_2+CH_4)为燃料进行了化学链实验,对其反应活性进行测试。结果表明:生物质灰修饰铁矿石载氧体在1kW_(th)串行流化床上表现出较高的反应活性,且反应温度越高,反应活性越好;燃料反应器出口CO和CH_4体积分数显著降低,930℃下分别为0.12%和2.63%,与采用纯铁矿石相比分别降低了97.3%和16.0%,CO_2捕集效率提升明显,最大值达89.38%;SEM分析表明,反应后的铁矿石颗粒表面出现了晶粒熔融粘接的现象,但生物质灰修饰铁矿石的孔隙结构仍较为明显;EDS分析表明生物质灰修饰铁矿石中K的负载情况较为稳定,没有出现明显的流失现象。