碱(土)金属改性赤铁矿载氧体的化学链气化实验研究

本文以竹子为原料,使用天然赤铁矿作为载氧体,在固定床反应器开展化学链气化实验,探究不同工况下的气化表现.在确定最优工况后,掺杂碱(土)金属离子对载氧体进行改性,探究改性载氧体的化学链气化表现.结果表明:在反应温度为850℃、蒸汽流速为0.1 mL/min、等效系数Φ为0.204时,竹子气化效果最佳,此时合成气产量为0.99 m^(3)/kg,气化效率为63.96%.对载氧体进行改性后,3种载氧体的碳转化率、气体产量和气化效率均得到提升.掺杂碱(土)金属离子后的载氧体中检测到能够增强赤铁矿晶格氧活性的K_(2)Fe_(22)O_(3)4、Na_(3)Fe_(5)O_(9)、CaFe_(2)O_(4)和Ca_(2)Fe_(2)O_(5)等双金属氧化物矿物质,载氧体的比表面积和总孔体积也有一定程度的改善.钾改性的载氧体气化性能最佳,碳转化率、气体产量和气化效率分别提升至84.30%、1.13 m^(3)/kg和72.02%.多次循环后载氧体表面均出现了不同程度的烧结现象,其中钙改性载氧体中低熔点硅铝酸盐的含量较高,且用于改性的CaCl_(2)的熔点也较低,烧结现象最为严重.

碱木质素强化煤焦粉化学链气化实验研究

中国煤炼焦工业副产物煤焦粉产量大、活性低,难以被直接回收利用,常规热化学利用方式反应条件苛刻、催化剂易失活且存在动力学限制。本研究通过造纸副产物碱木质素作为可弃型催化剂,构建碱木质素强化化学链气化的方式来处理煤焦粉,实现工业副产物协同资源化利用。热转化实验和动力学分析研究表明,碱木质素可强化煤焦粉化学链气化过程,促进煤焦粉热解峰向低温方向移动。当煤焦粉与碱木质素质量比为1∶3时,反应活化能比单独煤焦粉反应降低87.56%。固定床实验证实气化温度提高、碱木质素以及载氧体赋存量增加,可以有效提高燃料碳转化率及合成气产物选择性,促进气化反应进行,但氧载体过量会导致合成气转化为终端产物,降低合成气选择性。在气化温度为950℃,煤焦粉与碱木质素质量比为1∶2,氧载体与煤焦粉/碱木质素混合体系质量比为1∶1的最佳反应条件下,基于NiFe2O4的碱木质素/煤焦粉化学链气化合成气选择性高达82.85%。该研究为碱木质素与煤焦粉的资源化利用提供科学依据。

Aspen Plus在生物质化学链气化技术中的应用进展

目前世界能源结构仍以化石能源为主,面对能源紧缺与环境恶化的局面,开发可再生能源不仅能够调节能源结构,缓解能源压力,同时可以改善因化石能源过度使用而带来的环境问题。生物质为生活中最常见的可再生能源,对于生物质的合理利用是目前研究的主要方向。生物质的高质化利用有直接燃烧、生物转换和热化学转换等方式,但普遍存在产生大量污染物及生物质利用效率不高等问题。因此,发展清洁高效的可再生能源利用技术显得至关重要。化学链气化技术不仅可以从CO_(2)捕集和载氧体的循环使用等方面降低环境污染,还能从产生的合成气等化学用品中提升经济效益。通过Aspen Plus模拟软件还可以对生物质耦合化学链气化过程进行实时监控、优化,并对后续的工艺开发提供理论和数据支持。因此,本文从生物质种类与过程能量供给方式出发,对不同类型的生物质化学链气化过程Aspen Plus模拟研究进行了系统论述,综述了Aspen Plus模拟软件在生物质化学链气化技术领域中的工艺模拟、反应器优化、生产过程中能耗问题的应用情况,并提出了该软件的应用前景和发展方向,为我国化学链技术的应用和模拟研究提供了一定的参考。

煤直接化学链气化合成尿素过程建模与性能分析

本文针对传统煤制尿素过程碳利用率低及二氧化碳捕集能耗高的问题,提出了煤直接化学链气化合成尿素的新工艺。本文对新工艺关键单元进行建模、模拟和性能分析。新工艺中CO_(2)、H2和N2分别来自于化学链技术的燃烧反应器,水蒸气反应器和空气反应器,避免了高能耗的空分单元和气体分离单元,H2和N2用于合成氨,氨进一步与CO_(2)合成尿素。采用碳利用率和二氧化碳捕集能耗分析新艺的技术性能,生产成本和投资回收期分析其经济性能。结果表明煤直接化学链气化合成尿素工艺碳利用率为30.11%,相比于传统煤制尿素提高约7%,二氧化碳捕集能耗下降了97.04%。新工艺单位尿素成本相比传统工艺下降了12.18%,投资回收期缩短了4年。

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。

赤铁矿用于生物质化学链气化氧载体的反应性能

在鼓泡流化床反应器上以Ar气为流化介质,研究了反应温度、时间对天然铁矿石氧载体的化学反应特性的影响,并对其物理性质进行了表征。试验表明,氧载体与生物质热解产物的反应性随着温度的升高而逐渐增强,气化产物中H2、CO的含量随着温度的升高而逐渐增加,CH4、CO2的含量随着温度的升高而逐渐降低;随着反应时间的增加,氧载体活性逐渐下降,合成气中热解气含量逐渐升高。铁矿石热重试验表明,在惰性氛围下(Ar),氧载体不会释放晶格氧。利用X射线衍射、扫描电子显微镜分析了反应前后氧载体颗粒的化学成分及微观形貌,分析表明,Fe2O3的还原产物主要是FeO,天然铁矿石氧载体随着温度的增加,其颗粒表面的结焦现象越明显。试验结果表明将天然铁矿石用于生物质化学链气化过程是可行的。

Fe基氧载体的生物质化学链气化过程热力学分析及实验研究

通过热力学理论分析天然铁矿石(Fe2O3)为氧载体的生物质化学链气化的可能性。在小型鼓泡流化床上进行验证试验,验证结果与理论分析基本一致。赤铁矿作为氧载体参与生物质气化过程,活性氧载体的存在使生物质的热转化过程明显区别于单纯的热解,气体产率显著提高,气体产物中CO和H2含量达到80%以上。被还原后的氧载体主要以FeO状态存在,气化反应中氧载体表现出逐步失氧的过程,即Fe2O3→Fe3O4→FeO,还原氧载体经空气氧化后能恢复其晶格氧。

铁基复合载氧体煤化学链气化反应特性及机理

以水蒸气作为气化/流化介质,在流化床中研究了两种铁基复合载氧体的化学链气化反应特性及循环特性,并对气化过程中的反应机理、动力学方程进行了推断。结果表明:温度为920℃时,添加不同修饰物的铁基复合载氧体与煤焦气化的反应活性依次为Fe4Al6K1>Fe4Al6>Fe4Al6Ni1。在多次循环实验过程中,合成气成分保持稳定,表明Fe4Al6K1复合载氧体循环特性良好。XRD谱图分析表明,六次氧化还原实验后的铁基载氧体氧化态仍为Fe2O3。K+主要以铁酸钾形态存在,该结构有利于促进化学链气化反应。利用高斯函数对气化反应速率进行了峰拟合,拟合结果表明化学链气化主要分为3个阶段:化学链作用阶段、煤气化阶段以及Fe3O4向FeO转变的气化阶段。

生物质化学链气化制取合成气模拟研究

利用Aspen Plus软件建立生物质化学链气化制取合成气模型,对铁基生物质化学链气化制取合成气进行模拟计算,分析气化过程中温度和压力等因素变化对生物质气化制取合成气的影响,探讨了氧载体存在对生物质气化过程的影响.结果表明,H2和CO是生物质化学链气化产生的合成气中最主要的两种产物,气化温度的提高对气化过程是有利的,而压力的提高降低了气化效果,气化温度在800℃～850℃较为适宜;载氧体的存在能显著提高合成气的产率.

基于热重-红外联用分析的生物质化学链气化实验研究

采用热重-红外联用的方法,开展以松木为研究对象的铁基生物质化学链气化实验研究,对生物质在氮气气氛下的化学链气化过程进行分析,探讨Fe2O3作为载氧体在生物质气化过程中所起的作用、温度对于生物质化学链气化过程以及合成气气体成分的影响;在水蒸气气氛下进行对比实验,并通过计算获得生物质化学链气化反应动力学参数。结果表明:松木在载氧体作用下发生气化反应过程存在3个失重峰,高温时的失重峰是由于生物质发生气化反应所致,Fe2O3与生物质半焦和热解中间产物之间发生还原反应时整体上表现出吸热特性,Fe2O3作为载氧体进行生物质化学链气化具有可行性。通过与水蒸气气氛下的对比实验表明,载氧体对生物质气化过程具有活化作用。

K_2CO_3修饰钙基载氧体的煤化学链气化反应特性

以膨润土(Bentonite)为载体,采用机械混合-浸渍法制备了Ca SO4-K2CO3/Bentonite(Ca KBen)复合载氧体。在流化床反应器中,以水蒸气作为气化、流化介质,考察复合载氧体Ca KBen与不同煤种的化学链气化反应特性,并对该载氧体的循环特性、作用机理及气化动力学方程进行了研究。结果表明:复合载氧体Ca KBen适用于不同煤种的化学链气化过程。900℃时,与纯煤气化相比,Ca KBen化学链气化的碳转化率提高17.88%,反应时间缩短10 min,复合载氧体Ca KBen表现出良好的反应活性和催化性能。十次循环实验过程中,冷煤气效率稳定在85%以上,表明复合载氧体Ca KBen具有良好的循环特性。XRD、SEM分析表明十次循环实验后,钙基载氧体的晶相结构稳定,主要以CaS O4形式存在,K+主要以K2CO3形式存在,载氧体表面变得疏松多孔,该结构有利于化学链气化反应的进行。活性位扩展模型很好地体现了复合载氧体Ca KBen与煤化学链气化的动力学规律,验证了气化过程中CaS O4与K2CO3具有协同作用。

废弃咖啡渣化学链气化反应特性

利用溶胶-凝胶法制备了以Fe_2O_3为活性组分,天然凹凸棒土(ATP)为惰性载体,KNO_3修饰的Fe4ATP6K1铁基复合载氧体。在高温流化床中考察了反应温度、水蒸气流量和O/C摩尔比对咖啡渣化学链气化过程的影响。结果表明,与以石英砂为床料的咖啡渣气化相比,以Fe4ATP6K1载氧体为床料的咖啡渣化学链气化对应的碳转化率由71.38%提高到86.25%。咖啡渣化学链气化的较优操作条件为:反应温度900℃、水蒸气量0.23 g·min^(-1)、O/C摩尔比1;在此操作条件下,合成气产量达到1.30 m^3·kg^(-1),氢气产量达到83.79 g·kg^(-1),氢气的平均浓度达到52.75%。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)对900℃反应前后的Fe4ATP6K1进行表征,发现Fe相、K相、Si相可以发生相互作用,K以KFe Si_3O_8的形式存在于载氧体中,并且K在反应过程中有少量流失。20次氧化/还原过程中,铁基复合载氧体Fe4ATP6K1表现出较好的循环性能,碳转化率和冷煤气效率均保持在75%以上,各气体的平均浓度较稳定。

基于层状氢氧化物衍生复合氧载体的生物质化学链气化实验研究

通过低饱和共沉淀法合成了类水滑石结构的层状氢氧化物(Layered Double Hydroxide,LDH)前驱体,经煅烧获得衍生Cu/Al/Zn、Cu/Al/Ni、Cu/Al/Ni/Zn高分散复合氧载体。采用XRD、XRF、H2-TPR、SEM及BET等分析手段对氧载体的结构及反应性能进行了表征,并通过固定床反应器开展了氧载体与生物质化学链气化实验。结果表明,合成的三种前驱体都具有典型的水滑石特征衍射峰,且层板稳定。Cu/Al/Zn前驱体层间厚度为0.264 2 nm,Ni2+引入后,层间距减小。前驱体煅烧后形成的复合氧载体中元素含量与制备试剂基本一致。氧载体中Zn、Ni元素的引入可提升Cu O的反应活性,降低H2还原的反应温度,Zn元素与Cu具有更好的协同作用。Cu/Al/Ni/Zn氧载体在固定床化学链气化中具有较好的碳转化率和气体产率,其碳转化率为82.03%。反应后氧载体比表面积为5.995 m2/g,具有较好的可再生性与抗烧结性,是生物质化学链气化反应较为理想的氧载体。

废弃活性炭化学链气化制富氢合成气

以废弃活性炭为原料,以Fe4ATP6复合载氧体为载氧体,在间歇高温流化床中考察了废弃活性炭化学链气化制富氢合成气反应的较优条件及复合载氧体的循环反应特性。结果表明,Fe4ATP6复合载氧体具有提供晶格氧及催化气化的双重作用,显著提高了碳转化率,促进了废弃活性炭气化过程,反应活性良好。废弃活性炭化学链气化制富氢合成气的优化反应条件:900℃、水蒸气流量为0.25 g·min^(-1)、OC/C比为1。在上述条件下,碳转化率达92.15%,合成气产量达1.20 L·g^(-1),其中H2产量为1.09 L·g^(-1),平均浓度为55.30%。10次循环实验表明Fe4ATP6复合载氧体的反应活性略有降低,通过SEM、XRD分析载氧体的表面形貌、物质组成发现,载氧体反应后结构变化较大,粒径减小,生成了无反应活性的硅酸铁。

微藻-氧载体化学链气化的特性研究

分别制备并研究4种氧载体Fe_2O_3/NiO、Fe_2O_3/ZnO、NiO/ZnO和Fe_2O_3/NiO/ZnO的加入对微藻化学链气化的影响。采用热重红外联用方法研究氧载体种类、氧载体质量对微藻产气的影响,计算获得相应化学链气化反应动力学参数,并通过扫描电子显微镜(SEM)对氧载体进行微观分析。实验结果表明,微藻在氧载体的作用下存在2个对微藻气化促进效果最明显,ZnO的加入有助于提升氧载体性能。

耦合化学链气化的BIGCC系统性能模拟和[火用]分析

使用Aspen plus软件构建了耦合化学链气化的生物质整体气化联合循环发电系统(BIGCC).在常压下研究了气化反应器温度、载氧体与生物质的摩尔比、余热锅炉汽水循环中高压/中压/低压水蒸气压力等因素对耦合系统发电功率和[火用]效率的影响.此外,对耦合系统在气化压力为常压和1.7 MPa下的[火用]损失、[火用]效率和发电效率进行分析,并与常规BIGCC系统的结果对比.研究结果表明,气化反应器温度为750℃,载氧体与生物质摩尔比为0.45时系统性能较好.汽水循环中水蒸气优化后压力为13 MPa/3.25 MPa/0.8 MPa.系统的[火用]损失主要发生在气化系统和燃气轮机系统.总体上,耦合系统的发电效率和[火用]效率均高于常规系统,气化压力的提高有助于改善系统的发电效率和[火用]效率.

生物质化学链气化串行流化床二元物系冷态实验研究

搭建了生物质化学链气化串行流化床冷态模型,考察了木粉与石英砂二元物系在不同工况下的流化特性,结果表明,木粉单独实现流化较为困难,稳定流态化操作范围也较小;石英砂木粉二元物系,随着石英砂含量的增加,流化状态持续改善,稳态流化操作范围增大,当石英砂含量超过70%时,该二元体系流化状态接近石英砂;石英砂木粉二元混合体系物料循环量及颗粒平均速度随着表观气速的增加而持续增大。

联合CO_2捕集的生物质化学链气化制备合成气系统分析

本文提出以Fe_2O_3为载氧体、以CaO捕集CO_2的生物质化学链气化系统,利用AspenPlus软件对该系统进行了模拟,以合成气组成(干基)、合成气氢碳比、含碳产物的碳摩尔分布、冷气效率及收率等为系统性能评价指标,重点分析了燃料反应器温度(TFR)、载氧体Fe_2O_3与生物质碳摩尔比(Fe_2O_3/C)、水蒸气与生物质碳摩尔比(Steam/C)、CaO与生物质碳摩尔比(Ca O/C)等系统参数对固体生物质化学链气化系统的影响。结果表明,在TFR=825℃、Fe_2O_3/C=0.5、Steam/C=0.71和CaO/C=0.26条件下,合成气制备系统性能较优,合成气中H_2和CO_2含量分别为55.2%和15.4%,氢碳比为1.93,冷气效率为78.2%,被CaCO_3捕集的生物质碳为18.2%,收率(湿气基)为1.95Nm3/kgbiomass,其中合成气中H_2和CO收率为1.24Nm^3/kgbiomass。

生物质化学链气化-燃气轮机-有机朗肯循环发电

生物质化学链气化(BCLG)是具有发展前景的生物质利用和碳捕集技术,有机朗肯循环(ORC)是可提高能源品位的能源转化技术。为实现生物质能源高值化利用,提出了一种生物质化学链气化联合燃气轮机(GT)并耦合有机朗肯循环(ORC)的新型发电系统。该系统通过子系统间物质/能源交换实现了不同品位能源的梯级利用。采用Aspen Plus软件进行模拟,研究以玉米秸秆、稻秆及麦秆为气化燃料时,氧与生物质比(λ)和压气机压比(PR)等对BCLG-GT系统发电效率的影响。模拟结果表明,麦秆是3种生物质中应用于BCLG-GT系统的最优气化燃料,最佳模拟工况为:λ=0.05,P_(R)=13。在BCLG-GT子系统运行最佳工况基础上耦合ORC子系统,研究了4种不同有机流体工质(R245fa、R134a、HCFC-123和R-404A)和有无回热装置对ORC子系统发电效率的影响。结果表明:R245fa具有更高的实用价值与较好的环境友好性,相较其他3种有机流体工质具有明显优势;另外,加装回热装置后,ORC系统的净输出功率提高了13.37%,新型具有回热装置的BCLG-GT-ORC发电系统的净能量效率达35.48%。本研究为工业规模的生物质化学链气化装置的设计和优化提供思路和理论指导。

钙基复合载氧体-煤化学链气化性能

采用机械混合-浸渍法制备3种钙基复合载氧体,并在流化床中考察复合载氧体的煤化学链气化反应特性、循环反应性能以及反应过程中复合载氧体的硫释放规律。结果表明:900℃时3种复合载氧体与煤化学链气化反应的碳转化率、合成气含量、冷煤气效率均高于载氧体Ca Ben的;Ca O的加入对Ca SO4副反应的抑制效果明显;选择复合载氧体Ca Ca Ben进行循环实验,在10次循环过程中,冷煤气效率稳定在83%左右,复合载氧体Ca Ca Ben循环反应性能良好。