基于氧化产物视角实验创新——再议铁和水蒸气反应的改进

对人教版“铁粉与水蒸气反应”实验两次改进的三种装置从氧化产物是否为Fe_(3)O_(4)角度进行分析,再对铁粉与水蒸气实验加热源改为三芯酒精灯,并对灯芯进行简单调整,以取得产生H_(2)时间短,改进实验后氧化产物符合教材所列原理的良好效果.

SAP用于铁和水蒸气反应的实验设计

利用尿不湿中的SAP材料代替棉花用于铁与水蒸气的反应,不仅可以解决棉花因碳化而难以清洗的问题,同时利用SAP材料超强的吸水性可以最大程度地吸收试管口残存的冷凝水。通过数次实验发现,选择SAP材料用于该实验,可使该反应具有实验现象明显、实验装置简单、实验材料价廉易得及安全性较强的优点。

甲烷水蒸气重整反应速率模拟与机理分析

氢能作为清洁能源,具有巨大的发展潜力。甲烷水蒸气重整技术是一种经济且环保的制氢方式,可产出高纯度氢并减少碳排放。但在该反应的链转移过程中,由于反应速率变化较快,目前反应机理尚不明确。采用CHEMKIN模拟软件,将甲烷水蒸气重整反应动力学模型与平推流反应器(PFR)进行耦合,在温度为1200 K、水碳比(物质的量比)为3.0和气体入口质量流量为0.01 g/s的反应条件下进行模拟。通过分析CH_(4)、H_(2)O及中间产物CH_(3)基元反应速率,确定了影响反应的主要物质,进而对反应机理(主要指反应路径)进行了深入分析。结果表明,水蒸气和CH_(4)在催化剂表面发生的吸附和解吸附反应以及H_(2)O(s)(s代表吸附态)和CH_(4)(s)在催化剂表面发生的解离反应对甲烷水蒸气重整反应的影响较大;CH_(4)(s)在催化剂表面的两种解离反应分别为直接解离和与O(s)发生反应解离,且与O(s)发生反应的解离速率要高于直接解离速率。CH_(4)(s)在催化剂表面的反应路径为CH_(4)(g)→CH_(4)(s)→CH_(3)(s)→CH_(2)(s)→CH(s)→C(s),其中CH_(4)(g)→CH_(4)(s)→CH_(3)(s)对反应的影响最大。H_(2)O(g)同样吸附在催化剂表面,其反应路径为H_(2)O(g)→H_(2)O(s)→OH(s)→H(s)。

基于3D打印技术的甲烷水蒸气重整研究

天然气(主要成分为甲烷)重整是天然气高效清洁利用的重要途径,重整获得富含氢气的重整气,可供固体氧化物燃料电池进行高效发电。甲烷水蒸气重整需要反应器以及负载其上的重整催化剂,基于3D打印技术的多孔结构具有良好的耐高温、抗氧化和结构稳定性等特点,负载Ni基催化剂用于甲烷催化重整可有效提升反应器稳定性,但相关研究较少。采用浸渍法将Ni-CeO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)催化剂负载于3D打印制备的多孔结构和金属泡沫反应器,通过催化剂形貌、分布规律、相结构以及热稳定性的表征,研究了重整反应温度、浆料配比、反应器结构等因素对甲烷水蒸气重整效果的影响。结果显示,催化剂的最佳配比是PVA含量为3.5%(若无特殊说明,均为质量分数),Ni含量为19%,CeO_(2)和γ-Al_(2)O_(3)的含量分别为16%和2.5%。重整测试结果表明,负载催化剂前,重整反应温度低于700℃时,Inconel625和泡沫Ni多孔反应器重整得到的氢气浓度均低于13%(体积分数),而重整反应温度高于800℃时,Inconel625和泡沫Fe多孔反应器重整效果接近,但Inconel625稳定性优于泡沫Fe;负载催化剂后,NCA-I(Inconel625)样品始终表现出低于NCA-N(泡沫Ni)和NCA-F(泡沫Fe)的重整性能,这主要是因为NCA-I含有较多的Cr元素,高温下Cr氧化生成Cr2O3氧化膜,阻碍了反应气和Ni的接触,但测试后NCA-I样品表现出优异的稳定性,无明显脆化和断裂现象,可有效提升重整反应器的稳定性。

高灰熔点煤高温下煤焦CO_2/水蒸气气化反应特性的实验研究

我国煤炭年产量中,1400℃以上的高灰熔点煤约占50%以上。为探索固态排渣方式的高灰熔点煤气流床气化,文中选出具有代表性的3种高灰熔点煤种和1种低灰熔点煤种,在TGA-51H型高温热天平上进行了煤焦—CO2和煤焦—水蒸气气化反应特性的实验研究,并利用SEM考察了气化条件下煤焦及灰的微观结构。实验结果表明:在煤焦—CO2/H2O反应过程中,反应速度明显表现出高温区域的扩散反应和低温区域的化学反应;无论在1273～1573K的低温区域,还是在高于1573K的高温区域,反应速率随燃料比的增加而减小;低灰熔点煤在高温条件下,气化反应速率随温度的升高变化不大,有时甚至略有下降;对于高灰熔点煤种其气化反应速率随温度的升高仍继续升高。

微型反应器中甲醇水蒸气重整制氢研究

为了强化甲醇水蒸气重整制氢过程,研制了一种集燃料预热、汽化、过热和重整反应功能于一体的微型反应器.实验考察了反应温度、水醇摩尔比、液体空速等对甲醇转化率、产氢率、反应器出口氢气和一氧化碳浓度的影响,建立了该反应器的数学和动力学模型并进行了三维数值模拟.结果表明,所建模型能较好地反映出反应器的性能,当反应温度、水醇摩尔比和液体空速分别为260℃、1.3、0.2 h-1时,产氢率达0.2 mol/(h.g),可为氢气利用率为80%、效率为60%的燃料电池提供10.2 W的功率.

水蒸气对褐煤原位气化半焦反应性能及微观结构的影响

为了揭示水蒸气对半焦反应性和微观结构的影响，在自制两段新型反应器上依次进行了褐煤干燥、热解及“热，，焦的水蒸气原位气化研究。利用TGA、BET和Raman光谱仪，对原位气化半焦进行反应性和微观结构解析。结果表明，在反应温度为600℃时，水蒸气对半焦转化率、反应性及微观结构影响很小。温度达到700～900℃，在半焦与水蒸气接触的前2min．虽然半焦转化率变化不大，但其反应性、小环（3～5个芳环）与大环（≥6个环）体系之比及含氧官能团却急剧降低：大于2min，半焦转化率逐渐增大，反应性、小环与大环之比及含氧官能团缓慢降低；而半焦孔结构在2min前后却具有基本一致的变化趋势。半焦与水蒸气接触的前2min，小环与大环之比和含氧官能团急剧降低是导致反应性显著降低的重要因素．大于2min，芳环体系的变化是导致反应性进一步降低的原因。

甲烷水蒸气重整反应研究进展

甲烷水蒸气重整(SMR)作为可与多种高温发电系统耦合的燃料供应过程,目前受到相当普遍的重视。本文从SMR的过程和反应机理、甲烷重整催化剂材料和性能评价、传统反应器和微反应器的SMR性能比较,以及耦合SMR系统的匹配等方面,对SMR反应的研究进展进行了归纳和分析。分析结果表明,目前与固体氧化物燃料电池(SOFC)耦合的SMR反应,尤其是与非传统的微小型反应器匹配的催化剂材料、反应器结构设计、结构与材料一体化的研究都有待深入。

钙对褐煤热解和煤焦水蒸气气化反应性的影响

我国褐煤资源较为丰富,热解和气化是其重要利用途径,在该利用途径中,碱土金属元素会对其产生影响。通过浸渍法往酸洗褐煤上植入了不同含量的钙,利用固定床石英反应器研究了钙对褐煤热解特性和煤焦水蒸气气化反应性的影响。实验结果表明,钙可降低褐煤热解温度,显著提高煤焦的水蒸气气化反应性。利用X射线衍射和N2吸附对气化30min后的煤焦进行了表征,结果表明,所植入的钙在煤焦中主要以CaO形式存在,其在煤焦水蒸气气化过程中可使煤焦的比表面积增加、平均孔径变小、孔分布变窄,从而影响煤焦的气化反应性。

微型平板式反应器中甲醇水蒸气重整制氢的研究

研制了一种高效平板式微型制氢反应器,将甲醇重整和催化燃烧集于一体,吸热、放热合理耦合,实现快速启动和制氢过程自热运行;在反应器中进行甲醇水蒸气重整实验,考察了反应器腔内的温度分布,以及温度、空速和水醇比对制氢过程的影响。结果表明,当温度为270℃,空速为870h-1,水醇比为1.3时,甲醇转化率最高为94.85%,重整气组成为74.53%H2、1.76%CO、23.71%CO2;累计运行400h,重整最大产氢量接近6 000mL/h,可为便携式燃料电池提供稳定氢源。

甲烷水蒸气重整和部分氧化反应制合成气

研究了Ni担载量大小,CeO2、La2O3和ZrO2助剂及反应条件对Ni/γ-Al2O3作为催化剂的甲烷水蒸气重整和部分氧化制合成气反应的影响。实验表明:在反应温度为850℃,甲烷空速为1.2×104mL/g·h,V(CH4)∶V(O2)∶V(水蒸气)=2∶1∶1时,催化剂Ni含量在9%时反应性能最佳,甲烷的转化率和CO的选择性分别为97%和94%,反应3小时后有积炭存在。向Ni/γ-Al2O3催化剂中添加CeO2、La2O3、ZrO2助剂后发现,添加6%CeO2对改善催化剂的活性和抗积炭能力有显著的效果,CH4的转化率和CO的选择性分别提高到98.2%和96.4%,而且反应3小时后催化剂活性没有降低。XRD测试结果表明,添加CeO2后的催化剂生成了NiAl2O4尖晶石,这有助于催化剂的抗积炭性能。

脱灰预处理对水稻秸秆物化性/水蒸气气化反应特性的影响

在固定床反应器中研究了水洗、不同浓度酸洗预处理对水稻秸秆物化性／水蒸气气化反应特性的影响。结果表明，水洗处理后稻秆中的钾、钠脱除率分别为90．5％和82．1％，酸洗处理后稻秆中的钾脱除率达到99．2％，而钠脱除率随酸种类略有差异，在84．6％～92．3％；酸洗并未改变稻秆中主要组分含量，但破坏了稻秆微观物理结构。比较不同浓度酸洗后稻秆的孔容、孔径分布、BET比表面积发现，各指标的排列顺序均为水洗稻秆〉3％硫酸洗后稻秆〉原稻秆〉7％硫酸洗后稻秆〉10％硫酸洗后稻秆；各种预处理酸的浓度均为3％时，硫酸洗后稻秆的孔容、孔径分布、BET比表面积最大，而磷酸洗后稻秆各指标则最小。水蒸气气化结果表明，钾、钠及丰富的孔径结构均能促进H2的生成，且钾、钠对气化过程的作用明显强于孔径结构对气化过程的影响。水洗稻秆气化产气中H2、CO2的瞬时释放浓度高于酸洗稻秆；CO、CH4则相反。4种酸的浓度为3％时，稻秆气化中H2、CO2瞬时释放浓度与稻秆孔径分布呈正相关性；CO、cH4瞬时释放浓度则与稻秆孔径分布呈负相关性。4种酸浓度为3％时，孔径越丰富，气化速率越快。脱灰预处理虽降低了稻秆气化氢气产率，但提高了气化气体热值。

微反应器中甲醇-水蒸气重整制氢三维模拟

为考察进口温度、速度和水醇比对微反应器中甲醇-水蒸气重整制氢过程的影响,利用计算流体力学软件FLUENT中的通用有限速率模型对自行设计的平板微通道反应器中甲醇-水蒸气重整制氢进行了三维数值模拟.反应动力学采用甲醇分解和蒸气重整双速率幂函数模型.计算表明,在反应物进口速度为2.88 m/s、进口温度为493 K和水醇比为1.3的反应条件下,反应器出口转化率达79.8%.通过模拟可以看出微反应器能够在较大的反应物流量下保持较高的出口氢气含量和较高的甲醇转化率.

乙醇水蒸气重整制氢反应机理及动力学研究进展

概述了乙醇水蒸气重整制氢的反应机理和动力学研究进展。乙醇水蒸气重整制氢动力学,有幂函数速率方程的经验模型及双曲线速率方程的机理模型两大类,其中以表面反应为速率控制步骤(RDS)的机理模型,又分为Langmuir-Hinshelwood机理(L-H机理)和Eley-Rideal机理(E-R机理)模型。也有属于L-H机理的Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson机理(LHHW机理)模型提出。

甲烷水蒸气重整与甲烷无氧芳构化反应耦合提高Mo/MCM-49催化剂稳定性(英文)

甲烷无氧芳构化(MDA)和甲烷水蒸气重整(MSR)的耦合反应可以大幅度提高甲烷无氧芳构化反应的稳定性.单独的甲烷无氧芳构化反应失活较快,甲烷转化率从0.5h的14.5%很快下降至15h的3.5%.而采用联合MSR/MDA反应体系,甲烷的转化率从12.5h的11.5%非常缓慢地下降至60h后的6.5%.MSR反应原位生成的CO和H2能降低反应中生成的CHx物种数量,减少催化剂上积炭的生成,进而延长反应时间.MSR反应过程中高比例H2的生成更能有效地减少与B酸相关的积炭的生成,从而更好地抑制反应的失活.

板翅式反应器中甲醇水蒸气重整制氢

研制了一种高效板翅式反应器, 其特点是体积相对较小, 便于放置, 便于扩大规模; 集预热、气化、重整、催化燃烧于一体; 板翅式反应器内部热量利用合理, 放热反应与吸热反应、气化与冷却之间实现了较好的热量耦合; 可实现完全自供热. 在反应器中进行了一系列甲醇水蒸气重整的实验, 考察了不同条件对甲醇重整制氢过程的影响、对反应器床层温度分布的影响, 及反应器的稳定性. 另外, 由于板翅式结构的良好传热性,甲醇水蒸气重整在获得较高转化率的同时重整气中CO浓度较低, 且反应器的稳定性良好.

微型流化床中生物质半焦水蒸气气化反应特性及动力学研究

利用微型流化床反应分析仪考察了1123~1223 K及10%~40%蒸汽分压(SP)条件下生物质半焦-水蒸气气化的反应特性并计算动力学。结果表明:升高温度和SP有利于缩短反应时间,提高产物(H_(2)、CO和CO_(2))生成率及总C转化率。低温(1123 K)下,反应受SP影响较大,以H_(2)最为明显,增幅达1.97倍;在1223 K、SP≥20%条件下,因受活性位点制约,SP对反应影响较小。随温度升高,CO/CO_(2)体积产率比呈现出先减小后增大趋势;在1123 K和1173 K下,随SP升高,CO/CO_(2)的体积产率比值降低;在1223 K下,该值维持在1.25左右。采用缩核模型求取不同SP下总碳转化活化能(E_(a))在71.29~76.78 kJ/mol范围内,H_(2)、CO_(2)和CO的生成活化能分别在95.44~101.82、83.56~89.35和70.41~74.86 kJ/mol之间。测试结果弥补了现有分析仪难以测定气化过程中气体产物生成特性和动力学的局限性。

Cr-Zn催化剂上甲醇水蒸气转化反应动力学 Ⅱ.宏观动力学

用Berty型无梯度反应器研究了原颗粒Cr-Zn系催化剂MOR -67上甲醇水蒸气转化制氢反应的宏观动力学。以水蒸气转化反应和分解反应为独立反应 ,获得了可供实用的宏观动力学方程。效率因子计算表明 ,内扩散影响严重 ,催化剂效率很低 ,有必要通过催化剂工程设计 。

微反应器内甲醇水蒸气重整制氢动力学研究

采用自制微型反应器和常规颗粒催化剂在常压、温度为450～550K、水醇比为1．1～1．3的条件下，通过沿反应通道控制催化剂颗粒梯级分布进行了甲醇水蒸气重整制氢的动力学测试。结果表明，重整产物中CO含量较低，可采用甲醇和水反应生成二氧化碳和氢气的单速率动力学模型；通过数据处理，得到如下动力学方程：rSR=3．72×10^10exp（-1069762/RT）P0.6730 CH2OH P0.3707 H2O.F统计检验表明所得动力学模型的复相关指数大于0．9，且F统计量比置信域为99％的临界F统计量大10倍以上。所得动力学方程为实测中微型反应器的优化设计提供了数学模型基础。

水反应金属燃料在水蒸气环境下的稳态燃烧特性

为探索高金属含量水冲压发动机的稳态燃烧机理,开展了镁基高金属含量水反应金属燃料在水蒸气氛围下的稳态燃烧试验研究,燃料中金属镁含量高于70%。采用直径0.5 mm的K型热电偶测量燃料燃烧波曲线,并拍摄了火焰图片。结果显示,工作压强2.0 MPa时,燃料稳态燃烧的燃面温度约为900.1℃,气相平衡火焰温度约为1 214.9℃;燃烧火焰明亮并紧贴燃面,没有颗粒燃烧形成的火星或轨迹。分析总结了镁基高金属含量水反应金属燃料在水蒸气氛围下的稳态燃烧特性,认为镁颗粒在燃面以熔融状态存在,并与水蒸气在燃面附近进行剧烈的放热反应,水蒸气向燃面的扩散过程是稳态燃烧的关键。