合成铜基氧载体和铜矿石的煤化学链氧解耦燃烧的比较

为研究合成铜基氧载体与铜矿石氧载体在煤的化学链氧解耦燃烧过程中性能的差别,在热重分析仪（TGA）上比较研究了溶胶-凝胶法制备的CuO/CuAl2O4氧载体与天然铜矿石氧载体的释氧性能,在流化床反应器上研究了这2种氧载体与高平无烟煤的化学链氧解耦燃烧反应性能。TGA实验结果表明,CuO/CuAl2O4氧载体的释氧速率和载氧率均高于铜矿石氧载体,2种氧载体的循环释氧性能基本保持稳定。在与煤反应的流化床实验中,CuO/CuAl2O4氧载体相较于铜矿石具有更高的碳转化速率和氧载体转化速率;在不同温度（850950℃）下,CuO/CuAl2O4和铜矿石的CO2产率均保持在较高的水平（大于0.93）;循环实验表明2种氧载体均具有良好的循环反应性和稳定性。

部分氧解耦煤化学链燃烧中硫的演化与分布

在实验室高温固定床反应器上,以富含黄铁矿硫的六枝煤为燃料,研究其与CuFe 2O 4复合载氧体在部分氧解耦化学链燃烧(CLPOU)过程中气、固相硫的演化及分布,并进一步考察反应温度、载氧体过量系数及CO 2反应气氛对硫迁移转化的影响。结果表明,无论在程序升温实验或等温实验中,反应器出口气相硫仅为SO 2,而固相硫组分以Cu 2S为主。提高反应温度和载氧体过量系数会促进煤中硫的氧化,导致更多气相SO 2的释放;而CO 2反应气氛则在一定程度上抑制SO 2的产生。鉴于CuFe 2O 4复合载氧体的高反应活性和Cu基氧化物的良好固硫特性,CuFe 2O 4载氧体有望实现煤化学链燃烧过程中碳、硫组分的协同在线控制。

基于CuO/SiO_2载氧体的化学链氧解耦燃烧实验研究

在间歇式小型流化床中利用CuO/SiO_2为载氧体针对煤CLOU过程进行了初步实验研究。研究发现,在CLOU还原阶段,煤的燃烧过程非常迅速。950℃时,仅需要60 s左右反应即结束。反应过程中O_2的浓度并不为0,说明载氧体释放氧气的速率较快,而焦炭的氧化过程是速率限制步骤。温度对反应过程有明显的影响,提高反应温度能显著提高燃料转化效率,但是高温条件下载氧体有烧结倾向,提高Cu基载氧体的高温条件下的稳定性是未来的研究重点。

耦合化学链氧解耦燃烧的煤分级利用系统过程模拟和分析

煤炭分级利用技术可有效提高煤炭利用率,但无法解决CO_2减排问题,而化学链氧解耦燃烧技术(chemical looping with oxygen uncoupling,CLOU)可有效处理半焦,实现CO_2捕集并减少有害物质NOx的生成。结合CLOU和煤分级利用技术,提出一种新型的煤炭高效利用系统,并通过Aspen Plus对该新型系统进行过程模拟和分析。结果表明,相比于常规煤分级利用系统,该系统的系统效率提高了2.12个百分点,效率提高了20.68%,系统损降低了22.04%,实现了能量的高效利用。耦合CLOU的煤分级利用系统的烟气中CO_2浓度高达96.21%,经冷凝可获取高纯度CO_2产品;NOx含量显著降低,能够有效的降低半焦燃烧过程中NOx的排放。耦合CLOU的煤分级利用系统将是一种具有发展前景的CO_2捕集和环境友好型的煤炭高效利用技术。

单颗粒模拟研究化学链氧解耦燃烧中煤焦颗粒转化特性

主要研究在典型的化学链氧解耦燃烧(chemical looping combustion with oxygen uncoupling,CLOU)气氛下水蒸气对煤焦转化特性的影响。通过单因素分析,模拟在不同温度、煤焦颗粒粒径、氧气浓度、水蒸气浓度下开展。研究结果表明,在低O_(2)浓度(1%)下,水蒸气气化反应可明显增加煤焦转化速率;而在较高的O_(2)浓度下(5%),水蒸气对煤焦转化速率的贡献则不明显。通过对O_(2)浓度分布以及局部转化率等煤焦转化过程中的参数分析认为,水蒸气气化反应主要发生于颗粒内部,而氧化反应主要发生在颗粒外部。

铜基氧载体化学链氧解耦的流化床实验研究

采用溶胶-凝胶法制备了CuO/CuAl2O4氧载体,在CO2气氛下和空气气氛下,分别研究了该氧载体的释氧和吸氧性能,研究结果表明,随着温度的升高,氧载体的释氧、吸氧速率不断升高.随后在N2气氛下研究了3种典型煤的化学链氧解耦燃烧过程,结果表明,煤中挥发分的含量直接影响燃烧过程的快慢,在氧解耦燃烧时,高挥发分的褐煤尾气中,CO2体积分数比无烟煤高15%左右,褐煤中碳的平均转化率为无烟煤的2～3倍.

化学链燃烧中CuO载氧体释氧吸氧特性研究

首先利用热重法考察了氧解耦化学链燃烧(CLOU)中CuO载氧体在不同氧气气氛以及不同温度等工况下的释氧特性、Cu2O在不同温度下的吸氧特性以及CuO载氧体的持续循环能力.最后采用Achar-Brindley-Sharp-Wendworth方法对氧化铜在不同氧气浓度下的动力学参数进行了拟合求解.结果表明,CuO释氧速率随反应温度的提高而增加.氧气浓度越高,CuO在释氧温度区间的活化能大幅增加,因此开始析出氧气的温度也越高.对于Cu2O,温度越高,反应后阶段的吸氧速率越快.经过20次循环,CuO的释氧吸氧能力逐渐降低.

铜矿石吸氧释氧及化学链氧解耦燃烧反应研究

化学链氧解耦燃烧是一种新型燃烧方式。本文在小型流化床实验台上,进行天然铜矿石吸氧/释氧循环反应和与高平煤的化学链氧解耦燃烧反应性能研究,发现氧载体具有良好的吸氧/释氧性能和煤化学链氧解耦燃烧性能,反应前后载体化学组分较为稳定,结构多孔,天然铜矿石适合用于高温制氧和煤CLOU过程。

石墨成孔法制备的两种铜基载氧体释氧以及循环反应特性

通过石墨成孔浸渍法制备了Cu6Ti4和Cu6Si4这2种氧解耦化学链燃烧铜基载氧体,并利用热重分析仪、X衍射仪和扫描电镜对其进行了研究,主要考察了不同反应温度和不同氧气分压下的释氧特性,以及1 000℃温度下的循环稳定特性等。热重实验结果表明:随着反应温度的增加,载氧体的转化速率,即载氧体中氧气的释放速率加快。Cu6Ti4载氧体在温度较低时的释氧性能要优于Cu6Si4载氧体,且Cu6Ti4载氧体在不同氧气分压下的开始释氧温度都要低于Cu6Si4载氧体。经过20次释氧/吸氧往复循环后,Cu6Si4载氧体仍然保持着很好的释氧吸氧能力,载氧量仅下降0.5%,而Cu6Ti4载氧体下降了1.5%。通过扫描电镜观察了两种载氧体循环反应前后的物相结构,结果发现Cu6Si4载氧体经过20次反应后,其表面结构仍有多孔结构,有利于氧气的析出和结合。

Mn_3O_4吸氧特性及飞灰和炉渣对其循环特性的影响

利用热重分析仪研究了化学链氧解耦燃烧中Mn3O4的吸氧特性.借助热重分析仪考察Mn3O4在不同温度、不同氧气体积分数下的吸氧特性及其循环特性,重点研究了飞灰和炉渣对循环特性的影响.辅以SEM和XRD对循环前后的颗粒进行表征和颗粒成分分析.实验结果表明,随着反应温度的升高,Mn3O4吸氧时间增加;氧气体积分数越高,吸氧时间越少.对循环测试表明,Mn3O4有较好的循环能力;炉渣中含有的Si O2对Mn3O4循环能力有较大影响,而飞灰对其影响不大.

CuO与负载间相互作用的密度泛函理论

通过密度泛函理论(DFT)模拟了不同负载对Cu基氧载体反应性能和抗烧结性能的影响.首先通过DFT模拟计算得出了CuO纳米团簇在4种不同负载(TiO_2、ZrO_2、CuAl_2O_4和MgAl_2O_4)上的吸附能分别为-2.96eV、-5.14eV、-4.25eV和-5.42eV,其中TiO_2的吸附能最低,不利于氧载体颗粒的抗烧结性,但CuO在ZrO_2、CuAl_2O_4和Mg Al2O4上的高吸附能有助于抑制氧载体的烧结.通过计算不同负载下团簇释氧过程的能量势垒来比较负载对氧载体释氧性能的影响.结果表明,氧气分子从表面的脱附过程是整个释氧过程的速控步骤.不同负载(TiO_2、ZrO_2、CuAl_2O_4和MgAl_2O_4)下CuO纳米团簇总的释氧能量势垒分别为3.45eV、3.33eV、3.28eV和3.41eV,其中负载于CuAl_2O_4的CuO释氧能量势垒最低,反应活性最高.