钙基复合载氧体/煤化学链气化反应性能研究

摘要

在环境污染与能源紧缺的双重压力下，世界各国均大力发展能源清洁高效利用技术。煤化学链气化技术（Chemical-LoopingGasification，CLG）将煤催化气化技术与化学链技术耦合在一起，是一种新颖高效的煤气化技术，近年来受到了研究者们的广泛关注。CLG是利用载氧体向煤气化提供反应所需的氧与热量，通过控制载氧体、气化剂、燃料三者之间的比率来获得目的气化产物。本文对钙基载氧体/煤化学链气化技术进行了系统研究，主要研究内容及结论如下:
　　首先，在间歇流化床反应器中，以水蒸气作为气化-流化介质考查了载体对钙基载氧体性能的影响。以γ-A12O3、SiO2、膨润土(Bentonite)三种材料作为载体，采用机械混合造粒法制备了三种载氧体。在化学链气化实验中发现CaSO4/Bentonite(CaBen)载氧体性能良好，900℃时烟煤（神木煤）的碳转化率及冷煤气效率分别达到90.24％、80.32％。在磨损实验中CaBen载氧体表现出良好的抗磨损性能，磨损实验进行200min后其磨损率为0.87％。通过实验研究了操作条件对钙基载氧体与煤化学链气化反应性能的影响，发现反应温度、水蒸气流量等操作条件对载氧体与煤化学链气化的反应性能影响较大。温度由750℃升高到950℃，烟煤、褐煤（北宿煤）与无烟煤（阳泉煤）的平均碳转化速率及冷煤气效率也随之升高;温度对烟煤的影响较为明显，在950℃时，其平均碳转化速率达到4.52％/min，冷煤气效率为87.95％。三种煤的停留时间均随水蒸气流量的增加而缩短。
　　其次，采用机械混合浸渍法制备了三种钙基复合载氧体，发现温度为900℃时，添加不同修饰物的钙基载氧体与烟煤的反应活性依次为CaKBen＞CaCaBen＞CaFeBen＞CaBen。对复合载氧体CaKBen循环性能进行考察发现，在十次循环实验中烟煤的冷煤气效率保持在85％左右，表明复合载氧体CaKBen的循环性能良好，XRD与SEM分析表明载氧体晶相结构稳定、孔隙发达。对复合载氧体CaKBen与煤化学链气化反应机理及反应动力学进行研究表明，活性位扩展模型很好地揭示了复合载氧体CaKBen与煤化学链气化反应的动力学规律，证明了气化过程中CaSO4与K2CO3具有协同作用。
　　另外，对钙基载氧体在化学链气化过程中硫释放规律进行了研究，发现温度及水蒸气流量等操作条件对含硫气体的释放影响较大。温度的升高及水蒸气流量增加均使得钙基载氧体副反应速率加快，含硫气体H2S达到平衡值及COS含量达到峰值的时间缩短。复合载氧体CaCaBen释放的COS气体含量峰值降低了2.76倍，H2S气体含量达到平衡值的时间延长了近5倍，说明CaO对CaSO4及CaS的副反应有明显的抑制作用。

目录

摘要

符号说明

1 文献综述

1．1 课题背景

1．2 煤气化技术的研究及发展历程

1．2．1 煤气化技术的发展现状

1．2．2 煤催化气化技术

1．2．3 煤气化反应动力学

1．3 化学链技术的发展及研究现状

1．3．1 化学链燃烧工艺

1．3．2 化学链气化工艺

1．3．3 载氧体

1．3．4 反应器

1．4 本文的研究内容和创新点

1．4．1 研究内容

1．4．2 创新点

2 钙基载氧体／煤化学链气化反应性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 载氧体制备与表征

2．2．2 煤样制备

2．2．3 化学链气化实验装置及操作流程

2．2．4 磨损实验装置及操作流程

2．2．5 实验数据处理方法

2．3 实验结果

2．3．1 载体种类对载氧体化学链气化性能及机械性能的影响

2．3．2 水蒸气流量对钙基载氧体化学链气化的影响

2．3．3 温度对钙基载氧体化学链气化的影响

2．3．4 钙基载氧体对煤气化产物的影响

2．4 本章小结

3 钙基复合载氧体／煤化学链气化反应性能及反应动力学研究

3．1 引言

3．2 实验条件

3．2．1 样品制备

3．2．2 实验流程及数据处理方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 不同钙基复合载氧体对煤化学链气化反应活性的影响

3．3．2 复合载氧体CaKBen的作用机理

3．3．3 复合载氧体CaKBen的循环反应性

3．3．4 复合载氧体CaKBen与不同煤种的化学链气化反应特性

3．3．5 复合载氧体CaKBen化学链气化反应动力学分析

3．4 本章小结

4 钙基载氧体在煤化学链气化过程中的硫释放规律

4．1 引言

4．2 在燃料反应器中钙基载氧体副反应的热力学分析

4．2 实验数据处理方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 反应温度对钙基载氧体硫释放的影响

4．3．2 水蒸气流量对钙基载氧体硫释放规律的影响

4．3．2 不同钙基复合载氧体的硫释放规律

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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