基于铝水反应-碳热还原法的铝能源循环系统基础研究

摘要

能源危机和环境污染是当前人类面临的两大问题，开发无污染的新型能源成为迫在眉睫的任务，氢能正是这样一种能量密度高并且对环境友好的可再生能源。铝水反应能够制取氢气，同时产生大量热量，能够在多种场合下进行利用。以铝为燃料的制氢能源系统在降低能耗和保护环境方面具有突出的优势，对于发展资源节约型和环境友好型社会具有重要意义。
　　本文首先研究了铝水反应的动力学特性以及镁锂对该反应的促进效果。实验主要在THERMO CAHN’s Thermax500压力热天平上进行，铝的比例为85％，镁和锂的比例从0%变化至15%。在连续通水条件下，添加镁和锂能够提升反应效率，使反应铝的比例超过50%甚至达到89%。反应过程具有三阶段变化规律，而且这三个阶段分别对应Li，Mg和Al三种金属与水蒸气的反应。铝水反应后的主要产物为LiAlO2，Li2Al4O7，Al2O3，和MgO，添加镁和锂通过三种不同的机理促进铝水反应的进行，包括形成局部高温条件、与氧化产物反应以及摩擦碰撞作用等破坏氧化铝薄膜，提升金属铝的反应效率。
　　碳热还原制铝由于其低能耗、低污染的特点被认为是未来的制铝方法。本文对Al-C两步反应模型进行了热动力学分析。高温条件有利于提升第一步反应的反应效率，却会降低其效率，而第二步反应变化规律正好相反。能量分析发现反应过程中存在一个反应效率和效率都很高的最佳温度窗口。实际应用中，余热利用能够提升反应效率和效率，理论上可以使反应能耗从11335kW·h/t(Al)降到8063kW·h/t(Al)。和电解铝进行比较时，真空氯化碳热还原法能够实现67%的效率，达到电解铝的1.7倍。
　　从铝水反应和碳热还原法出发，利用铝水反应生成的氧化铝作为碳热还原制铝的原料，达到循环利用的目的，建立了铝能源系统。对碳热还原过程进行生命周期评价，发现其相对于电解铝过程能够减少17.9%的总能源消耗，降低34.3%的温室气体排放，对人体毒性指数也大幅下降，表明其是一个对环境影响较小的过程，在环境保护和能源节约上极具发展潜力。

目录

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致谢

1.绪论

1.1 制氢技术研究现状

1.2 储氢技术研究现状

1.3 铝水反应研究现状

1.4 铝生产方法研究现状

1.5研究目标及方案设计

2 实验装置介绍

2.1 加压热重实验台

2.2 XRD射线衍射分析仪

2.3 SEM扫描电子显微镜

2.4 实验样品

3铝水反应动力学特性研究

3..1 连续通水条件下AlMgLi与水蒸气反应的动力学特性

3.2 700℃通水条件下AlMgLi与水蒸气反应的动力学特性

3.3 反应产物分析

3.4 反应机理分析

3.5 小结

4 氯化碳热还原法生产铝的热力学分析

4.1 CCRA模型与研究方法

4.2 反应效率分析

4.3 ?效率分析

4.4 典型工况下的能量分析和?分析

4.5 和电解铝对比

4.6 小结

5 碳热还原制铝的生命周期评价

5.1 生命周期评价方法

5.2 Gabi软件介绍

5.3 CCRA生命周期分析

5.4 能源环境综合对比

5.5 对CCRA的评价

6 总结及展望

6.1 全文总结

6.2 本文创新点

6.3 建议及展望

参考文献

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