铁基氧载体生物质化学链技术研究
发布时间：2021-01-13 21:08
化学链燃烧技术具有CO2内分离特性,被誉为解决能源与环境问题的创新性突破口。生物质能源具有储量丰富、分布广泛、污染小以及碳中性等优点,是最具潜力替代化石能源的可再生能源。将生物质应用于化学链技术中有助于减少碳排放,具有广阔的发展前景。铁基氧载体由于价格低廉、环境友好和资源丰富等优势,将其应用于化学链技术中可大幅降低运行成本,但其反应活性较低,载氧能力低等缺点限制了铁基载体的应用。针对上述问题,本文以农林废弃生物质为燃料,开展铁基氧载体生物质化学链技术研究,主要研究内容及结果如下:（1）采用热重分析仪研究农林废弃生物质原料的热解特性。与单步反应模型相比、组合三平行动力学模型能更好地揭示农林废弃生物质热解机理。其中,伪组分半纤维素的热解机理是成核和扩散效应的共同作用,伪组分纤维素的热解符合成核和核心生长模型,伪组分木质素的热解机制非常复杂,可能是成核、扩散、几何收缩以及幂律反应机制的共同作用。伪组分半纤维素、伪组分纤维素以及伪组分木质素的热解机理函数分别为f（α）=（1-α）1.6244α-0.3371[-ln（1-α）]<...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
生物质化学链燃烧两种途径
生物质化学链气化(Chemical looping gasification,CLG)技术原理如图1-4所示。与生物质化学链燃烧技术最大的不同点在于:生物质化学链气化技术的目标产物是合成气,而生物质化学链燃烧技术的主要目标产物为热量。在生物质化学链气化技术中,生物质在燃料反应器内与氧载体提供的晶格氧反应获得合成气,而氧载体失去晶格氧后被转移到空气反应器中再生。与传统的生物质气化技术相比,生物质化学链气化技术主要具有以下优点:首先,在生物质化学链气化技术中,通过氧载体在不同反应器间循环为气化过程提供氧,减少了气化介质的使用,有助于降低成本;其次,氧载体在空气反应器内的氧化再生过程属于放热反应,通过氧载体的循环,可以为生物质气化提供热量,减少了对生物质气化过程的热能供给;最后,相比于传统气化过程发生的气-气反应,在生物质化学链气化过程中,氧载体与生物质热解气态产物之间的气-固反应在常压下就能进行。虽然生物质化学链气化技术起步较晚,但在国内外研究人员的努力下,仍然取得了不错的成果。得益于铜基氧载体在化学链燃烧技术中的广泛研究,基于铜基氧载体的生物质化学链气化技术获得了较多关注。郭磊等采用溶胶凝胶法制备CuO/CuAl2O4氧载体,研究了木屑的生物质化学链气化过程,获得了较高的产气率以及碳捕获效率,减少产气中焦油产率,但是产气热值与气化效率不高[102]。赵坤等采用CuO为氧载体,对生物质化学气化进行热动力学分析,结果认为理论合成气中CO与H2的比例最高可达98.8%;此外,加入水蒸汽有利于提高碳转化率以及调节合成气中H2/CO比例[113]。Guo Lei等采用天然铜矿石为氧载体进行生物质化学链制备合成气实验研究,结果发现铜矿石还表现出较好的循环性能以及抗烧结能力,但是合成气热值以及气化效率较低[114]。程明等采用溶胶凝胶法制备了多种铜基氧载体并将其应用于煤与稻壳的气化技术中,结果发现5%Co3O4/CuO气化性能最好;与水蒸汽气化相比,化学链气化过程产生更多的H2与CO[115]。付范萱采用CuO/MgAl2O4为氧载体进行生物质化学链气化技术研究,结果认为添加惰性负载MgAl2O4明显改善了铜基载体的释氧能力以及循环性能,制备合成气最佳CuO/C摩尔比例为0.35[116]。
随着化学链燃烧技术发展,还衍生了化学链气化(Chemical looping gasification)、化学链重整(Chemical looping reforming)及化学链制氢(Chemical looping hydrogen)等技术。化学链重整技术原理与化学链气化技术相似,在燃料反应器出口获得主要成分为CO与H2的合成气,为了获得高浓度H2,在水汽变换后对H2和CO2进行分离即可获得高纯氢气[125]。然而化学链制氢技术可在一个流程中同时完成高浓度H2的制取和高浓度CO2的富集,不需要气体分离装置,化学链制氢技术原理如图1-5所示。在化学链制氢技术中,氧载体在燃料反应器中与燃料反应产生CO2和H2O。随后,还原态的氧载体进入水蒸汽反应器与水蒸汽反应产生H2。理想状态下,仅仅通过冷凝即可获得高纯H2与CO2。相比于化学链重整制氢技术,减少了氢气分离设备。然而,相比于其他化学链技术,化学链制氢技术除了要求氧载体具备常规的性能外,还需要氧载体具备与水蒸汽反应制取氢气的能力。Gupta等人对多种金属氧化物进行热力学分析后认为Fe2O3被认为是化学链制氢技术中最为适合的氧载体[126]。由于铁基载体具有多个还原形态,Chiesa等对化学链制氢技术进行了改进,即在水蒸汽反应器后添加一个空气反应器,也就是三串联反应器化学链制氢工艺,如图1-6所示[127]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同原料制氢工艺技术方案分析及探讨[J]. 杨小彦,陈刚,殷海龙,徐婕,张生军. 煤化工. 2017(06)
[2]基于Fe2O3载氧体的生物质化学链气化热力学模拟研究[J]. 黄振,刘帅,李德波,湛志钢,何方,李海滨. 太阳能学报. 2017(05)
[3]燃料重整制氢技术研究进展[J]. 冯是全,胡以怀,金浩. 华侨大学学报(自然科学版). 2016(04)
[4]NiFe2O4为载氧体的生物质半焦化学链燃烧热力学模拟研究[J]. 刘帅,黄振,何方,郑安庆,沈阳,李海滨. 新能源进展. 2016(03)
[5]生物质直接进料的化学链技术进展[J]. 陈阳,梁皓,张喜文. 当代化工. 2016(05)
[6]Biomass gasification technology: The state of the art overview[J]. Antonio Molino,Simeone Chianese,Dino Musmarra. Journal of Energy Chemistry. 2016(01)
[7]生物质能源的应用技术研究[J]. 王雨生,傅建祥. 青岛农业大学学报(自然科学版). 2015(03)
[8]甲烷蒸汽重整制氢过程的数值模拟[J]. 冯靓婧,曹长青. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[9]生物质化学制氢技术研究进展[J]. 陈冠益,孔韡,徐莹,李婉晴,马隆龙,颜蓓蓓,陈鸿. 浙江大学学报(工学版). 2014(07)
[10]基于化学链技术制氢的研究进展[J]. 罗明,王树众,王龙飞,吕明明,肖仲正,朱佳斌. 化工进展. 2014(05)
硕士论文
[1]CuFe双金属氧载体的生物质化学链气化研究[D]. 马阅新.华中科技大学 2016
[2]改性铜基载氧体与松木共气化特性研究[D]. 付范萱.重庆大学 2016
[3]基于化学链气化的铜基载氧体制备与性能研究[D]. 程明.南京理工大学 2016
[4]基于铜基氧载体的生物质化学链利用研究[D]. 郭磊.华中科技大学 2015
[5]生物质化学链燃烧过程中氮的迁移机理研究[D]. 肖申.东南大学 2015
[6]气基还原氧化铁动力学机理研究[D]. 陈庚.大连理工大学 2011
本文编号：2975565
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
生物质化学链燃烧两种途径
生物质化学链气化(Chemical looping gasification,CLG)技术原理如图1-4所示。与生物质化学链燃烧技术最大的不同点在于:生物质化学链气化技术的目标产物是合成气,而生物质化学链燃烧技术的主要目标产物为热量。在生物质化学链气化技术中,生物质在燃料反应器内与氧载体提供的晶格氧反应获得合成气,而氧载体失去晶格氧后被转移到空气反应器中再生。与传统的生物质气化技术相比,生物质化学链气化技术主要具有以下优点:首先,在生物质化学链气化技术中,通过氧载体在不同反应器间循环为气化过程提供氧,减少了气化介质的使用,有助于降低成本;其次,氧载体在空气反应器内的氧化再生过程属于放热反应,通过氧载体的循环,可以为生物质气化提供热量,减少了对生物质气化过程的热能供给;最后,相比于传统气化过程发生的气-气反应,在生物质化学链气化过程中,氧载体与生物质热解气态产物之间的气-固反应在常压下就能进行。虽然生物质化学链气化技术起步较晚,但在国内外研究人员的努力下,仍然取得了不错的成果。得益于铜基氧载体在化学链燃烧技术中的广泛研究,基于铜基氧载体的生物质化学链气化技术获得了较多关注。郭磊等采用溶胶凝胶法制备CuO/CuAl2O4氧载体,研究了木屑的生物质化学链气化过程,获得了较高的产气率以及碳捕获效率,减少产气中焦油产率,但是产气热值与气化效率不高[102]。赵坤等采用CuO为氧载体,对生物质化学气化进行热动力学分析,结果认为理论合成气中CO与H2的比例最高可达98.8%;此外,加入水蒸汽有利于提高碳转化率以及调节合成气中H2/CO比例[113]。Guo Lei等采用天然铜矿石为氧载体进行生物质化学链制备合成气实验研究,结果发现铜矿石还表现出较好的循环性能以及抗烧结能力,但是合成气热值以及气化效率较低[114]。程明等采用溶胶凝胶法制备了多种铜基氧载体并将其应用于煤与稻壳的气化技术中,结果发现5%Co3O4/CuO气化性能最好;与水蒸汽气化相比,化学链气化过程产生更多的H2与CO[115]。付范萱采用CuO/MgAl2O4为氧载体进行生物质化学链气化技术研究,结果认为添加惰性负载MgAl2O4明显改善了铜基载体的释氧能力以及循环性能,制备合成气最佳CuO/C摩尔比例为0.35[116]。
随着化学链燃烧技术发展,还衍生了化学链气化(Chemical looping gasification)、化学链重整(Chemical looping reforming)及化学链制氢(Chemical looping hydrogen)等技术。化学链重整技术原理与化学链气化技术相似,在燃料反应器出口获得主要成分为CO与H2的合成气,为了获得高浓度H2,在水汽变换后对H2和CO2进行分离即可获得高纯氢气[125]。然而化学链制氢技术可在一个流程中同时完成高浓度H2的制取和高浓度CO2的富集,不需要气体分离装置,化学链制氢技术原理如图1-5所示。在化学链制氢技术中,氧载体在燃料反应器中与燃料反应产生CO2和H2O。随后,还原态的氧载体进入水蒸汽反应器与水蒸汽反应产生H2。理想状态下,仅仅通过冷凝即可获得高纯H2与CO2。相比于化学链重整制氢技术,减少了氢气分离设备。然而,相比于其他化学链技术,化学链制氢技术除了要求氧载体具备常规的性能外,还需要氧载体具备与水蒸汽反应制取氢气的能力。Gupta等人对多种金属氧化物进行热力学分析后认为Fe2O3被认为是化学链制氢技术中最为适合的氧载体[126]。由于铁基载体具有多个还原形态,Chiesa等对化学链制氢技术进行了改进,即在水蒸汽反应器后添加一个空气反应器,也就是三串联反应器化学链制氢工艺,如图1-6所示[127]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同原料制氢工艺技术方案分析及探讨[J]. 杨小彦,陈刚,殷海龙,徐婕,张生军. 煤化工. 2017(06)
[2]基于Fe2O3载氧体的生物质化学链气化热力学模拟研究[J]. 黄振,刘帅,李德波,湛志钢,何方,李海滨. 太阳能学报. 2017(05)
[3]燃料重整制氢技术研究进展[J]. 冯是全,胡以怀,金浩. 华侨大学学报(自然科学版). 2016(04)
[4]NiFe2O4为载氧体的生物质半焦化学链燃烧热力学模拟研究[J]. 刘帅,黄振,何方,郑安庆,沈阳,李海滨. 新能源进展. 2016(03)
[5]生物质直接进料的化学链技术进展[J]. 陈阳,梁皓,张喜文. 当代化工. 2016(05)
[6]Biomass gasification technology: The state of the art overview[J]. Antonio Molino,Simeone Chianese,Dino Musmarra. Journal of Energy Chemistry. 2016(01)
[7]生物质能源的应用技术研究[J]. 王雨生,傅建祥. 青岛农业大学学报(自然科学版). 2015(03)
[8]甲烷蒸汽重整制氢过程的数值模拟[J]. 冯靓婧,曹长青. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[9]生物质化学制氢技术研究进展[J]. 陈冠益,孔韡,徐莹,李婉晴,马隆龙,颜蓓蓓,陈鸿. 浙江大学学报(工学版). 2014(07)
[10]基于化学链技术制氢的研究进展[J]. 罗明,王树众,王龙飞,吕明明,肖仲正,朱佳斌. 化工进展. 2014(05)
硕士论文
[1]CuFe双金属氧载体的生物质化学链气化研究[D]. 马阅新.华中科技大学 2016
[2]改性铜基载氧体与松木共气化特性研究[D]. 付范萱.重庆大学 2016
[3]基于化学链气化的铜基载氧体制备与性能研究[D]. 程明.南京理工大学 2016
[4]基于铜基氧载体的生物质化学链利用研究[D]. 郭磊.华中科技大学 2015
[5]生物质化学链燃烧过程中氮的迁移机理研究[D]. 肖申.东南大学 2015
[6]气基还原氧化铁动力学机理研究[D]. 陈庚.大连理工大学 2011
本文编号：2975565
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