复合载氧体的西部煤化学链制氢反应特性
发布时间：2022-01-13 01:04
化石燃料的不断消耗以及由此带来的环境问题是当今社会关注的焦点,所以提出了“氢经济”的概念。氢气的生产方式很大程度上决定了“氢经济”能否可持续发展。我国煤炭应用广泛且储量丰富,如何利用煤炭清洁高效的生产H2受到广泛关注。基于化学链技术（CLC）开发的煤化学链制氢（CLHG）工艺具有高的转化效率,低成本和低环境影响的特点。当前对CLHG的研究主要集中在不同类型燃料的可行性,载氧体的设计制备和反应过程的优化这三个方向。本文在流化床反应器中,研究了低阶褐煤为原料的煤CLHG过程;设计并制备了不同金属掺杂的铁基载氧体,选取了反应性能最优的Na-Fe-Al载氧体,并对NaAlO2的改性作用机制进行了探讨;在固定床反应器中探究了过程优化后的双循环煤化学链制氢过程的可行性。论文主要包括以下三部分:（1）利用浸渍法制备Fe2O3/Al2O3复合金属载氧体,选取昭通褐煤为原料,在流化床反应器中对煤直接化学链制氢过程进行了研究。通过考察还原阶段的反应温度,蒸汽氧化阶段的反应温度...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
化学链燃烧原理示意图
复合载氧体的西部煤化学链制氢反应特性6图1-2煤化学链制氢反应过程原理图Fig.1-2TheschematicofthecoalCLHGprocess在燃料反应器（FR）中，Fe2O3通过与煤发生反应，被还原为FeO和Fe，气体产物为蒸汽和CO2，如式1-3所示：Coal+Fe2O3→CO2+H2O+FeO/Fe（1-3）在蒸汽反应器（SR）中，FeO和Fe被蒸汽氧化，产物是Fe3O4和H2，如式1-4所示：FeO/Fe+H2O→Fe3O4+H2（1-4）空气反应器（AR）中，Fe3O4被空气中的氧气完全氧化成其原始形式的Fe2O3，如式1-5所示：Fe3O4+O2→Fe2O3（1-5）Li等[7]研究了煤直接CLHG系统从开始到结束的一次循环周期中，温室气体排放和一次化石能源消耗的情况。结果表明，煤直接CLHG工艺的总温室气体排放量大于灰分凝聚流化床（AFB）气化工艺，而煤直接CLHG工艺的总一次化石能源消耗小于AFB气化工艺。Zeng等[49]开发了基于热力学平衡和动力学限制的煤直接CLHG过程的反应器模型，并分析了一个循环的煤直接CLHG过程。过程模拟表明，即使在一系列保守的假设下，煤直接CLHG过程也有接近78%的热效率（HHV）将煤转化为H2，同时在燃烧反应器上捕获超过90%的CO2，比常规制氢工艺高30%。杨等[50]证实了在流化床反应器中使用煤焦作为燃料的CLHG工艺制氢的可行性。从碳转化率和气体产物二氧化碳的浓度来看，在1073K下用K-10-Char还原Fe2O3是可行的。当Fe2O3/K–10–Char的质量比增加到10/0.3时，煤焦中的
青岛科技大学研究生学位论文15蒸汽发生器，同时打开空气压缩机以将Ar气转换为空气，从而启动OC的氧化反应。气体产物通过气体采样袋收集，用于离线分析。接下来，使用具有氩气（99.995%）作为载气的TCD检测器，通过气相色谱（GC，PEClarus500）测量气态产物（H2，N2，CO，CH4，CO2）的组成。实验条件示于表2-2。图2-1反应系统示意图Fig.2-1Schematicdiagramofthereactionsystem表2-2实验条件Table2-2Variousexperimentconditions还原阶段蒸汽氧化阶段空气氧化阶段Ar流量(L·min-1)0.4Ar流量(L·min-1)0.4Air流量(L·min-1)0.4载氧体Fe4Al6H2O流量(g·min-1)0.5温度(°C)900Coal/Fe4Al6质量比(g/g)3/9.0,3/10.0,3/12.0,3/13.5,3/15.0温度(°C)900时间(min)30温度(°C)900反应时间(min)60反应时间(min)602.2.3数据处理方法（1）碳转化率，XC。碳转化率的计算方法如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]Solar chemical looping reforming of methane combined with isothermal H2O/CO2 splitting using ceria oxygen carrier for syngas production[J]. Srirat Chuayboon,Stéphane Abanades,Sylvain Rodat. Journal of Energy Chemistry. 2020(02)
[2]直接球磨法制备铈基载氧体用于甲烷化学链重整制合成气性能研究[J]. 李波,张浩,吕鹏刚,徐龙,马晓迅. 天然气化工（C1化学与化工）. 2019(06)
[3]Fe2O3/Al2O3氧载体化学链制氢联合甲烷干重整制备氢气和合成气[J]. 朱珉,陈时熠,马士伟,胡骏,向文国. 工程热物理学报. 2019(10)
[4]褐煤低温热解分级利用现状分析及展望[J]. 丁肖肖,李洪娟,王亚涛. 洁净煤技术. 2019(05)
[5]Fe/CaO催化剂对脱灰徐州烟煤热解特性的影响[J]. 王东,马士伟,向文国,陈时熠. 化工进展. 2020(02)
[6]2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J]. 谢和平,吴立新,郑德志. 煤炭学报. 2019(07)
[7]论世界能源体系的双重变革与中国的能源转型[J]. 吴磊,曹峰毓. 太平洋学报. 2019(03)
[8]基于NiO/Ca2Al2SiO7的沼气自热化学链重整制氢热分析动力学模拟[J]. 梅道锋,赵海波,晏水平. 化工学报. 2019(S1)
[9]制氢技术现状分析及发展[J]. 王昊. 化工设计通讯. 2018(11)
[10]化学链技术在煤炭清洁高效利用中的研究进展[J]. 史晓斐,杨思宇,钱宇. 化工学报. 2018(12)
博士论文
[1]劣质固体混合燃料化学链热解气化反应动力学特性及反应活性研究[D]. 杨琳.重庆大学 2018
[2]中国煤炭资源分布特征与勘查开发前景研究[D]. 宋洪柱.中国地质大学（北京） 2013
[3]基于能源利用的碳脉分析[D]. 常征.复旦大学 2012
硕士论文
[1]煤化学链燃烧中流动/反应耦合对铁基载氧体结构性能影响研究[D]. 杨明明.青岛科技大学 2015
[2]铁基载氧体/煤化学链气化反应及动力学研究[D]. 程煜.青岛科技大学 2013
本文编号：3585754
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
化学链燃烧原理示意图
复合载氧体的西部煤化学链制氢反应特性6图1-2煤化学链制氢反应过程原理图Fig.1-2TheschematicofthecoalCLHGprocess在燃料反应器（FR）中，Fe2O3通过与煤发生反应，被还原为FeO和Fe，气体产物为蒸汽和CO2，如式1-3所示：Coal+Fe2O3→CO2+H2O+FeO/Fe（1-3）在蒸汽反应器（SR）中，FeO和Fe被蒸汽氧化，产物是Fe3O4和H2，如式1-4所示：FeO/Fe+H2O→Fe3O4+H2（1-4）空气反应器（AR）中，Fe3O4被空气中的氧气完全氧化成其原始形式的Fe2O3，如式1-5所示：Fe3O4+O2→Fe2O3（1-5）Li等[7]研究了煤直接CLHG系统从开始到结束的一次循环周期中，温室气体排放和一次化石能源消耗的情况。结果表明，煤直接CLHG工艺的总温室气体排放量大于灰分凝聚流化床（AFB）气化工艺，而煤直接CLHG工艺的总一次化石能源消耗小于AFB气化工艺。Zeng等[49]开发了基于热力学平衡和动力学限制的煤直接CLHG过程的反应器模型，并分析了一个循环的煤直接CLHG过程。过程模拟表明，即使在一系列保守的假设下，煤直接CLHG过程也有接近78%的热效率（HHV）将煤转化为H2，同时在燃烧反应器上捕获超过90%的CO2，比常规制氢工艺高30%。杨等[50]证实了在流化床反应器中使用煤焦作为燃料的CLHG工艺制氢的可行性。从碳转化率和气体产物二氧化碳的浓度来看，在1073K下用K-10-Char还原Fe2O3是可行的。当Fe2O3/K–10–Char的质量比增加到10/0.3时，煤焦中的
青岛科技大学研究生学位论文15蒸汽发生器，同时打开空气压缩机以将Ar气转换为空气，从而启动OC的氧化反应。气体产物通过气体采样袋收集，用于离线分析。接下来，使用具有氩气（99.995%）作为载气的TCD检测器，通过气相色谱（GC，PEClarus500）测量气态产物（H2，N2，CO，CH4，CO2）的组成。实验条件示于表2-2。图2-1反应系统示意图Fig.2-1Schematicdiagramofthereactionsystem表2-2实验条件Table2-2Variousexperimentconditions还原阶段蒸汽氧化阶段空气氧化阶段Ar流量(L·min-1)0.4Ar流量(L·min-1)0.4Air流量(L·min-1)0.4载氧体Fe4Al6H2O流量(g·min-1)0.5温度(°C)900Coal/Fe4Al6质量比(g/g)3/9.0,3/10.0,3/12.0,3/13.5,3/15.0温度(°C)900时间(min)30温度(°C)900反应时间(min)60反应时间(min)602.2.3数据处理方法（1）碳转化率，XC。碳转化率的计算方法如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]Solar chemical looping reforming of methane combined with isothermal H2O/CO2 splitting using ceria oxygen carrier for syngas production[J]. Srirat Chuayboon,Stéphane Abanades,Sylvain Rodat. Journal of Energy Chemistry. 2020(02)
[2]直接球磨法制备铈基载氧体用于甲烷化学链重整制合成气性能研究[J]. 李波,张浩,吕鹏刚,徐龙,马晓迅. 天然气化工（C1化学与化工）. 2019(06)
[3]Fe2O3/Al2O3氧载体化学链制氢联合甲烷干重整制备氢气和合成气[J]. 朱珉,陈时熠,马士伟,胡骏,向文国. 工程热物理学报. 2019(10)
[4]褐煤低温热解分级利用现状分析及展望[J]. 丁肖肖,李洪娟,王亚涛. 洁净煤技术. 2019(05)
[5]Fe/CaO催化剂对脱灰徐州烟煤热解特性的影响[J]. 王东,马士伟,向文国,陈时熠. 化工进展. 2020(02)
[6]2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J]. 谢和平,吴立新,郑德志. 煤炭学报. 2019(07)
[7]论世界能源体系的双重变革与中国的能源转型[J]. 吴磊,曹峰毓. 太平洋学报. 2019(03)
[8]基于NiO/Ca2Al2SiO7的沼气自热化学链重整制氢热分析动力学模拟[J]. 梅道锋,赵海波,晏水平. 化工学报. 2019(S1)
[9]制氢技术现状分析及发展[J]. 王昊. 化工设计通讯. 2018(11)
[10]化学链技术在煤炭清洁高效利用中的研究进展[J]. 史晓斐,杨思宇,钱宇. 化工学报. 2018(12)
博士论文
[1]劣质固体混合燃料化学链热解气化反应动力学特性及反应活性研究[D]. 杨琳.重庆大学 2018
[2]中国煤炭资源分布特征与勘查开发前景研究[D]. 宋洪柱.中国地质大学（北京） 2013
[3]基于能源利用的碳脉分析[D]. 常征.复旦大学 2012
硕士论文
[1]煤化学链燃烧中流动/反应耦合对铁基载氧体结构性能影响研究[D]. 杨明明.青岛科技大学 2015
[2]铁基载氧体/煤化学链气化反应及动力学研究[D]. 程煜.青岛科技大学 2013
本文编号：3585754
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