改性铜基载氧体与松木共气化特性研究

发布时间：2020-05-21 16:29

【摘要】：能源需求对能源供给形成巨大压力,如何高效开发利用可再生能源已成为当前急待解决的关键问题。与此同时,生物质能是仅次于煤、石油和天然气处于能源消费总量第四位的能源,是地球上唯一能够储存和可运输的清洁能源,生物质气化正是一种很有前景的生物质利用方式,但是传统气化方式成本高、工艺复杂,于是有学者在化学链燃烧的基础上提出了化学链气化(chemical looping gasification,CLG)技术。化学链气化研究中,载氧体是影响生物质气化的关键因素,在众多参与化学链燃烧的载氧体中,对于铜基载氧体的研究不多,而对于其改性后用于生物质化学链气化的研究更少,所以本文开展的改性铜基载氧体用于生物质化学链气化研究十分必要。因此,本文在传统生物质化学链重整制取合成气的基础上,首先通过添加一种惰性载体MgAl_2O_4提高CuO的抗烧结性和循环性能,以此研究了改性铜基载氧体的释氧特性,并在热重分析仪进行了松木与改性铜基载氧体气化实验,探讨了气化过程的动力学特性。然后,采用理论分析方法,进行了吉布斯自由能最小化法对铜基载氧体与生物质的化学链气化特性研究,寻求优化气化反应条件,以为开展实验提供理论依据。同时,为进一步研究化学链重整气化特性,采用固定床、气相色谱仪,深入研究了不同因素改性铜基载氧体与松木共气化特性的影响。最后还采用扫描电子显微镜(SEM)和XRD红外分析仪对合成载氧体反应前后表征进行分析。结果表明:(1)添加MgAl_2O_4的铜基载氧体表现出了良好的释氧及循环特性。纯CuO在氮气气氛下,由于熔点较低容易烧结,所以温度升高不利于其循环特性,而添加了惰性载体MgAl_2O_4的CuO,从连续循环18个周期看来,其循环特性几乎不变,由此可以断定改性后的CuO是一种具有良好循环特性及抗烧结性的载氧体。(2)CuO/C的摩尔比、气化温度、压力以及水蒸气/生物质(简称S/B)的质量比均对气化过程以及气化组分有影响。热力学分析得出一定量的载氧体会有利于CO和H_2等高热值气体的生成,CuO/C的摩尔比取值为0.35,即CuO与松木质量比为3:4最佳;温度的增加有利于CO和H_2等高热值可燃气体的生成,但考虑载氧体烧结及循环性问题,生物质化学链重整时温度通常低于1000℃,所以当CuO作为气化载氧体时,本文实验选取的温度为700~950℃;压力的上升会抑制CO的生成,随着压力的增加,CO_2含量增多,降低了可燃气体的含量,所以,常压更有利于提高生物质化学链气化效果。适当增加通入的水蒸气量,可以提高CO的产量,但过量的水蒸气会降低反应炉内的温度,并吸收载氧体的热量,降低碳转化率。因此,通入适量的水蒸气对气化效果尤为重要,S/B的质量比为2左右时,碳转化率和气化效率最好。(3)探讨了松木与铜基载氧体化学链重整共气化特性,适当提高气化温度可以提高碳转化率和气化合成气产量,而适量的水蒸气也能够提高产气热值和碳转化率。研究过程发现,一定温度范围内,气化温度越高,其碳转化率和气化合成气产量越高,然而温度高的气体其低位热值不一定最高,因为温度升高甲烷含量降低,而甲烷的含量对气体热值起着至关重要的作用;气化过程中通入水蒸气对气化过程有一定影响,通入水蒸气可以提高松木气化产气热值和碳转化率,但过量的水蒸气,则会降低气化炉堂的温度,使碳转化率降低。载氧体的表征分析表明:惰性载体MgAl_2O_4的添加,极大程度上改善了CuO的烧结情况,提高了其抗烧结能力。(4)随着气化过程的进行,固定碳转化率的增加,松木活化能呈现降低趋势。从改性前后的载氧体与松木气化过程可以看出,改性铜基载氧体使得松木气化效果更好,固定碳转化率更高,这是由于反应温度的持续升高,导致CuO容易烧结,所以改性后可以有效提高其熔点。
【图文】：

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化学链重整可以简单的描述为燃料当未稀释氧的作用，既不带入其它气体，也避免通入或部分氧化反应产生的水蒸气和 CO2可以实9]。化学链重整和燃烧原则上可以选用相同的载氧有催化作用而得到了广泛应用[50-51]。随着化学链限于甲烷、粗燃气等气体燃料的重整，逐渐发展反应可用表示如下：→固定碳+焦油+合成气(CO、H2等)y+ C → Me+ COy +CH4→ Me+H2O+CO2O→ H2+ CO22O→H2+CO2→ CO→ H2+ CO22→ MexOy

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图 2.2 STA409PC 型热分析仪实物图Fig 2.2 Physical figure of STA409PC Thermal analyzer方法下，采用 N2作为保护气和载气，将载氧体置于小坩埚中，将载l/min，以 25K/min 的加热速率升温加到 1000℃，然后保持恒温到 800℃，后通入纯氧 5 分钟，完成一个循环，再以 25K/min 的的 N2升温加到 1000℃，然后保持恒温 10 分钟，如此循环 18结果与分析氧体释氧吸氧性能测试 1.1 生物质化学链气化原理我们可以看出，载氧体是化学链气化一，其原理是载氧体在燃料反应器中发生失氧反应，，将氧元素，由此可见，理想的载氧体必须有良好的得氧释氧能力。3为CuO与 CuO/MgAl2O4(简称 Cu6Mg4)在氮气气氛下的释氧
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6

【参考文献】