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[学位]

煤炭超临界水气化廉价催化剂筛选与催化气化机理研究

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Author:

兰日华 (兰日华.)

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学位论文库

Abstract:

煤炭在我国能源结构中占据最主要地位,然而目前大量存在的相对低效的利用方式不仅带来了巨大的资源浪费,也造成了严重的环境污染。煤炭超临界水气化技术可以实现煤炭的清洁、高效利用,过程中无SOx、NOx及固体颗粒物等污染物的生成。筛选一种适用于大规模煤炭超临界水气化过程中的廉价催化剂来降低气化温度是非常必要的。目前需要可以在超临界水环境下对催化剂进行高效评价的装置,存在对气化过程中的控制环节理解不足,对催化气化机理认识不够充分等问题,本文对此开展了一系列实验和理论研究:
首先,为了实现对催化剂效能的高效、精确评价,设计了一套高通量气化实验系统,具备的特点有:可同步并行六组实验,便于单因素轮次实验的精确对比,此外具有升温速率快(50-70 ℃•min-1),气液固各产物便于采集分析,实验效率高等优势。
接着,针对目前对气化过程中的控制环节理解不足并导致无法实施针对性强化手段的问题,开展了煤及模型化合物的气化实验研究,结果表明:温度是气化过程中的重要影响因素,提高温度能明显促进气化反应进行。通过对煤及模型化合物超临界水气化产物的分析,认为提高煤颗粒表面的蒸汽重整反应速率,在各类中间产物脱氢缩合生成更难气化的复杂聚合物前将其分解将是提高气化率的关键。
然后,从促进煤颗粒的蒸汽重整反应考虑,有针对性地对不同廉价催化剂开展了筛选与研究工作,结果表明:负载型镍催化剂、商业雷尼镍催化剂和天然矿石催化剂等非均相催化剂在多相催化中具有较高的催化效率,可以加快超临界相产物反应,但在催化煤颗粒表面发生的蒸汽重整反应时,由于相界面传质效率的限制,其对气化效率的提升有限。碱或单一碱盐催化剂作为均相催化剂可以均匀吸附于煤颗粒表面,甚至进入其孔隙结构内部,大大加强了催化剂与煤颗粒的接触,有效促进了蒸汽重整反应;共晶碱盐催化剂可能由于在超临界水环境下煤中的硅铝酸盐等与之作用破坏了共晶结构,催化效能并未实现在单一碱盐基础上更进一步的提升。从催化活性、稳定性和经济性上综合考虑,K2CO3是一种适用于煤炭超临界水气化过程的廉价高效催化剂。10 wt% K2CO3可以降低气化反应活化能至59.47±4.87 kJ•mol-1;在750 ℃工况下气化时,5 wt%哈密褐煤和2 wt%红柳林烟煤的碳气化率分别达到了99.81%和97.12%。
最后,为进一步揭示K2CO3作用下煤炭超临界水催化气化反应机理,在前述催化气化特性的基础上建立催化气化动力学模型,得到了各主要反应的动力学参数。结果表明:蒸汽重整反应是关系气化效率的关键因素,水气变换反应是改变产气组分比例的重要途径,这两个反应是H2的主要来源;K2CO3主要促进了固相产物蒸汽重整反应、水气变换反应、均相产物蒸汽重整反应和热解反应,添加10 wt% K2CO3时,这四个反应的速率分别提高到了非催化情况下的12.5、10、5、1.67倍,有效减少了中间产物缩合成更难气化的物质。本研究有望为煤炭超临界水气化技术的反应器优化设计及气化过程的调控提供一定理论依据。

Keyword:

超临界水 催化剂 动力学 气化

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 陈学俊

Year: 2018

Language: Other

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WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 2

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