建立了以CuMn₂O₄為載氧體、松木屑為燃料的生物質(zhì)（B）化學(xué)鏈氣化模型,對(duì)CuMn₂O₄載氧體和松木屑之間的化學(xué)鏈氣化反應(yīng)進(jìn)行了熱力學(xué)模擬。研究了氣化過程中CuMn₂O₄載氧體的還原過程,考察了燃料反應(yīng)器內(nèi)載氧體與生物質(zhì)摩爾比（n（O）/n（B））、反應(yīng)溫度、水蒸氣與生物質(zhì)摩爾比（n（H₂O）/n（B））、CO₂與生物質(zhì)摩爾比（n（CO₂）/n（B））等因素對(duì)氣化反應(yīng)的影響,分析了空氣反應(yīng)器內(nèi)載氧體晶格氧的恢復(fù)過程。熱力學(xué)分析表明:CuMn₂O₄在氣化反應(yīng)中可以提供晶格氧,有效促進(jìn)松木屑的氣化。CuMn₂O₄載氧體中的Cu和Mn組分在化學(xué)鏈氣化反應(yīng)中分別按照CuO→Cu₂O→Cu和Mn₂O₃→Mn₃O₄

【文章來源】：石油學(xué)報(bào)(石油加工). 2020,36(06)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

燃料反應(yīng)器溫度對(duì)生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化的影響

水蒸氣不僅是生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化反應(yīng)的產(chǎn)物,也可以作為氣化反應(yīng)的氣化劑,用來調(diào)整合成氣中H2和CO的比例。圖4為燃料反應(yīng)器溫度1273 K、生物質(zhì)1 kmol,n(O)/n(B)為0.16時(shí)水蒸氣/生物質(zhì)摩爾比(n(H2O)/n(B))對(duì)生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化過程的影響。由圖4可知,隨著n(H2O)/n(B)的增大,CO生成量減小,H2和CO2生成量逐漸增大。這是因?yàn)樗魵夂吭龆?可以抑制載氧體的還原反應(yīng)正向進(jìn)行,同時(shí)使水汽平衡反應(yīng)(52)正向移動(dòng)。CH4生成量較小,其原因與3.1節(jié)所述相同。水蒸氣可以作為氣化介質(zhì)為化學(xué)鏈氣化過程提供額外的氧,促進(jìn)了碳的轉(zhuǎn)化,提高了碳轉(zhuǎn)化率。但當(dāng)n(H2O)/n(B)大于0.4時(shí),合成氣生成量無明顯變化。同時(shí),過量水蒸氣增大了系統(tǒng)的壓強(qiáng),碳的轉(zhuǎn)化受到抑制。綜上所述,水蒸氣的引入有利于生物質(zhì)的氣化,提高合成氣中n(H2)/n(CO),改善合成氣品質(zhì)。在實(shí)際的氣化反應(yīng)系統(tǒng)中,水蒸氣過多會(huì)使反應(yīng)器中混合氣的體積流速升高,與載氧體的接觸時(shí)間變短,反應(yīng)不充分。此外,未參與反應(yīng)的水蒸氣會(huì)帶走大量潛熱,降低氣化反應(yīng)溫度,從而影響系統(tǒng)的氣化效率。因此,n(H2O)/n(B)要根據(jù)實(shí)際需要選擇一個(gè)最佳值。n(H2O)/n(B)優(yōu)化值為0.4。

由上述分析可知,由于Mn、Cu有多種價(jià)態(tài),且燃料反應(yīng)器中不僅有熱解、氣化反應(yīng),還有水汽變換、重整等反應(yīng),因此生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化是一個(gè)復(fù)雜過程,在燃料反應(yīng)器內(nèi)有多個(gè)反應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng),最終的氣化是多個(gè)反應(yīng)相互協(xié)同和綜合作用的結(jié)果。依據(jù)式(3),由軟件“Reaction Equation”計(jì)算得到燃料反應(yīng)器內(nèi)各個(gè)反應(yīng)的ΔG隨溫度變化趨勢(shì)如圖1所示。反應(yīng)(5)～(15)、(16)～(26)、(27)～(37)、(38)～(48)分別為CH4、H2、CO和C將CuMn2O4還原至不同程度的狀態(tài)。從圖1可知:這44個(gè)反應(yīng)的ΔG大多小于0,溫度越高,ΔG的絕對(duì)值越大,反應(yīng)越容易發(fā)生。當(dāng)CuMn2O4被CH4、H2、CO和C還原至相同狀態(tài)時(shí),如反應(yīng)(14)、(25)、(36)和(47),CH4與CuMn2O4反應(yīng)的ΔG最小,說明CH4與CuMn2O4的反應(yīng)活性最高,CuMn2O4最容易被CH4還原。另外,反應(yīng)(14)的ΔG小于反應(yīng)(10),因此Mn2O3優(yōu)先于CuO被還原;對(duì)比反應(yīng)(25)和(21)、(36)和(32)、(47)和(43)的ΔG也可得出此結(jié)論。由圖1(a)可知,當(dāng)反應(yīng)溫度為1273 K時(shí),CH4與CuMn2O4反應(yīng)的產(chǎn)物都是Cu、H2O和CO2的情況下,ΔG從小到大的順序?yàn)?反應(yīng)(5)、反應(yīng)(6)、反應(yīng)(7)、反應(yīng)(8),且反應(yīng)(8)的ΔG約為0,可以得出CuMn2O4載氧體中Mn組分的還原過程為Mn2O3→Mn3O4→MnO,而MnO很難被還原成Mn單質(zhì)。同樣,對(duì)比反應(yīng)(6)、(11)和(14)在1273 K時(shí)的ΔG,可知CuMn2O4載氧體中Cu組分的還原過程為CuO→Cu2O→Cu。圖1(b)、(c)和(d)中CuMn2O4各組分的還原過程與圖1(a)中的一致。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]化學(xué)鏈氣化過程中CuFe2O4/SiO2載氧體的反應(yīng)性能及次煙煤的結(jié)構(gòu)演變[J]. 安梅,潘鑫,胡修德,馬晶晶,郭慶杰.  石油學(xué)報(bào)(石油加工). 2020(04)
[2]MnFeO3和MnFe2O4氧載體在稻草化學(xué)鏈氣化中的應(yīng)用[J]. 陳智豪,廖艷芬,莫菲,劉桂才,余昭勝,馬曉茜.  化工學(xué)報(bào). 2019(12)
[3]基于CuFe2O4載氧體的羊腸煤化學(xué)鏈氣化特性[J]. 安梅,馬晶晶,吳唯,任天,胡修德,郭慶杰.  石油學(xué)報(bào)(石油加工). 2019(03)
[4]基于CoFe2O4載氧體的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化反應(yīng)特性[J]. 王旭鋒,劉晶,劉豐,楊應(yīng)舉.  化工學(xué)報(bào). 2019(04)
[5]化學(xué)鏈熱解煤焦油工藝的模擬及優(yōu)化[J]. 鞏明鑫,王翠蘋,郭慶杰,李勇鵬,鞏建.  石油學(xué)報(bào)(石油加工). 2018(05)
[6]基于Fe2O3載氧體的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化熱力學(xué)模擬研究[J]. 黃振,劉帥,李德波,湛志鋼,何方,李海濱.  太陽能學(xué)報(bào). 2017(05)
[7]基于層狀氫氧化物衍生復(fù)合氧載體的生物質(zhì)化學(xué)鏈氣化實(shí)驗(yàn)研究[J]. 魏國強(qiáng),何方,趙增立,趙偉娜,黃振,鄭安慶,趙坤,馮宜鵬,李海濱.  燃料化學(xué)學(xué)報(bào). 2016(03)
[8]固體原料化學(xué)鏈技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J]. 羅四維,李軍,張然,王芳杰,崔龍鵬.  石油學(xué)報(bào)(石油加工). 2015(02)
[9]生物質(zhì)半焦/銅基載氧體氣化反應(yīng)特性研究[J]. 冉景煜,張松,秦昌雷,禹建功,付范萱,楊琳.  燃料化學(xué)學(xué)報(bào). 2014(11)
[10]我國生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀與戰(zhàn)略思考[J]. 閆金定.  林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè). 2014(04)

博士論文
[1]煤化學(xué)鏈燃燒的鐵/銅/錳基氧載體的實(shí)驗(yàn)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究[D]. 梅道鋒.華中科技大學(xué) 2016
[2]基于CaO載碳體的煤化學(xué)鏈氣化關(guān)鍵過程實(shí)驗(yàn)研究[D]. 榮鼐.浙江大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3461550