化学链燃烧中燃料气体在CaSO4(010)表面吸附扩散特性的分子动力学模拟

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.024

石油学报（石油加工） ›› 2020, Vol. 36 ›› Issue (6): 1338-1346.doi: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.024

化学链燃烧中燃料气体在CaSO₄(010)表面吸附扩散特性的分子动力学模拟

侯封校¹, 金晶¹, 刘敦禹¹, 寇学森¹, 杨浩然¹, 王永贞²

1. 上海理工大学能源与动力工程学院上海市动力工程多相流与传热重点实验室，上海 200093；
2. 临沂大学土木工程与建设学院，山东临沂 276000

收稿日期:2020-07-01 修回日期:2020-08-21 出版日期:2020-11-25 发布日期:2020-12-02
通讯作者: 金晶，女，教授，博士，从事清洁燃烧与污染物排放控制的研究，E-mail:alicejin001@163.com E-mail:alicejin001@163.com
作者简介:第一作者：侯封校，男，博士研究生，从事清洁燃烧与污染物排放控制的研究，E-mail：mercatushou@outlook.com
基金资助:
国家自然科学基金项目（51976129，51706143），“十三五”国家重点研发计划项目（2017YFF0209800）, 上海理工大学科技发展项目(2019KJFZ192)基金资助

Adsorption and Diffusion Characteristics of Gas Fuel on CaSO₄(010) Surface for Chemical-Looping Combustion: Molecular Dynamics Simulations

HOU Fengxiao¹, JIN Jing¹, LIU Dunyu¹, KOU Xuesen¹, YANG Haoran¹, WANG Yongzhen²

1. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. School of Civil Engineering and Architecture, Linyi University, Linyi 276000, China

Received:2020-07-01 Revised:2020-08-21 Online:2020-11-25 Published:2020-12-02
Supported by:

摘要/Abstract

摘要：

以CaSO4为载氧体，采用分子动力学研究了化学链燃烧中不同温度时CO在CaSO4(010)表面的吸附扩散特性，并在反应温度为1173 K时与CH4、H2在CaSO4(010)表面的吸附扩散特性对比。结果表明：CO在CaSO4(010)表面的吸附为物理吸附，吸附强度随温度升高而减弱，吸附层与体相层的分层点为距离CaSO4(010)表面0.66 nm处；CO在xy平面方向的扩散能力随温度升高而上升，符合分子碰撞理论； CO吸附于CaSO4(010)表面的原因主要为静电作用所造成的弱相互作用。与CH4、H2相比，CO在CaSO4(010)表面的吸附能力最强，吸附层中含量最多；H2在xy平面方向扩散能力最强，体相层中体积占比最大；而CH4较弱的静电作用与H2较强的位阻作用导致了二者在CaSO4(010)表面吸附能力弱于CO。研究结果可为钙基载氧体的改进与优化提供理论基础。

关键词: 硫酸钙载氧体, 化学链燃烧, 分子动力学, 吸附, 扩散, 弱相互作用

Abstract:

The molecular dynamics simulations were used to study the adsorption and diffusion characteristics of CO on the CaSO4(010) surface at different temperatures in chemical-looping combustion with CaSO4 oxygen carrier, and it was compared with CH4 and H2 at 1173 K. The results show that the adsorption of CO on CaSO4(010) surface is physical adsorption, and the intensity weakens with the temperature increasing. The delamination point between the adsorption layer and the bulk layer is 0.66 nm from the CaSO4(010) surface. The diffusivity of CO in xy plane direction increases with temperature increasing, which is consistent with molecular collision theory. Additionally, the weak interactions caused by the electrostatic effect is the main reason for the CO adsorption. Compared with the adsorption of CH4 and H2, the adsorption of CO on CaSO4(010) surface is the strongest, and the content of CO is the most in the adsorption layer. The diffusivity of H2 is the strongest in xy plane direction, and its volume ratio is the largest in the bulk layer, which is consistent with molecular collision theory and ideal gas kinetic theory. Moreover, the weak electrostatic effects of CH4 and the strong steric interactions of CH4 and H2 lead to the weak adsorption, which is lower than CO molecules, on the CaSO4(010) surface. The results offer the theoretical foundation to improve the calcium oxygen carriers.

Key words: calcium sulfate oxygen carrier, chemical-looping combustion, molecular dynamics, adsorption, diffusion, weak interaction

中图分类号:

侯封校, 金晶, 刘敦禹, 寇学森, 杨浩然, 王永贞. 化学链燃烧中燃料气体在CaSO₄(010)表面吸附扩散特性的分子动力学模拟[J]. 石油学报（石油加工）, 2020, 36(6): 1338-1346.

HOU Fengxiao, JIN Jing, LIU Dunyu, KOU Xuesen, YANG Haoran, WANG Yongzhen. Adsorption and Diffusion Characteristics of Gas Fuel on CaSO₄(010) Surface for Chemical-Looping Combustion: Molecular Dynamics Simulations[J]. ACTA PETROLEI SINICA (PETROLEUM PROCESSING SECTION, 2020, 36(6): 1338-1346.

[1]	孙雪妮, 陈锶媛, 谢洪德, 解丹燕, 王俊, 韶晖, 黄春香. CTAB/Al₂O₃/ATP复合材料对甲醇-碳酸二甲酯吸附分离性能[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(5): 994-1001.
[2]	李小斐, 宋坤莉, 赵东风, 于澜, 李石. 活性炭表面官能团对苯吸附性能影响的分子模拟[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(5): 1078-1085.
[3]	李强, 李安萌, 郭林飞, 曹昊, 许伟伟, 王振波. 基于电场和流场耦合的FCC油浆脱固性能分析[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(5): 1022-1030.
[4]	王恒, 钟显康, 扈俊颖. 马来酸酐四元共聚物阻垢剂的阻垢规律及阻垢机理[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(5): 1120-1128.
[5]	张景琪, 刘双泰, 付刚, 乔婧, 张生军, 马晓迅. 间/对混酚分离技术的研究进展[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(4): 941-952.
[6]	姚彬, 常小虎, 赵毅, 叶帆, 徐梦瑶, 孙辉, 姜豪, 沈本贤. 无黏结剂X型分子筛吸附1-己烯性能[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(4): 771-778.
[7]	吴姁, 夏瑜, 苑莲花, 员润, 何绪文. 分子动力学模拟阴离子/两性离子表面活性剂在油-水界面的分子行为及协同效应[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(4): 831-839.
[8]	解国应, 宫玉洁, 周东旭, 冯海蛟, 王佳烽, 张晨, 张伟, 李翠清. 改性Y型分子筛吸附脱除模拟油品中氯辛烷[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(3): 619-625.
[9]	孙娟, 王宁, 宋权威, 陈宏坤, 杨晓晴, 郑秀志, 赵朝成, 刘芳. 颗粒活性炭对地下水中溶解油的吸附特性[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(3): 677-689.
[10]	史延强, 徐广通, 常春艳, 张智华, 陶志平. 可逆性吸脱附材料用于气相色谱法测定喷气燃料中芳烃含量[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(3): 642-652.
[11]	赵亮, 方向晨, 王刚, 段晓光, 王少彬. HKUST-1金属有机骨架材料对水溶液中稀土离子的选择性吸附[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(2): 391-399.
[12]	查春梅, 王伟, 王力, 王斌, 马飞龙. 高性能煤基活性炭的制备与性能评价[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(1): 210-217.
[13]	史延强, 陈帅, 孙立杰, 郑爱国, 徐广通. 碱处理对ZSM-5分子筛多级孔道结构和扩散性能的影响[J]. 石油学报（石油加工）, 2021, 37(1): 176-180.
[14]	陈虎，李振山，蔡宁生. 3MW_th煤化学链燃烧装置的设计计算与分析[J]. 石油学报（石油加工）, 2020, 36(6): 1111-1119.
[15]	马建东，宋涛. 10MW_th串行流化床煤化学链燃烧系统反应器设计[J]. 石油学报（石油加工）, 2020, 36(6): 1331-1337.

化学链燃烧中燃料气体在CaSO₄(010)表面吸附扩散特性的分子动力学模拟

Adsorption and Diffusion Characteristics of Gas Fuel on CaSO₄(010) Surface for Chemical-Looping Combustion: Molecular Dynamics Simulations

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价