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    1. 甲烷干重整及金属-载体相互作用
    史健,祝星,李孔斋,魏永刚,王华
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1407-1418.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.032
    摘要456)      PDF(pc) (1193KB)(627)   
    CO2和CH4均是温室气体的重要成员并且数量可观,其资源化利用对于应对气候变化和能源危机具有重要意义。甲烷干重整是经典转化方式之一,将CO2 “供氧”还原反应和CH4 “需氧”氧化反应结合起来并相互转化,其产物合成气(H2和CO)可用于费托合成碳氢化合物液态燃料。近年来,干重整已经成为能源环境领域热点之一,在重整新工艺和催化剂设计策略方面取得了重要进展,推动了高活性和高稳定性催化剂和新工艺研发。详细综述了甲烷干重整工艺和催化剂的研究成果,重点介绍了干重整工艺新发展和催化剂功能设计,结合Ni载体相互作用、双金属协同效应、界面效应、单原子催化等新策略对干重整工艺中的基础科学问题进行了探讨,并对干重整技术现有难点和未来发展方向进行了展望。
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    2. 3MW th煤化学链燃烧装置的设计计算与分析
    陈虎,李振山,蔡宁生
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1111-1119.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.001
    摘要393)      PDF(pc) (1150KB)(561)   
    选用钛铁矿作为载氧体,对以煤为燃料的化学链燃烧系统的设计原理和方法进行了研究,并基于质量衡算、能量衡算、反应动力学和流态化理论编写了热力计算平台。利用该平台设计了额定热输入为 3 MWth的煤化学链燃烧装置,获得了系统循环流率、气量分配、设备尺寸等结果;并研究了系统热量分配特性,发现该反应器能够实现自热运行。讨论了循环流率、钛铁矿转化率之差、过量空气系数和热输入对反应器装置自热运行的影响。结果表明,为保证化学链燃烧装置实现自热运行,系统的实际循环流率和热输入应分别大于4 kg/(s·MWth)和2.4 MWth,而过量空气系数应小于1.9。该工作为以煤为燃料的化学链燃烧示范装置的建造与运行奠定了基础。
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    3. 硫酸盐硫在化学链燃烧过程中的迁移转化规律
    罗明, 张海燕, 王超, 周伦正
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1120-1128.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.002
    摘要379)      PDF(pc) (3868KB)(539)   

    2种典型的模型化合物(CaSO4和FeSO4)为研究对象,研究采用Cu基载氧体时,煤中硫酸盐硫在化学链燃烧(CLC)过程中的迁移转化规律。热力学模拟研究发现,反应温度及载氧体过氧系数均会对模型化合物中硫的气固相分布造成影响。在低温和低载氧体过氧系数条件下,CuO易被硫化生成Cu2S。与FeSO4相比,CaSO4具有更高的耐温性。进而以担载在活性炭中的模型化合物为研究对象,在小型流化床反应器中开展了CLC实验研究。结果表明,在还原反应阶段和氧化反应阶段,SO2均为主要的含硫气体。在还原反应阶段的前20.5 min内,FeSO4和CaSO4中硫转化为气相组分的摩尔分数分别为83.16%和50.09%。对还原反应阶段后载氧体的物相组成进行分析,发现有Cu2S存在。对一次还原氧化反应后载氧体表面元素进行分析发现,表面有部分硫累积及残留。

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    4. 基于铁酸钙载氧体的稻壳化学链气化反应特性
    粟自然, 沈来宏, 闫景春, 王璐璐
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1219-1228.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.013
    摘要375)      PDF(pc) (2510KB)(511)   

    铁酸钙载氧体(CaFe2O4/Ca2Fe2O5,简称CF)具有弱氧化性,在化学链气化过程中对CO选择性高,且可以通过碳酸化反应捕集CO2,提高合成气的低位发热量。分别在热重分析仪和固定床反应器上对基于铁酸钙载氧体的稻壳(简称R)化学链气化反应特性进行研究,分析铁酸钙载氧体与CO2的碳酸化反应特性,考察铁酸钙载氧体与稻壳的质量比(mCF/mR)、反应温度和循环反应次数对稻壳化学链气化特性的影响,并采用XRD和SEM等手段对载氧体进行表征。结果表明:当反应温度为370~840 ℃时,铁酸钙载氧体与CO2发生碳酸化反应;当反应温度为800 ℃、mCF/mR =0.73时,反应器出口合成气的CO2产率较低,低位发热量最高;经过10次化学链循环气化反应,CaFe2O4循环再生能力良好,但铁酸钙载氧体的碳酸化反应性能下降。

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    5. 化学链燃烧中H 2S与CuFe 2O 4载氧体的反应机理
    李钰,刘晶,刘丰,方瑞雪
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1140-1147.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.004
    摘要299)      PDF(pc) (4904KB)(500)   

    基于密度泛函理论和周期性结构模型,在分子水平上研究了化学链燃烧中H2S与CuFe2O4载氧体表面相互作用的微观反应机理。结果表明,H2S分子解离的SH、S和H基团倾向于吸附在O.1原子顶位上。H2S分子在CuFe2O4载氧体表面发生的反应主要包括3个步骤:H2S分子吸附、H2S脱氢和H2O分子形成。首先H2S吸附在CuFe2O4载氧体表面进而发生两步脱氢反应,随着反应的进行,产生的H2O分子从载氧体表面脱附,CuFe2O4载氧体表面的S基团发生迁移并填入氧空位形成硫化表面。其中H2O分子的形成需克服135.57 kJ/mol的反应能垒,为速控步骤。围绕Cu原子进行的反应路径是H2S与CuFe2O4载氧体表面反应的主要路径,与实验结果吻合。

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    6. 1 MW th 煤化学链气化过程模拟
    任天,胡修德,安梅,马晶晶,郭庆杰
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1253-1261.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.016
    摘要329)      PDF(pc) (1426KB)(494)   
    基于Aspen Plus建立了1 MWth煤化学链气化模型,探讨了气化过程中不同煤种(宁夏煤、新疆煤、云南煤)、不同载氧体(赤铁矿、锰矿)、温度、氧/碳摩尔比、压力、水蒸气/煤质量比对合成气组分的影响及实现系统自热平衡运行的条件。结果表明:在700~1200 ℃范围内,随着反应温度升高,3种煤合成气产率及冷煤气效率先增加后趋于平缓;水蒸气/煤质量比在0.5~1.5范围内增大、压力在0.1~3.0 MPa范围内增加都会使合成气产率降低;随氧/碳摩尔比在0.1~1.7范围内增大,合成气产率显著降低,系统由外部供热变为向外放热;当系统实现自热平衡运行时,赤铁矿和天然锰矿载氧体的氧/碳摩尔比分别为1.1和1.5;在保证反应速率和经济成本的前提下,优先选择天然锰矿石作为载氧体。
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    7. 基于改性铁矿石载氧体的煤化学链转化
    王海涛, 林延, 魏国强, 黄振, 赵增立, 房倚天, 李海滨
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1161-1168.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.006
    摘要310)      PDF(pc) (1059KB)(491)   

    采用混合煅烧法分别合成了K、Na、Ca、Ni、Mn、Cu修饰改性的铁矿石载氧体,利用X射线衍射(XRD)和H2程序升温还原(H2-TPR)对其理化性质进行表征,并基于热重实验考察改性载氧体与褐煤的反应性能。结果表明:由于固溶体新物相的生成,6种改性后铁矿石载氧体的反应活性均明显高于改性前;其中K改性铁矿石载氧体的反应性能优于Na、Ca改性铁矿石载氧体,Cu、Ni改性铁矿石载氧体的反应性能优于Mn改性铁矿石载氧体;铁矿石载氧体与褐煤混合质量比在5/5至6/4时反应性能最佳;K改性铁矿石载氧体与褐煤的反应性能高于Ni改性铁矿石载氧体的。

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    8. 修复植物化学链气化中重金属迁移热力学平衡分析
    谌通,金保昇,王晓佳
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1239-1252.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.015
    摘要292)      PDF(pc) (3538KB)(488)   

    采用热力学平衡计算的方法,研究了富集重金属Cd、Pb、Zn的修复植物在热解/气化和化学链气化过程中重金属的形态分布和迁移变化规律,考察了不同气氛、温度和载氧体的影响。结果表明:铁矿石载氧体的化学链气化明显促进了3种重金属氧化物和碳酸盐的形成,对重金属的氯化物、氢化物和氢氧化物的气态挥发也具有促进作用。在以SiO2、Al2O3分别作为惰性载体的钙基(CaSO4)载氧体化学链气化中,3种重金属几乎都以硫化物生成,高温下的重金属挥发态大幅度减少,其中以SiO2作为载体时有利于PbS的形成;2种载氧体的惰性成分SiO2、Al2O3能与重金属反应生成更加稳定且不易挥发的重金属硅酸盐和铝酸盐,达到固化的效果。在水蒸气气氛下铁矿石载氧体化学链气化中,3种重金属熔融态的生成受到抑制,气态挥发物更加容易生成,其中固态PbO与PbSiO3含量明显增加;而钙基载氧体下水蒸气明显促进了3种重金属熔融态的形成,抑制了高温下重金属的气态挥发,其中Zn的铝酸盐和硅酸盐的生成得到明显促进。与热解/气化相比,化学链气化对重金属固化率有一定的优势,特别是钙基载氧体下的化学链气化。

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    9. 制备过程对Cu-Fe复合载氧体特性的影响
    蒋守席,沈来宏,闫景春
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1206-1211.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.011
    摘要257)      PDF(pc) (1946KB)(486)   

    基于燃烧法制备Cu-Fe复合载氧体,在小型固定床反应器上以气体CO作为还原介质,研究了Cu-Fe复合载氧体失氧情况及CO2产率;采用X射线衍射分析(XRD)的手段,考察了制备过程中煅烧温度和煅烧时间对Cu-Fe复合载氧体物相和循环反应特性的影响。结果表明:当煅烧时间为8 h、煅烧温度为900 ℃时,制备的Cu-Fe复合载氧体中的CuO和Fe2O3能完全反应生成CuFe2O4,且Cu-Fe复合载氧体的氧化还原性能随着循环反应次数的增加而逐渐增加,保持了较好的循环反应性能和较高的反应活性。

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    10. 丙烷化学链氧化脱氢过程模拟与能耗分析
    韦迪,喻俊杰,邵媛媛,曾亮
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1361-1369.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.027
    摘要365)      PDF(pc) (1158KB)(482)   

    采用金属氧化物催化丙烷氧化脱氢的化学链反应过程,利用晶格氧选择性燃烧生成氢,推动反应热力学平衡向生成丙烯方向移动,提高丙烯收率,降低过程热负荷;基于Aspen Plus软件对传统丙烷脱氢工艺(Oleflex)和化学链氧化脱氢工艺进行全流程模拟,对比分析两工艺的能耗;并基于流程模拟与分析,对氢气转化率和反应-再生系统设计进行了讨论。结果表明,对于化学链氧化脱氢工艺,由于不需要临氢环境,氢气与催化剂晶格氧及积炭的反应使其能耗比Oleflex工艺降低 43.01%。若采用丙烯丙烷热泵精馏分离技术替代传统精馏技术,化学链氧化脱氢过程总能耗比Oleflex工艺可进一步降低。随着氢气转化率的提高,脱氢反应系统对下游供热的能力将逐渐提升。

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    11. 溶胶-凝胶法制备NiFe 2O 4载氧体及其化学链制氢反应性能
    魏国强,周欢,吴宪爽,冯杰,李海滨
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1398-1406.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.031
    摘要371)      PDF(pc) (1929KB)(477)   

    采用溶胶-凝胶法制备了NiFe2O4载氧体,并应用于化学链制氢(CLH)反应过程,通过正交实验方法考察了原料配比、溶液pH值、凝胶温度等制备条件对载氧体物化特性和制氢性能的影响。结果表明:柠檬酸与金属离子摩尔比(RCAMI)是影响载氧体前驱体空间结构的主要因素,进而影响载氧体晶型构成、比表面积及其化学链制氢性能;溶液pH值影响柠檬酸络合物水解缩聚速率,并通过强化或抑制热解气反应阶段CH4裂解积炭来影响制氢过程H2纯度;凝胶温度提高可强化载氧体前驱体离子成核速率,但会导致生成溶胶不稳定,影响制备载氧体晶型结构及比表面积,较低凝胶温度有利于载氧体晶格氧释放。适用于化学链制氢的NiFe2O4载氧体制备条件为:RCAMI为1,pH值为7,凝胶温度为60 ℃;制得H2纯度接近100%。

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    12. 一种铜铁铝复合载氧体化学链燃烧性能
    崔东旭,曾德望,肖睿
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1200-1205.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.010
    摘要250)      PDF(pc) (1866KB)(471)   

    利用溶胶-凝胶法制备了一种Cu-Fe-Al-O复合载氧体,以CO为还原介质,在固定床反应器上探究了该载氧体的化学链燃烧性能,以及4种还原程度下该载氧体的循环反应稳定性。结果显示:在20次化学链循环反应中,Cu-Fe-Al-O 复合载氧体对应的化学链反应中CO2产率较为稳定,约为4 mmol/g;而对比样品氧化铁在第20次化学链循环时,对应的化学链反应中CO2产率仅有0.95 mmol/g。进一步实验发现,当还原程度小于75%时,使用Cu-Fe-Al-O载氧体的化学链反应运行稳定,因为在氧化还原过程中,活性组分铜、铁与尖晶石载体存在溶出现象,限制了活性组分的聚集,因此,Cu-Fe-Al-O复合载氧体具有较高的化学链反应循环稳定性。

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    13. 铜/铁复合载氧体对煤化学链转化反应活性和碳微晶结构的影响
    李骁,安梅,郭庆杰
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1306-1311.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.021
    摘要282)      PDF(pc) (959KB)(469)   

    以铜/铁复合氧化物为载氧体,在流化床反应器中进行煤化学链气化(CLG)实验,采用X射线衍射分析(XRD)和谢乐公式等手段,探究铜/铁复合载氧体对煤化学链气化碳微晶结构和反应活性的影响。结果表明:添加载氧体后,煤气化反应活性增强,其碳转化率达到50%的时间(t50)由14.5 min缩短至9.3 min。从煤焦分子结构演变角度(XRD结果)发现,载氧体的存在影响煤气化过程中碳微晶结构的演变,其存在增加了碳微晶的碳层层间距,降低了层高。碳微晶结构的这些变化促进了煤化学链气化反应的进行。

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    14. 化学链燃烧中燃料气体在CaSO 4(010)表面吸附扩散特性的分子动力学模拟
    侯封校, 金晶, 刘敦禹, 寇学森, 杨浩然, 王永贞
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1338-1346.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.024
    摘要249)      PDF(pc) (1736KB)(468)   

    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。

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    15. 双循环流化床化学链燃烧反应器冷态实验研究
    马琎晨,赵海波,黄振,魏国强
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1189-1199.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.009
    摘要351)      PDF(pc) (2383KB)(467)   

    针对化学链燃烧反应器,特别设计了双循环流化床反应器。提出“鼓泡流化床/湍动流化床+提升管”的设计,通过提升管提供颗粒循环的动力,调整2个流化床反应器(空气反应器和燃料反应器)的流化气速以分别控制反应器的固体循环流量;提出双向流动密封阀的设计,形成对固体循环流量和床料量分布的柔性控制。建立了全尺寸双循环流化床冷态实验装置,并进行了连续稳定的冷态运行,实验研究了不同运行操作条件对反应器性能的影响。实验结果表明,流动密封阀内压力差范围在955~1834 Pa,固体循环流量范围在0.27~0.38 kg/s,双循环流化床之间的气体泄漏率为0.10%~0.22%。冷态实验提供了流体动力学参量,并验证了设计的可行性。

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    16. 部分氧解耦煤化学链燃烧中硫的演化与分布
    王保文,李贺宇,王维,蔡中元,姜涛,梁彦琛
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1129-1139.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.003
    摘要271)      PDF(pc) (4046KB)(463)   

    在实验室高温固定床反应器上,以富含黄铁矿硫的六枝煤为燃料,研究其与CuFe2O4复合载氧体在部分氧解耦化学链燃烧(CLPOU)过程中气、固相硫的演化及分布,并进一步考察反应温度、载氧体过量系数及CO2反应气氛对硫迁移转化的影响。结果表明,无论在程序升温实验或等温实验中,反应器出口气相硫仅为SO2,而固相硫组分以Cu2S为主。提高反应温度和载氧体过量系数会促进煤中硫的氧化,导致更多气相SO2的释放;而CO2反应气氛则在一定程度上抑制SO2的产生。鉴于CuFe2O4复合载氧体的高反应活性和Cu基氧化物的良好固硫特性,CuFe2O4载氧体有望实现煤化学链燃烧过程中碳、硫组分的协同在线控制。

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    17. 基于DDPM模型的化学链燃烧中二元颗粒定向分离过程放大模拟
    公宇桐,王晓佳,张波
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1347-1353.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.025
    摘要287)      PDF(pc) (2674KB)(460)   

    以拉格朗日法为基础,采用耦合离散元法(DEM)颗粒碰撞模型的稠密离散相模型(DDPM)对兆瓦级化学链燃烧放大系统中炭颗粒分离器进行数值模拟研究,探究其中载氧体(OC)/煤焦(Char)二元颗粒物的定向分离特性,进一步研究了热态条件和下降管出口压力对二元颗粒物分离效果的影响,为炭颗粒分离器在热态条件下的运行稳定性以及下端与空气反应器之间的独立性提供数据支撑。结果表明:放大后的炭颗粒分离器因为分离空间与时间的增加,使载氧体/煤焦二元颗粒物的分离效果更好;同时,在热态条件下因气体黏度增大,使得煤焦分离效率进一步提升;此外,下降管出口压力的适度提升也能提高炭颗粒分离器的分离效率。

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    18. 化学链燃烧/气化双床系统运行与设计进展
    韦泱均,程乐鸣,李立垚,王勤辉,方梦祥,骆仲泱
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1312-1330.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.022
    摘要302)      PDF(pc) (6524KB)(459)   

    化学链技术是一种清洁高效的双床技术。综述了4种国内外化学链双床系统的设计、运行和发展,包括化学链双床系统的设计需要选取双床反应器的型式、载体、燃料、运行温度,其固相循环流率、反应器截面积、反应器高度、运行风速、床料量以及运行中硫/氮控制方式等,总结设计参数与经验,为化学链双床系统设计提供参考。

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    19. 碱金属掺杂对NiFeAlO 4载氧体结构及反应特性的影响
    魏泽华,刘道诚,王九占,荆洁颖
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1178-1188.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.008
    摘要286)      PDF(pc) (3189KB)(459)   

    采用溶胶-凝胶法和浸渍法制备了碱金属掺杂的尖晶石结构NiFeAlO4载氧体,考察了制备方法、碱金属种类、碱金属掺杂比例对NiFeAlO4载氧体结构、煤化学链燃烧特性和循环稳定性的影响。结果表明,溶胶凝胶法制备的钾掺杂NiFeAlO4载氧体具有更好的反应性,当载氧体与煤质量比为20∶1时,掺杂质量分数为5% K2CO3的NiFeAlO4载氧体与煤反应的碳转化率为99%,高于NiFeAlO4载氧体与煤反应时的碳转化率(87%)。与NiFeAlO4载氧体相比,掺杂质量分数为5% K2CO3的NiFeAlO4载氧体呈现出更好的循环稳定性,主要归因于碱金属K的掺杂改善了载氧体的反应活性,对载氧体的团聚有抑制作用,且反应前后载氧体晶相结构保持不变。

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    20. 赤铁矿作用下煤化学链气化过程碳氮元素转化机理
    巫平江,韩龙,徐国强,马凯莉,乌悦伦,王勤辉
    石油学报(石油加工)    2020, 36 (6): 1262-1272.   DOI: 10.3969/j.issn.1001-8719.2020.06.017
    摘要299)      PDF(pc) (6111KB)(455)   
    以赤铁矿为载氧体,利用流化床反应装置比较传统煤气化与化学链煤气化的不同特性,同时研究气化温度、水蒸气流量、赤铁矿/煤比(即氧/碳摩尔比)、燃料种类等反应条件对化学链气化特性的影响,并分析气化反应后载氧体基本特性的变化。结果表明,化学链气化呈现2个不同的反应阶段。在初始的挥发分析出阶段,还原性气体与载氧体、NOx的氧化还原反应对碳、氮元素的转化具有重要影响,NO和N2O均明显析出;在煤焦气化阶段,载氧体能够提高半焦反应活性、促进半焦气化和N2O生成,N2O是主要的NOx产物。赤铁矿载氧体中的Fe2O3在气化过程被还原、部分转化为Fe3O4,未发现载氧体烧结现象。
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