高温致密透氧膜材料和膜过程研究

论文摘要

致密陶瓷透氧膜在高温下能够选择性地将氧气从空气中分离，低成本地得到工业上大量需要的高纯氧气，因此在能源和化工领域具有广阔的应用前景。本论文的主要内容就是研究高稳定性致密陶瓷透氧膜材料、基于透氧膜的甲烷部分氧化制合成气反应器和化石燃料纯氧燃烧器。 将陶瓷透氧膜作为膜反应器，用于甲烷部分氧化制合成气，能够较大幅度地降低合成气的生产成本，近十年来引起了众多的关注。本论文的第一章介绍了陶瓷透氧膜用于合成气生产的研究现状，分析了这一领域研究中存在的难题，并展望了以后研究的发展方向。另外，本章还介绍了陶瓷透氧膜用于实现CO2零排放燃烧装置的研究概况。论文的第二章综述了陶瓷透氧膜材料的类型和研究概况，介绍了氧离子—电子混合导体的透氧原理以及影响其透氧性能的因素。 透氧膜用于反应器时，除了必须具备高的透氧能力外，还要求在高温和大氧分压梯度下具有足够的化学和机械稳定性。目前研究的单相材料体系中，很难找到同时满足上述要求的材料，在透氧性能和稳定性之间总是存在此消彼长的矛盾。要解决这个矛盾，一个可能的途径是采用具有双相组成的膜材料，氧离子和电子分别在不同的相里传输。第三章研究了由氧离子导体Y0.2Zr0.8O1.9和电子导体La0.8Sr0.2CrO3-δ组成的双相复合透氧膜。对于两相体积比为60：40、壁厚为1.2mm的管状膜，在“空气／氦气”梯度下，即膜一面暴露空气中，另一面用高纯氦吹扫时，在950℃时测得透氧率为9.2×10-9cm3cm-2min-1。在“空气／（20％CO+80％He）”氧分压梯度下，930℃透氧率达到3.2×10-8cm3cm-2min-1。这种材料的透氧过程受到其表面氧交换步骤的控制，通过改善其表面过程，可望使其透氧能力得到提高。Y0.2Zr0.8O1.9-La0.8Sr0.2CrO3-δ双相材料体系具有很好的化学和机械稳定性，能够适应强还原性的工艺环境，因此经过改进后有望应用于膜反应器。鉴于Ce0.8Sm0.2O2-δ的氧离子导电率比Y0.2Zr0.8O1.9高一个数量级左右，由其和La0.8Sr0.2CrO3-δ构成的双相透氧膜应具有比Y0.2Zr0.8O1.9-La0.8Sr0.2CrO3-δ高得多的透氧能力。论文第四章研究了Ce0.8Sm0.2O2-δ-La0.8Sr0.2CrO3-δ双相膜在大氧分压梯度下的透氧行为及稳定性。对于两相体积比为60：40，壁厚为1.1mm的管状膜，在

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 陶瓷透氧膜在膜反应器制合成气以及在能源工业中的应用研究简介
• 1.1 甲烷部分氧化膜反应器研究简介
• 1.1.1 甲烷部分氧化法制合成气
• 1.1.2 透氧膜反应器研究现状
• 1.1.3 透氧膜反应器研究的趋势和不足
• 1.2 陶瓷透氧膜在能源领域的应用
• 1.2.1 温室气体对气候的影响
• 2排放的手段'>1.2.2 控制CO₂排放的手段
• 2捕获中的应用'>1.2.3 陶瓷透氧膜在CO₂捕获中的应用
• 1.3 本文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 致密陶瓷膜透氧原理
• 2.1 陶瓷透氧膜简介
• 2.1.1 单相混合导体透氧膜
• 2.1.2 双相混合导体透氧膜
• 2.2 混合导体透氧原理
• 2.2.1 氧离子在混合导体内的传输
• 2.2.2 膜表面和气相的氧交换过程
• 2.2.3 体相控制和表面控制
• 参考文献
• 0.2Zr_0.8O_1.9-La_0.8Sr_0.2CrO_3-δ双相膜材料研究'>第三章 Y_0.2Zr_0.8O_1.9-La_0.8Sr_0.2CrO_3-δ双相膜材料研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 实验结果
• 3.4 讨论
• 3.5 结论
• 参考文献
• 0.8Sm_0.2O_2-δLa_0.8Sr_0.2CrO_3-δ双相膜在大梯度下的透氧行为及稳定性研究'>第四章 Ce_0.8Sm_0.2O_2-δLa_0.8Sr_0.2CrO_3-δ双相膜在大梯度下的透氧行为及稳定性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 实验结果和讨论
• 4.3.1 样品的相组成和微结构
• 4.3.2 氧渗透实验结果
• 4.3.3 SDC-LSC膜材料稳定性研究
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 基于陶瓷透氧膜的催化燃烧研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 材料制备
• 5.2.2 透氧测试
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.4 小结
• 参考文献
• 0.8Sm_0.2O_2-δLa_0.8Sr_0.2CrO_3-δ双相复合材料的膜反应器研究'>第六章 基于Ce_0.8Sm_0.2O_2-δLa_0.8Sr_0.2CrO_3-δ双相复合材料的膜反应器研究
• 6.1 引言
• 0.8Sm_0.2O_2-δLa_0.8Sr_0.2CrO_3-δ一段式膜反应器的实验研究'>6.2 Ce_0.8Sm_0.2O_2-δLa_0.8Sr_0.2CrO_3-δ一段式膜反应器的实验研究
• 6.3 管状膜反应器机理的讨论
• 6.4 对管状透氧膜反应器的近似模拟分析
• 6.4.1 透氧率的估算
• 6.4.2 对管状膜透氧数据的处理
• 6.4.3 管状甲烷部分氧化膜反应器的分析
• 6.5 新型膜反应器设计
• 6.6 SDC-LSC双相材料在膜反应器中的稳定性研究
• 6.7 膜反应器制合成气的实用方案
• 6.8 小结
• 参考文献
• 第七章 基于透氧膜的零排放煤燃烧技术研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 使用无烟煤对模型的实现
• 7.3.2 使用碳粉对模型的模拟
• 7.4 结论
• 参考文献
• 论文发表情况