含碳能源直接制氢中钙基吸收剂的改性研究

论文摘要

含碳能源在直接燃烧过程中会产生大量温室气体CO2。氧燃料燃烧、烟气脱CO2、含碳能源直接制氢再燃烧等都是减少CO2排放的重要途径。在含碳能源直接制氢过程中需要使用C02吸收剂。由于CaO具有原料易得、价格便宜、吸收容量大等优点,它被广泛用作含碳能源直接制氢过程中的C02吸收剂。天然的白云石和石灰石煅烧产生的CaO通常是多微孔的,他们的反应性能差且在多次循环过程中易失活。研究改善CaO反应性能及循环性能的方法对于提高CaO利用率、减少资源消耗具有重要意义。采用加压热重仪（Thermax 500）,本文重点研究改善CaO碳酸化性能的方法,并对各种改性方法在循环利用过程中的适用性进行了研究。主要的研究内容和结果包括:（1）研究水蒸气对CaO碳酸化性能的影响,结果表明:在没有Ca（OH）2生成时,水蒸气可以显著改善CaO的碳酸化性能,这种改性作用不能归结为水蒸气对CaO物理结构的影响,而应归结为水蒸气的催化作用。（2）研究了在水蒸气存在时CaO的碳酸化反应动力学,获得了CaO碳酸化的动力学方程,提出了水蒸气催化CaO碳酸化的反应机理。（3）MgO对CaO碳酸化性能的影响与水蒸气密切相关。在有水蒸气存在时,MgO极大地提高了CaO碳酸化性能,而在没有水蒸气存在时,MgO对CaO碳酸化影响不大。不同来源的MgO的改性效果有很大差别,MgO的这种差别与MgO的颗粒粒径、比表面积等没有必然联系,而与MgO的表面碱性密切相关。（4）Na2SO4能极大地改善水蒸气的催化作用,水蒸气也可以极大地提高Na2SO4对CaO碳酸化的改性效果,Na2SO4与水蒸气具有明显的协同作用;与Na2SO4相似,K2SO4、Rb2SO4、KCl、Na2CO3等与水蒸气也具有明显的协同作用,而Cs2SO4、NaCl与水蒸气间的协同作用不太明显;不同碱金属无机盐与水蒸气的协同作用大小的差异可能与不同碱金属无机盐吸附并水蒸气传递的能力大小有关。（5）研究了水蒸气、H2O+MgO或H2O+K2SO4对CaO循环性能的影响,结果表明:仅添加水蒸气时,CaO的循环性能有较大提高,而当同时添加水蒸气及MgO或K2SO4时,CaO的循环性能有了更大的提高。还建立了CaO循环性能的新模型,该模型不仅能对本文的实验数据进行很好的拟合,而且可以很好的拟合文献的数据,具有广泛的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 CaO反应性能及循环性能改性研究文献综述
• 1.2.1 CaO反应性能改性的研究现状及存在的问题
• 1.2.2 CaO循环性能改性的研究现状及存在的问题
• 1.2.3 CaO的循环性能模型研究现状与存在的问题
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 水蒸气对CaO碳酸化的催化作用
• 2.1 实验
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 实验程序
• 2.2 实验结果与讨论
• 2生成时,水蒸气对CaO碳酸化性能的影响'>2.2.1 有Ca（OH）₂生成时,水蒸气对CaO碳酸化性能的影响
• 2生成的条件下,水蒸气对CaO碳酸化性能的影响'>2.2.2 在没有Ca（OH）₂生成的条件下,水蒸气对CaO碳酸化性能的影响
• 2.2.3 水蒸气分压对CaO碳酸化性能的影响
• 2.2.4 温度对CaO碳酸化性能的影响
• 2分压对CaO碳酸化性能的影响'>2.2.5 CO₂分压对CaO碳酸化性能的影响
• 2.2.6 水蒸气对CaO碳酸化的催化作用
• 2.3 结论
• 第三章 水蒸气催化CaO碳酸化的反应动力学及机理分析
• 3.1 实验
• 3.1.1 实验材料制备
• 3.1.2 实验装置与程序
• 3.1.3 材料表征
• 3.1.4 动力学实验条件的确定
• 3.1.5 动力学模型
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 没有水蒸气时CaO的碳酸化动力学
• 3.2.2 添加水蒸气后,温度对CaO碳酸化速率的影响
• 3.2.3 水蒸气分压对CaO碳酸化速率的影响
• 2分压对CaO碳酸化速率的影响'>3.2.4 有水蒸气存在时,CO₂分压对CaO碳酸化速率的影响
• 3.2.5 有水蒸气存在时,总压对CaO碳酸化速率的影响
• 3.2.6 水蒸气存在时CaO碳酸化动力学
• 3.2.7 水蒸气对CaO碳酸化的催化机理
• 3.2.8 水蒸气对CaO碳酸化产物层扩散控制区的影响及机理分析
• 3.3 结论
• 第四章 MgO对水蒸气催化CaO碳酸化的影响及机理分析
• 4.1 实验
• 4.1.1 实验材料制备
• 4.1.2 实验装置
• 4.1.3 实验程序
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 在有水蒸气存在时,MgO对CaO碳酸化性能的影响
• 4.2.2 在有水蒸气时,MgO添加剂的数量对CaO碳酸化性能的影响
• 4.2.3 在有水蒸气时,MgO颗粒粒径对CaO碳酸化性能的影响
• 4.2.4 水蒸气分压对MgO改性效果的影响
• 4.2.5 不同来源的MgO对CaO碳酸化性能的影响
• 4.3 讨论
• 4.3.1 MgO对水蒸气催化CaO碳酸化作用的改性机理
• 4.3.2 MgO与水蒸气对粒子固体扩散系数的影响
• 4.3.3 MgO与水蒸气对过渡区内X随时间t的衰减速率的影响
• 4.4 结论
• 第五章 碱金属无机盐与水蒸气对CaO碳酸化的协同催化作用
• 5.1 实验
• 5.1.1 材料
• 5.1.2 实验装置与实验程序
• 5.1.3 材料表征
• 5.2 结果与讨论
• 2SO₄对CaO碳酸化性能的影响'>5.2.1 Na₂SO₄对CaO碳酸化性能的影响
• 5.2.2 其他碱金属无机盐对CaO碳酸化性能的影响
• 5.2.3 各种碱金属无机盐影响机理分析
• 5.3 结论
• 第六章 添加剂对CaO循环性能的影响及循环性能模型的建立
• 6.1 实验
• 6.1.1 实验材料制备
• 6.1.2 实验装置
• 6.1.3 实验程序
• 6.2 实验结果与讨论
• 6.2.1 没有添加剂时,CaO的循环性能
• 6.2.2 各种添加剂对CaO碳酸化反应性能的改性作用
• 6.2.3 各种添加剂对CaO循环性能的影响
• 6.2.4 CaO循环性能随循环次数变化的数学模型的建立
• 6.3 结论
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 参与科研课题
• 博士在读期间发表的论文
• 致谢