發(fā)布時間：2021-10-27 11:54

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

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

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

燃料反應器溫度對生物質化學鏈氣化的影響

水蒸氣不僅是生物質化學鏈氣化反應的產(chǎn)物,也可以作為氣化反應的氣化劑,用來調整合成氣中H2和CO的比例。圖4為燃料反應器溫度1273 K、生物質1 kmol,n(O)/n(B)為0.16時水蒸氣/生物質摩爾比(n(H2O)/n(B))對生物質化學鏈氣化過程的影響。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。這是因為水蒸氣含量增多,可以抑制載氧體的還原反應正向進行,同時使水汽平衡反應(52)正向移動。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為化學鏈氣化過程提供額外的氧,促進了碳的轉化,提高了碳轉化率。但當n(H2O)/n(B)大于0.4時,合成氣生成量無明顯變化。同時,過量水蒸氣增大了系統(tǒng)的壓強,碳的轉化受到抑制。綜上所述,水蒸氣的引入有利于生物質的氣化,提高合成氣中n(H2)/n(CO),改善合成氣品質。在實際的氣化反應系統(tǒng)中,水蒸氣過多會使反應器中混合氣的體積流速升高,與載氧體的接觸時間變短,反應不充分。此外,未參與反應的水蒸氣會帶走大量潛熱,降低氣化反應溫度,從而影響系統(tǒng)的氣化效率。因此,n(H2O)/n(B)要根據(jù)實際需要選擇一個最佳值。n(H2O)/n(B)優(yōu)化值為0.4。

由上述分析可知,由于Mn、Cu有多種價態(tài),且燃料反應器中不僅有熱解、氣化反應,還有水汽變換、重整等反應,因此生物質化學鏈氣化是一個復雜過程,在燃料反應器內有多個反應相互競爭,最終的氣化是多個反應相互協(xié)同和綜合作用的結果。依據(jù)式(3),由軟件“Reaction Equation”計算得到燃料反應器內各個反應的ΔG隨溫度變化趨勢如圖1所示。反應(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個反應的ΔG大多小于0,溫度越高,ΔG的絕對值越大,反應越容易發(fā)生。當CuMn2O4被CH4、H2、CO和C還原至相同狀態(tài)時,如反應(14)、(25)、(36)和(47),CH4與CuMn2O4反應的ΔG最小,說明CH4與CuMn2O4的反應活性最高,CuMn2O4最容易被CH4還原。另外,反應(14)的ΔG小于反應(10),因此Mn2O3優(yōu)先于CuO被還原;對比反應(25)和(21)、(36)和(32)、(47)和(43)的ΔG也可得出此結論。由圖1(a)可知,當反應溫度為1273 K時,CH4與CuMn2O4反應的產(chǎn)物都是Cu、H2O和CO2的情況下,ΔG從小到大的順序為:反應(5)、反應(6)、反應(7)、反應(8),且反應(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。同樣,對比反應(6)、(11)和(14)在1273 K時的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】：
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博士論文
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本文編號：3461550