亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        CO2氣氛下生物質(zhì)焦炭顆粒催化氣化表觀動(dòng)力學(xué)研究

        2021-08-10 07:47:12李港輝龐赟佶翟茂森陳義勝陳宏鵬
        應(yīng)用化工 2021年7期
        關(guān)鍵詞:殘?zhí)?/a>焦炭氣化

        李港輝,龐赟佶,2,翟茂森,陳義勝,陳宏鵬

        (1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高效潔凈燃燒重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

        生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)資源提值利用的重要手段之一[1-4],生物質(zhì)焦炭氣化階段被認(rèn)為是整個(gè)過(guò)程的限制性環(huán)節(jié)[5-6],對(duì)此國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)對(duì)生物質(zhì)焦炭氣化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究[7-9]。生物質(zhì)氣化反應(yīng)緩慢,依舊是生物質(zhì)氣化工藝的限制性環(huán)節(jié)。因此,提升焦炭反應(yīng)速率至關(guān)重要。

        生物質(zhì)二次成型顆粒具有運(yùn)輸便捷、能源密度高等優(yōu)勢(shì),催化劑能有效加快氣化反應(yīng)進(jìn)行[10-11]。本文針對(duì)三種催化劑對(duì)生物質(zhì)焦炭顆粒氣化轉(zhuǎn)化的影響進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,采用等溫失重法測(cè)量氣化反應(yīng)中焦炭質(zhì)量變化,根據(jù)氣化反應(yīng)所遵循機(jī)理,采用熱分析方法,求氣化反應(yīng)活化能(E)和指前因子(A),探究各催化劑的催化機(jī)理。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑與儀器

        玉米秸稈,其工業(yè)分析見(jiàn)表1,CaO、Fe2O3、Na2CO3均為分析純。

        表1 玉米秸稈的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Elemental analysis and industrial analysis of corn stalk

        SK13BYL管式電阻爐;SQP熱重天平;KL120B/C顆粒成型機(jī);OLS4000掃描電鏡;D8 ADVANCE X射線衍射分析儀。

        1.2 生物質(zhì)焦炭的制備

        玉米秸稈中分別添加CaO、Fe2O3、Na2CO3催化劑10%(催化劑質(zhì)量/原料與催化劑的總質(zhì)量),混合均勻后,通過(guò)顆粒成型機(jī)壓縮為直徑8 mm、長(zhǎng)度3~5 cm的生物質(zhì)顆粒,分別放入管式加熱爐內(nèi),制取炭化溫度為450 ℃生物質(zhì)焦炭顆粒。

        1.3 生物質(zhì)焦炭CO2氣化實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2,CO2通過(guò)管路通入反應(yīng)器中,流量控制為60 mL/min。天平與電腦連接。稱取 2 g 生物質(zhì)焦炭顆粒放入料筒,待反應(yīng)器內(nèi)氣流穩(wěn)定后,將料筒懸掛在天平下方,料筒置于氣化爐內(nèi)高溫區(qū)進(jìn)行氣化反應(yīng),點(diǎn)開(kāi)電腦計(jì)數(shù)程序,熱重天平間隔10 s自動(dòng)記錄質(zhì)量變化情況,待質(zhì)量不再變化則氣化反應(yīng)完全。在實(shí)際反應(yīng)過(guò)程中氣化劑到達(dá)反應(yīng)界面需要克服三個(gè)阻力影響,顆粒表面氣膜、反應(yīng)過(guò)程中內(nèi)外擴(kuò)散影響,三種因素都會(huì)影響氣化反應(yīng)速率。因此,為保證本研究均在反應(yīng)動(dòng)力區(qū),在下吸式氣化爐上建立豎式安裝的反應(yīng)裝置,并且加大氣化劑流速來(lái)消除氣化反應(yīng)的擴(kuò)散影響。

        圖1 CO2氣化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 CO2 Gasification experimental facility

        1.4 生物質(zhì)焦炭氣化動(dòng)力學(xué)計(jì)算

        (1)

        式中,m0、mt和mf分別表示生物質(zhì)焦炭初始質(zhì)量、t時(shí)刻質(zhì)量和氣化反應(yīng)完全后剩余質(zhì)量。

        生物質(zhì)焦炭氣化反應(yīng)屬于非均相體系,在定溫場(chǎng)中,常用公式(2)作為動(dòng)力學(xué)表達(dá)式:

        (2)

        (3)

        對(duì)轉(zhuǎn)化率(α)、時(shí)間(t)進(jìn)行積分,得:

        (4)

        (5)

        在定溫場(chǎng)研究中,利用動(dòng)力學(xué)模式函數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的“模式配合法”[13]。在定溫環(huán)境中,反應(yīng)速率k(T)是一個(gè)常數(shù),能夠與G(α)分離,于是可以通過(guò)以下步驟分別求得活化能(E)、指前因子(A)和模式函數(shù)G(α)等動(dòng)力學(xué)三因子。

        ①將定溫場(chǎng)中測(cè)得某一溫度的α、t值代入G(α),獲得G(α)-t圖為一條直線,選取能令直線線性最佳的G(α)為模式函數(shù),取斜率k。

        ②利用步驟①中的方法,將一組不同溫度下測(cè)得的α、t值代入,得到一組k值,由公式(5)作出lnk-1/T圖像,可獲得一條直線,由其斜率與截距分別計(jì)算出活化能(E)和指前因子(A)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 生物質(zhì)焦炭CO2氣化轉(zhuǎn)化

        生物質(zhì)焦炭不同溫度下氣化反應(yīng)炭轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖2。

        圖2 生物質(zhì)焦炭CO2氣化α-t圖像Fig.2 Biomass carbon CO2 gasification α-t image a.無(wú)添加炭;b.CaO-炭;c.Fe2O3-炭;d.Na2CO3-炭

        由圖2可知,反應(yīng)溫度從750 ℃提升至950 ℃,反應(yīng)所需時(shí)間大幅度縮短,這是因?yàn)闅饣磻?yīng)多為吸熱反應(yīng),隨溫度升高,反應(yīng)速率也隨之加快。添加三種催化劑的反應(yīng),明顯加快氣化反應(yīng)速率,縮短反應(yīng)所需時(shí)間。

        2.2 生物質(zhì)焦炭CO2氣化動(dòng)力學(xué)參數(shù)

        生物質(zhì)焦炭氣化反應(yīng)是典型的氣固非均相反應(yīng),Wen等提出縮核模型,認(rèn)為所有氣化反應(yīng)在氣固反應(yīng)的相界面上進(jìn)行[14]。初始階段,氣化反應(yīng)在炭顆粒外表面發(fā)生,隨反應(yīng)向后推移,反應(yīng)界面推進(jìn)到顆粒內(nèi)部,外面留下灰分層,在顆粒內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)一個(gè)未反應(yīng)的固體核心,隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行,該核心不斷向中心縮小[15]。米鐵等[16]在研究生物質(zhì)焦炭CO2氣化反應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)氣化反應(yīng)行為更符合縮核模型。趙輝等在研究過(guò)程中,將三次多項(xiàng)式擬合與縮核模型擬合作對(duì)比,縮核模型更能描述生物質(zhì)焦炭氣化行為[17]。這與許桂英等[18]得出結(jié)論一致,其將均相模型與縮核模型的擬合度進(jìn)行對(duì)比,得出縮核模型擬合度更高。

        氣化反應(yīng)是從焦炭顆粒外部向內(nèi)部推移,一個(gè)未反應(yīng)的焦炭核心在反應(yīng)過(guò)程中不斷縮小,焦炭表面的灰分自然脫落,并且焦炭顆粒呈圓柱體形收縮,屬于縮核模型中的一種類型。反應(yīng)機(jī)理函數(shù)表達(dá)式:

        G(α)=n[1-(1-α)m]

        (6)

        其中,m為反應(yīng)級(jí)數(shù),n為系數(shù)。

        利用收縮圓柱體模型對(duì)添加不同催化劑的生物質(zhì)焦炭氣化過(guò)程進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)該模型擬合后的線性相關(guān)度最好,該模型的反應(yīng)級(jí)數(shù)為1/2。圖3為生物質(zhì)焦炭氣化段收縮圓柱體模型擬合圖。

        圖3 生物質(zhì)焦炭CO2氣化段擬合Fig.3 Biomass carbon CO2 gasification section fitting a.無(wú)添加炭;b.CaO-炭;c.Fe2O3-炭;d.Na2CO3-炭

        對(duì)四種生物質(zhì)焦炭熱解和氣化lnk-1/T分別進(jìn)行擬合,見(jiàn)圖4,其中擬合所得直線斜率和截距分別為-E/R和lnA,反應(yīng)表觀活化能和指前因子分別為E和A。從氣化反應(yīng)活化能來(lái)看,無(wú)添加的生物質(zhì)焦炭活化能最高,添加催化劑Na2CO3的炭反應(yīng)活化能最低,其次是CaO、Fe2O3催化劑。

        圖4 生物質(zhì)焦炭CO2氣化lnk-1/T關(guān)系Fig.4 lnk-1/T Relationship of biomass carbon CO2 gasification

        在動(dòng)力學(xué)研究當(dāng)中動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)是一個(gè)不可或缺的重要內(nèi)容。動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)即為lnA和E具有一定的線性關(guān)系[19]。對(duì)同一反應(yīng)而言,已知A或E可預(yù)測(cè)另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)值,或者根據(jù)Arrhenius公式和關(guān)系式(7),可以粗略估計(jì)某一反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率[20]。

        lnA=aE+b

        (7)

        其中,a和b為補(bǔ)償參數(shù)。

        對(duì)以上求得的E和lnA進(jìn)行線性擬合,見(jiàn)圖5,lnA和E具有線性關(guān)系,符合動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)。

        圖5 lnA-E線性擬合圖Fig.5 lnA-E Linear fitting graph

        2.3 結(jié)果分析

        2.3.1 比表面積 三種催化劑對(duì)焦炭氣化都具有一定的催化作用,催化強(qiáng)弱順序?yàn)镹a2CO3>CaO>Fe2O3。四種生物質(zhì)焦炭比表面積分析結(jié)果見(jiàn)表2。

        由表2可知,CaO、Fe2O3和Na2CO3三種催化劑都具有增大生物質(zhì)焦炭比表面積的作用,并且Fe2O3的作用最強(qiáng),其次是Na2CO3和CaO。添加催化劑的生物質(zhì)焦炭的比表面積增加,這對(duì)加快氣化反應(yīng)進(jìn)行起到積極作用。同時(shí),這也是三種催化劑都能促進(jìn)氣化反應(yīng)進(jìn)行的一個(gè)重要原因。

        表2 4種生物質(zhì)焦炭比表面積測(cè)試結(jié)果Table 2 Specific surface area test results of four kinds of biomass coke

        2.3.2 機(jī)理探討 生物質(zhì)焦炭CO2氣化轉(zhuǎn)化機(jī)理可以用以下反應(yīng)式表達(dá)[21]:

        Cf+CO2→C(O)+CO

        C(O)+C→C(O)+Cf

        其中,Cf為自由活性炭,C(O)為碳氧絡(luò)合物。

        反應(yīng)過(guò)程中,金屬原子能夠?qū)O2分子中O原子剝離出來(lái),生成中間金屬-炭-氧不穩(wěn)定絡(luò)合物,在高溫條件下絡(luò)合物分解,這一過(guò)程加快以上反應(yīng)[4]。

        關(guān)于CaO催化劑在氣化過(guò)程中,CO2會(huì)與CaO 發(fā)生作用,將CO2中的O原子剝離開(kāi)來(lái),生成CO和CaO(O)不穩(wěn)定絡(luò)合物,緊接著CaO(O)與自由活性炭Cf發(fā)生反應(yīng),形成C(O)絡(luò)合物,C(O)絡(luò)合物在高溫環(huán)境中裂解成CO。反應(yīng)過(guò)程可由以下反應(yīng)式表示。

        CaO+CO2=CaO(O)+CO

        CaO(O)+Cf=CaO+C(O)

        C(O)=CO+Cf

        這與Zhang等[22]研究結(jié)論一致。對(duì)反應(yīng)后殘?zhí)康腦射線衍射分析見(jiàn)圖6。

        圖6 CaO-炭氣化后殘?zhí)縓RD Fig.6 XRD of CaO-carbon residue after gasification

        由圖6可知,殘?zhí)恐写嬖贑aO4中間絡(luò)合物。在過(guò)往對(duì)于CaO的氣化研究中,CaO能從反應(yīng)體系中不斷捕捉CO2,扮演催化劑和吸收劑雙重角色。

        鐵基催化劑催化機(jī)理可以總結(jié)為以下表達(dá)式[23]:

        FenOm+CO2→FenOm+1+CO

        FenOm+1+C→FenOm+CO

        實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),添加Fe2O3的生物質(zhì)焦炭在高溫下存在燒結(jié)現(xiàn)象,使得焦炭孔隙率降低,致使反應(yīng)過(guò)程中氣化劑擴(kuò)散至反應(yīng)表面受到抑制。

        圖7是對(duì)添加Fe2O3的生物質(zhì)焦炭反應(yīng)50%時(shí)殘?zhí)勘砻娴膾呙桦婄R(SEM),其表面出現(xiàn)一層致密層。

        圖7 Fe2O3-炭電鏡掃描Fig.7 Fe2O3-Carbon electron microscope scanning diagram

        金屬Na高溫下與炭發(fā)生作用,使得焦炭結(jié)構(gòu)不再穩(wěn)定,有利于氣化劑和氣體產(chǎn)物的擴(kuò)散,并能夠生成更多的自由活性炭[8]。

        圖8是添加Na2CO3的生物質(zhì)焦炭反應(yīng)50%時(shí)的掃描電鏡(SEM)圖像。

        圖8 Na2CO3-炭電鏡掃描Fig.8 Na2CO3-Carbon electron microscope scanning diagram

        由圖8可知,焦炭結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔隙增多。并且金屬Na在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)與焦炭中的Si、Al等元素發(fā)生作用,其反應(yīng)后的殘?zhí)縓射線衍射分析見(jiàn)圖9。

        圖9 Na2CO3-炭氣化后殘?zhí)縓RD Fig.9 XRD of Na2CO3-carbon residue after gasification

        由圖9可知,殘?zhí)恐写嬗锈c鋁硅酸鹽,這一反應(yīng)引起焦炭體積膨脹、裂紋增多,使得氣化劑更容易擴(kuò)散至焦炭?jī)?nèi)部參與反應(yīng),這與Li[24],崔平[25]和王平[26]等研究結(jié)論一致。

        除此以外,已有研究證明,Na、Ca、Fe等金屬元素能夠減弱碳碳鍵[22],這也使得反應(yīng)過(guò)程中很容易生成大量的自由活性炭,促進(jìn)炭與CO2轉(zhuǎn)化為CO。

        3 結(jié)論

        采用熱分析技術(shù),在定溫場(chǎng)中研究CO2氣氛下生物質(zhì)焦炭的氣化行為,計(jì)算其反應(yīng)表觀活化能和指前因子。

        (1)在CO2氣氛下,氣化溫度對(duì)焦炭氣化反應(yīng)速率具有顯著影響。隨著氣化溫度上升,焦炭氣化反應(yīng)速率明顯加快。

        (2)在不同催化劑添加下,圓柱形焦炭顆粒的CO2氣化遵循收縮圓柱體反應(yīng)機(jī)理,其機(jī)理函數(shù)為2[1-(1-α)1/2],通過(guò)lnA、E的擬合,發(fā)現(xiàn)具有動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)。

        (3)所研究的3種催化劑對(duì)焦炭氣化轉(zhuǎn)化都起到不同程度的催化效應(yīng),催化活性排序?yàn)镹a2CO3>CaO>Fe2O3,堿金屬催化活性最強(qiáng)。

        猜你喜歡
        殘?zhí)?/a>焦炭氣化
        2020年我國(guó)累計(jì)出口焦炭349萬(wàn)t
        小型垃圾熱解氣化焚燒廠碳排放計(jì)算
        焦炭塔鼓脹變形合于使用評(píng)價(jià)
        氣化殘?zhí)颗c低階煤混燃特性及動(dòng)力學(xué)分析
        不同焦鋼比下未來(lái)7億t粗鋼對(duì)焦炭需求的預(yù)測(cè)(按照全國(guó)焦炭產(chǎn)量計(jì)算)
        煤化工(2019年3期)2019-08-06 02:30:14
        渣油殘?zhí)恐档亩筷P(guān)聯(lián)分析
        茂名口岸進(jìn)口原油殘?zhí)恐迪嚓P(guān)性影響因素分析
        氣化裝置在線倒?fàn)t及優(yōu)化改進(jìn)
        粉煤加壓氣化新局難破
        能源(2015年8期)2015-05-26 09:15:44
        石油產(chǎn)品中殘?zhí)繙y(cè)定實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革
        久久精品国产亚洲av网在| 日日摸夜夜添夜夜添无码免费视频 | 天天草夜夜草| 国产一级一厂片内射视频播放 | 激情综合婷婷色五月蜜桃| 国产成熟人妻换╳╳╳╳| 四虎精品成人免费观看| 亚洲视频一区二区三区免费 | 综合色就爱涩涩涩综合婷婷| 八戒网站免费观看视频| 在线偷窥制服另类| 亚洲国产区中文在线观看| 97人妻人人做人碰人人爽| 人人妻人人玩人人澡人人爽 | 无码人妻丰满熟妇啪啪网不卡 | 国产精品一区一区三区| 欧美xxxxx高潮喷水| 熟妇的荡欲色综合亚洲| 巨臀中文字幕一区二区| 青青草视频在线播放观看| 无码人妻精品一区二区三区夜夜嗨| 亚洲国产成人va在线观看天堂 | 亚洲丝袜美腿在线视频| 成人区人妻精品一区二区不卡网站| 国产一区a| 亚洲国产综合久久精品| 一本色道久久hezyo无码| 免费无码午夜福利片69| 久久99亚洲网美利坚合众国| 国产的自拍av免费的在线观看| 性xxxx18免费观看视频| 国产一及毛片| 国语自产啪在线观看对白| 蜜桃视频一区二区在线观看| 国产人妻无码一区二区三区免费| 国产精品不卡无码AV在线播放| 久久免费亚洲免费视频| 国产女主播精品大秀系列| 国产亚洲欧美精品一区| 日韩中文字幕在线丰满| 日本19禁啪啪吃奶大尺度|