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化学链热解液烃燃料制备炭黑的实验研究与数值模拟

【摘要】:化学链技术是一种清洁高效的新型无火焰燃烧技术,其利用载氧体在燃料反应器和空气反应器之间交替进行还原-氧化反应,实现氧和热量的传递,具有广泛应用前景。煤焦油作为煤炭热解制气、制炭过程的副产品,是制备炭黑、提取苯酚类化合物等高附加值产品的重要原料。本课题组基于化学链气化的研究原理,通过调控反应温度和载氧比,提高产物中固相碳收率,提出液体燃料化学链热解用于制备炭黑的工艺。为确切掌握热解反应规律及载氧体表界面反应机理,本文详细研究了流化床反应器内煤焦油化学链热解特性及载氧体的失活机理。主要研究内容和结果如下:首先利用数值计算软件对实验室搭建的小型流化床反应器进行热态数值模拟,通过分析反应器内各热解产物的产率及影响因素,确定合理的操作条件作为热态实验的运行依据,对煤焦油化学链热解机理及载氧体颗粒粒径的演变特性进行初步研究。发现载氧体在还原氧化过程中载氧能力的演变与颗粒粒径变化直接关联。在数值模拟分析的基础上,通过浸渍法制备了Fe/Al复合载氧体,在小型流化床反应器上进行煤焦油化学链热解制备炭黑的热态实验研究。重点考察不同煤焦油/载氧体配比、反应温度、炉内停留时间对炭黑收率、能量转化效率及炭黑品质的影响,以此确定最佳反应条件;利用TEM及烟气分析仪、气相色谱等手段对产物中的炭黑、气相产物进行定性定量分析,从而对煤焦油化学链热解过程各元素的反应路径归纳总结。研究表明煤焦油/载氧体摩尔比为1:3、反应温度为950℃时炭黑收率最大。裂解反应温度越高、炉内停留时间越短,制备所得炭黑粒径尺寸越小,炭黑聚集体空间结构越发达。为考察铁基载氧体的反应活性,对多循环载氧体的结构特征进行分析研究,使用XRD、BET、SEM等多种表征手段研究多循环反应过程中的载氧体微观形貌、结构以及物性的演变,以解释铁基载氧体得氧释氧机理。发现载氧体多次循环氧化再生后携氧量不断减少,因局部烧结破坏载氧体多孔结构是载氧体循环性能下降的主要原因。为提高铁基载氧体的多循环性能,通过添加CaO作为载氧体中的催化剂和造孔剂,改善载氧体反应性能,提高载氧体多循环反应活性的稳定性。实验发现,CaO对煤焦油热解具有一定的催化作用,促进煤焦油中C-H键断裂,使更多游离的碳原子在热力作用下聚合成链生成炭黑。经过20次循环反应,仍能实现59%左右的炭黑收率。添加CaO也促进了产氢反应,明显提高了煤焦油化学链热解气相产物中氢气浓度,提高整个反应的能量转化效率。CaO碳酸化-热分解有效再生了载氧体颗粒的微孔表面积及部分孔容,经过20次循环反应,载氧体颗粒仍能维持较好的多孔结构,有效延缓因局部氧化还原过深造成的烧结,对维持载氧体颗粒的反应活性有一定促进作用。

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