基於CO2捕集的煤高效制氫過程基礎研究

《基於CO2捕集的煤高效制氫過程基礎研究》是依託華中科技大學，由向軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於CO2捕集的煤高效制氫過程基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：向軍
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

本項目研究基於CO2捕集的煤高效制氫新方法，目標是在一次反應器內完成煤的定向催化氣化，獲得高純度氫氣，同時實現CO2的分離與捕集。研究氧給體（鐵基/鎳基氧化物）及CO2載體（鈣基氧化物）配方及製備方法；分析CO2載體和氧給體在氧化/還原/碳酸化/再生過程中物理/化學結構演化特徵及反應性衰減規律，對CO2載體和氧給體物理/化學結構進行改性以最佳化反應性能；建立一套專用煤熱反應制氫裝置，研究煤定向氣化反應熱力學和動力學特徵，研究催化氣化過程中C/H/O/N/S反應體系詳細化學反應，獲得定量的反應動力學參數，建立煤氣化製取高純度H2的動力學模型，揭示高溫下揮發份及煤焦催化氣化反應機理，確定硫、氮組分演化規律；探討氧給體和CO2載體在多組份氣體條件下氧化/還原/碳酸化/再生機理及對煤蒸汽氣化反應的影響。項目將確立煤定向氣化-還原燃燒-污染物控制-CO2捕集的工藝路線，對煤綠色高效熱轉化提供理論基礎。

結題摘要

煤炭利用過程中會排放出大量的CO2，引起溫室效應。基於CO2捕集的煤氣化制氫技術是提高能源利用效率、減少污染物排放，尤其是CO2減排的有效途徑。 本文選取兩種典型褐煤為對象，研究利用濕法混合法添加的活性CaO在水蒸氣氣化起到的作用，分析了CO2吸收、催化焦油裂解和催化水煤氣變換反應三個作用間的相互耦合關係。同時，選取四種鈣前驅添加惰性載體和耐高溫鋁酸鹽水泥作為粘合劑，製備改性吸收劑，提高其循環反應活性和物理強度，篩選出最優的改性吸收劑，系統研究其碳酸化、煅燒和水煤氣變換反應動力學。最後，課題組提出了基於CO2捕集的雙層煤氣化制氫技術方案，將氣化過程與CO2捕集過程有機結合，在雙層反應器上研究制氫效果，為工業化套用提供基礎數據。主要結論如下： （1）在噴流床上研究了通過濕法混合法添加的CaO對模型化合物活性炭和兩種酸洗煤水蒸氣氣化的綜合作用，探討了吸收劑添加在製取富氫氣體中的協同作用。研究表明， CO2吸附反應和催化水煤氣變換反應對H2生成具有協同作用，富氫效果明顯。吸收劑的添加可以明顯最佳化水蒸氣氣化過程。 （2）將氫氧化鈣、硝酸鈣、納米碳酸鈣以及乙酸鈣作為鈣前驅，硝酸鋁作為惰性載體前驅，製備了改性CaO吸收劑，目的是提高其循環反應活性，同時通過添加耐高溫鋁酸鹽水泥作為粘合劑使其成型並提高其物理強度。研究發現基於醋酸鈣前驅製備的吸收劑經過48次循環後CO2負載率為61.26%，遠高於未改性吸收劑的19.60%，同時燒結現象也顯著改善。 （3）對不同溫度、不同CO2分壓下吸收劑的碳酸化和煅燒反應動力學進行了研究。本文提出了過渡模型，使模型精度在化學控制階段和擴散控制階段的過渡區域顯著提高；構建了吸收劑的碳酸化動力學綜合模型和煅燒動力學模型。 （4）研究了改性CO2吸收劑對水煤氣變換反應的催化反應動力學，修正了傳統的水煤氣變換反應速率指數模型，考察了氣體濃度和反應溫度對反應速率的影響，得到了吸收劑催化水煤氣變換反應的動力學模型。 （5）在雙層反應器上聯合考察了改性吸收劑CO2捕集的綜合效果，兩種煤氣化氣中H2濃度分別達到84.92%和77.27%。將前文建立的碳酸化模型和水煤氣變換反應模型的模擬結果與實驗結果進行比較，驗證了模型的適用性。 （6）研究了氣化過程中硫、氮組分演化規律，提出氣化氣、煙道氣脫硫、脫硝、脫汞方法。