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基于化学链方式制取O₂-CO₂混合气的实验研究及分析

作　者: 张腾
导　师: 蔡宁生
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: O2/CO2循环燃烧空分制氧钴基制氧剂缩核模型
分类号: O611.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 15次
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内容摘要

化石燃料燃烧产生的CO₂是最主要的温室气体来源,O₂/CO₂循环燃烧是一项非常有潜力的碳捕集技术,而且特别适合于我国以煤为主的能源结构。O₂/CO₂循环燃烧需要空分制氧,会使常规电站的净效率大幅下降。目前的几种空分制氧方式均是制纯氧,制氧系统投资大,能耗高。针对O₂/CO₂循环燃烧实际所需的仅是O₂浓度为20-40%的O₂-CO₂混合气这一特点,本文研究了采用化学链方式直接制取这种混合气以降低制氧能耗。采用浸渍担载法制备了钴基制氧剂颗粒,通过XRD分析了颗粒成分,通过SEM观察了颗粒微观结构。在TGA上研究了制氧剂颗粒在不同温度下和不同氧浓度下的吸氧特性以及在CO₂气氛下的解吸特性。实验结果显示制氧剂颗粒不会与CO₂发生反应,吸氧和解吸反应速率较好,通过不同氧浓度下的初始分解温度获取了钴基制氧剂的热力学平衡关系式,采用缩核模型对动力学特性进行了研究并获取了动力学参数。针对钴基制氧剂熔点低可能会发生烧结的质疑,在制氧所需要的高温下进行了150次吸氧解吸循环反应,循环稳定性非常好,没有任何衰减现象。对烟气中的SO₂,NO可能对制氧剂的影响进行了实验验证及理论分析,说明了实际烟气用于解吸过程吹扫气的可行性。在固定床上交替进行了吸氧和解吸实验,研究了反应温度、空气流量和CO₂吹扫气体流量等因素对吸氧特性和O₂释放特性的影响。在双固定床上采用气路切换的方式,连续12个小时获得O₂浓度在20%以上的O₂-CO₂混合气,验证了连续制氧的可行性。通过对制氧过程的热力学平衡和热量分析,提出了适合钴基制氧剂的制氧系统和合适的运行参数,利用Aspen软件计算了制氧过程中的功耗和热量,计算结果表明相对于传统的深冷法制氧有很大优势。对制氧过程所需的制氧剂用量进行了评估,从成本和矿物储量方面论证了可行性。

全文目录

摘要 3-4Abstract 4-8第1章引言 8-20 1.1 选题背景及意义 8-13 1.1.1 CO_2 捕集与O_2/CO_2 循环燃烧 8-10 1.1.2 空分制氧 10-12 1.1.3 基于化学链方式的CAR 制氧技术 12-13 1.2 研究综述分析 13-18 1.2.1 制氧剂材料 13-16 1.2.2 热量问题 16-18 1.3 研究思路与研究内容 18-20 1.3.1 研究思路 18 1.3.2 研究内容 18-20第2章钴基制氧剂的制备与TGA 实验研究 20-41 2.1 实验样品的制备 20-22 2.2 实验样品表征 22-24 2.3 TGA 吸氧与解吸过程 24-28 2.3.1 TGA 实验数据的处理方法 24-25 2.3.2 不同温度、氧浓度下的吸氧实验 25-27 2.3.3 解吸过程 27-28 2.4 热力学平衡 28-30 2.5 动力学参数 30-36 2.5.1 缩核模型介绍 30-33 2.5.2 模型计算 33-36 2.6 循环反应与“烧结” 36-37 2.7 烟气实验 37-39 2.7.1 SO_2 对制氧剂的影响 37-39 2.7.2 NO 对制氧剂的影响 39 2.8 本章小结 39-41第3章固定床实验 41-48 3.1 单固定床实验 41-42 3.1.1 固定床装置 41 3.1.2 实验步骤 41-42 3.2 固定床实验结果及分析 42-45 3.2.1 吸氧实验 42-44 3.2.2 解吸实验 44-45 3.3 双固定床连续制氧实验 45-47 3.4 本章小结 47-48第4章经济性分析 48-59 4.1 制氧系统 48-52 4.1.1 制氧系统热量来源分析 48-51 4.1.2 系统描述 51-52 4.2 运行参数选定及能耗分析 52-57 4.2.1 选定运行参数的逻辑 52 4.2.2 运行参数的说明 52-53 4.2.3 系统能耗计算 53-55 4.2.4 能耗比较与分析 55-57 4.3 原料用量与成本估算 57 4.4 本章小结 57-59第5章结论 59-61 5.1 研究总结 59-60 5.2 需进一步开展的工作和拓展研究 60-61参考文献 61-65致谢 65-66个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果 66-67

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