基于CO2捕集的煤高效制氢过程基础研究

本项目研究基于CO2捕集的煤高效制氢新方法，目标是在一次反应器内完成煤的定向催化气化，获得高纯度氢气，同时实现CO2的分离与捕集。研究氧给体（铁基/镍基氧化物）及CO2载体（钙基氧化物）配方及制备方法；分析CO2载体和氧给体在氧化/还原/碳酸化/再生过程中物理/化学结构演化特征及反应性衰减规律，对CO2载体和氧给体物理/化学结构进行改性以优化反应性能；建立一套专用煤热反应制氢装置，研究煤定向气化反应热力学和动力学特征，研究催化气化过程中C/H/O/N/S反应体系详细化学反应，获得定量的反应动力学参数，建立煤气化制取高纯度H2的动力学模型，揭示高温下挥发份及煤焦催化气化反应机理，确定硫、氮组分演化规律；探讨氧给体和CO2载体在多组份气体条件下氧化/还原/碳酸化/再生机理及对煤蒸汽气化反应的影响。项目将确立煤定向气化-还原燃烧-污染物控制-CO2捕集的工艺路线，对煤绿色高效热转化提供理论基础。

煤炭利用过程中会排放出大量的CO2，引起温室效应。基于CO2捕集的煤气化制氢技术是提高能源利用效率、减少污染物排放，尤其是CO2减排的有效途径。.本文选取两种典型褐煤为对象，研究利用湿法混合法添加的活性CaO在水蒸气气化起到的作用，分析了CO2吸收、催化焦油裂解和催化水煤气变换反应三个作用间的相互耦合关系。同时，选取四种钙前驱添加惰性载体和耐高温铝酸盐水泥作为粘合剂，制备改性吸收剂，提高其循环反应活性和物理强度，筛选出最优的改性吸收剂，系统研究其碳酸化、煅烧和水煤气变换反应动力学。最后，课题组提出了基于CO2捕集的双层煤气化制氢技术方案，将气化过程与CO2捕集过程有机结合，在双层反应器上研究制氢效果，为工业化应用提供基础数据。主要结论如下：.（1）在喷流床上研究了通过湿法混合法添加的CaO对模型化合物活性炭和两种酸洗煤水蒸气气化的综合作用，探讨了吸收剂添加在制取富氢气体中的协同作用。研究表明， CO2吸附反应和催化水煤气变换反应对H2生成具有协同作用，富氢效果明显。吸收剂的添加可以明显优化水蒸气气化过程。.（2）将氢氧化钙、硝酸钙、纳米碳酸钙以及乙酸钙作为钙前驱，硝酸铝作为惰性载体前驱，制备了改性CaO吸收剂，目的是提高其循环反应活性，同时通过添加耐高温铝酸盐水泥作为粘合剂使其成型并提高其物理强度。研究发现基于醋酸钙前驱制备的吸收剂经过48次循环后CO2负载率为61.26%，远高于未改性吸收剂的19.60%，同时烧结现象也显著改善。.（3）对不同温度、不同CO2分压下吸收剂的碳酸化和煅烧反应动力学进行了研究。本文提出了过渡模型，使模型精度在化学控制阶段和扩散控制阶段的过渡区域显著提高；构建了吸收剂的碳酸化动力学综合模型和煅烧动力学模型。.（4）研究了改性CO2吸收剂对水煤气变换反应的催化反应动力学，修正了传统的水煤气变换反应速率指数模型，考察了气体浓度和反应温度对反应速率的影响，得到了吸收剂催化水煤气变换反应的动力学模型。.（5）在双层反应器上联合考察了改性吸收剂CO2捕集的综合效果，两种煤气化气中H2浓度分别达到84.92%和77.27%。将前文建立的碳酸化模型和水煤气变换反应模型的模拟结果与实验结果进行比较，验证了模型的适用性。.（6）研究了气化过程中硫、氮组分演化规律，提出气化气、烟道气脱硫、脱硝、脱汞方法。