煤直接制甲烷的热力学分析和实验研究

【摘要】：煤制甲烷对清洁转化利用煤炭、优化终端能源结构具有重要意义。本论文研究煤、水蒸气、CO2吸收剂的气化反应体系,集成反应和分离、吸热和放热于一个反应器,直接制取甲烷,开展了热力学分析、定容实验、固定床实验和定压连续流化床实验,具体工作如下： 1、煤直接制甲烷热力学平衡分析 通过热力学平衡计算,研究了反应温度、反应压力、Ca/C摩尔比和H2O/C摩尔比等对煤直接制甲烷的影响,确定了反应条件范围；从煤直接制甲烷反应器与CaO再生反应器的自热平衡出发,获得了所需的气化最高碳转化率。 2、煤直接制甲烷的定容实验研究 以定容实验为手段,研究了反应停留时间、反应温度、反应压力、Ca/C摩尔比和H2O/C摩尔比等反应条件的影响。实验结果与热力学平衡计算一致,典型工况CH4含量超过62%,CO和C02含量均低于0.1%。延长反应停留时间对CH4产率促进作用明显；提高反应压力和降低反应温度提高CH4产率；CaO吸收C02,使CH4浓度比加氢气化提升44%。 3、煤直接制甲烷的固定床实验研究 CH4产率受CaO和水蒸气共同作用影响明显。煤热解、蒸汽气化和煤+CaO热解反应的CH4产率小,煤与CaO分层时气体产率大幅下降；加压条件CH4产率峰值出现在550℃-600℃,且压力的提升对CH4产率提升明显;反应温度升高对CH4产率的提升不如对H2效果明显：水蒸气在低温时参与反应对H2和CH4产率促进明显,而C2和C3由于发生蒸汽重整反应而受到较强抑制。 4、煤直接制甲烷的流化床连续实验研究与分析 通过流化床连续实验研究不同水蒸气分压和Ca/C的作用。过量水蒸气通过促进甲烷重整反应抑制甲烷产生,水蒸气分压为3.3MPa时CH4和H2产率最高；Ca/C为0.5时CH4平均产率最高,CaO再增加有利于煤直接制氢的反应而对制甲烷反应有所抑制。 流化床反应器的CH4和H2产率接近平衡模拟结果,碳转化率接近再生自热平衡所需的碳转化率。 【关键词】：CO_2吸收剂 煤制甲烷 热力学分析 定容实验 定压实验
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ221.11;TQ536
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-16
• 第一章 绪论16-40
• 1.1 研究背景及意义16-19
• 1.2 煤制甲烷工艺研究现状19-28
• 1.2.1 蒸汽-氧气气化19-24
• 1.2.2 加氢气化24-26
• 1.2.3 催化蒸汽气化26-28
• 1.3 加氢气化研究进展28-32
• 1.3.1 煤制甲烷相关反应基础28-29
• 1.3.2 实验研究29-32
• 1.4 CO_2吸收剂在制氢领域的应用研究32-36
• 1.5 课题的提出36-38
• 1.6 研究内容38-40
• 第二章 煤直接制甲烷热力学平衡分析40-62
• 2.1 煤直接制甲烷反应条件探讨40-49
• 2.1.1 温度的影响41-42
• 2.1.2 压力的影响42-43
• 2.1.3 温度和压力的综合影响43-45
• 2.1.4 Ca/C的影响45-46
• 2.1.5 H20/C的影响46-47
• 2.1.6 Ca/C和H20/C的综合影响47-49
• 2.2 煤直接制甲烷反应系统热量平衡研究49-60
• 2.2.1 煤直接制甲烷反应器热量平衡研究50-55
• 2.2.2 双反应器系统热量平衡研究55-60
• 2.3 本章小结60-62
• 第三章 煤直接制甲烷的定容实验研究62-88
• 3.1 实验装置62-67
• 3.1.1 装置结构62-64
• 3.1.2 测量手段及分析64-66
• 3.1.3 实验步骤66-67
• 3.2 实验装置调试67-68
• 3.2.1 系统升温测试67
• 3.2.2 系统压力测试67-68
• 3.3 煤直接制甲烷实验结果与分析68-85
• 3.3.1 典型煤直接制甲烷工况分析68-72
• 3.3.2 煤直接制甲烷与其他工艺典型工况对比72-73
• 3.3.3 反应停留时间的影响73-74
• 3.3.4 温度的影响74-77
• 3.3.5 压力的影响77-80
• 3.3.6 Ca/C的影响80-83
• 3.3.7 H2O/C的影响83-85
• 3.4 本章小结85-88
• 第四章 煤直接制甲烷的固定床实验研究88-120
• 4.1 定压实验装置89-90
• 4.2 固定床实验系统调试与实验90-93
• 4.2.1 固定床实验系统调试90-91
• 4.2.2 固定床实验操作步骤91-93
• 4.3 煤直接制甲烷反应的单元分析93-102
• 4.3.1 煤直接制甲烷固定床典型工况实验93-94
• 4.3.2 煤热解固定床实验94-95
• 4.3.3 煤蒸汽气化反应95-96
• 4.3.4 煤与CaO反应96-97
• 4.3.5 气化合成气制甲烷实验97-98
• 4.3.6 煤加氢气化98-99
• 4.3.7 各反应工况实验效果对比99-102
• 4.4 影响煤直接制甲烷反应的因素102-117
• 4.4.1 压力的影响102-105
• 4.4.2 温度的影响105-106
• 4.4.3 加水方式的影响106-109
• 4.4.4 水蒸气分压的影响109-113
• 4.4.5 煤与CaO分层的影响113-117
• 4.5 本章小结117-120
• 第五章 煤直接制甲烷的流化床连续实验研究与分析120-136
• 5.1 煤直接制甲烷流化床实验装置120-125
• 5.1.1 流化床实验装置调试及改造120-123
• 5.1.2 流化床实验操作步骤123-125
• 5.2 典型煤直接制甲烷流化床实验125-130
• 5.2.1 不同水蒸气分压的影响125-128
• 5.2.2 不同Ca/C的影响128-130
• 5.3 煤直接制甲烷典型工况分析130-133
• 5.4 本章小结133-136
• 第六章 结论与展望136-138
• 6.1 本文结论136-137
• 6.2 本文主要创新点137
• 6.3 下一步工作展望137-138
• 参考文献138-146
• 攻读博士学位期间参加的科研项目146-147
• 攻读博士学位期间发表的论文147-148
• 致谢148

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