论文总字数：30584字

摘 要

石油焦是石油炼制过程中产生的废弃物。解决高硫石油焦的高效、环保利用问题刻不容缓。将化学链气化(CLG)技术应用于石油焦合成气生产。

首先通过实验考察了气化方式、温度、蒸汽流量对化学链气化的影响并且对铁矿石反应前后进行了SEM分析。化学链气化相对与传统的蒸汽气化，碳转化率有明显提高。赤铁矿的存在使碳转化效率提高到70.13%，但有效合成气的比例略有下降。结果表明，在石油焦气化实验中，铁矿石载氧体的加入不仅可以提高碳转化率，而且对硫的释放和分布有重要影响。当反应温度高于900℃时，载氧体的活性有明显提高。因此，以赤铁矿为载氧体的化学链气化是一种很好的石油焦转化的技术，并且对硫分的回收提供了可能。SEM分析结果，表明铁矿石反应前后的结构变化不大，有较好的抗烧结性能，热稳定性高。

其次通过实验研究了基于Cu-Fe载氧体下气化介质、载氧体配比对化学链气化的影响并对反应前后的Cu-Fe进行了SEM分析。实验表明，相对于CO₂，水蒸气作为气化介质可以明显提高H₂和CO的产量，因此水蒸气更适合用于化学链气化。随载氧体中Cu的含量的增加，石油焦碳转化率有所加强，H₂的产量呈现上升趋势，而CO₂则呈现相反变化，说明Cu的加入对于载氧体的活性有积极作用。值得注意的时，不加入Cu的Fe基载氧体比加入Cu的Fe基载氧体在石油焦化学链气化实验中的H₂产量高。对Cu-Fe载氧体的SEM分析表明，反应后的载氧体表面疑似烧结，说明Cu的加入降低了载氧体的热稳定性，所以Cu含量不宜过多。

关键字：化学链燃烧，化学链气化，Fe基载氧体，石油焦，铁矿石

ABSTRACT

Petroleum coke is a waste product produced in the refining process of petroleum. It is urgent to solve the problem of high efficiency and environmental usage of high sulfur petroleum coke. Chemical looping gasification (CLG) is applied to the production of petroleum coke syngas.

Firstly, the effects of gasification mode, temperature and steam flow rate on chemical chain gasification were investigated and the hematite before and after reaction was analyzed by SEM. Compared with traditional steam gasification, chemical looping gasification has higher carbon conversion rate. The presence of hematite increased the carbon conversion efficiency to 70.13%, but the proportion of effective syngas decreased slightly. The results show that the addition of hematite oxygen carrier can not only improve the carbon conversion rate, but also affect the release and distribution of sulfur. When the reaction temperature higher than 900℃, the activity of body of oxygen carrier has obviously improved. Therefore, with hematite as the body of oxygen carrier, the gasification is a kind of very good petroleum coke chemical looping conversion and it is possible to recover sulfur. The results of SEM analysis showed that the structure of hematite changed little before and after the reaction, with good sintering resistance and high thermal stability.

Secondly, the influence of gasification medium and oxygen carrier ratio on chemical looping gasification based on Cu-Fe oxygen carrier was studied experimentally, and the SEM analysis of Cu-Fe before and after the reaction was carried out. Experiments show that compared with CO₂, water vapor as gasification medium can significantly increase the production of H₂ and CO, so water vapor is more suitable for chemical looping gasification. With the increase of Cu content in oxygen carriers, the conversion rate of petroleum coke was strengthened, and the output of H₂ showed an upward trend, while CO₂ showed an opposite change, indicating that the addition of Cu had a positive effect on the activity of oxygen carriers. It should be noted that in the petroleum coking chain gasification experiment, the yield of H₂ of Fe-based oxygen carrier without Cu was higher than that of Fe-based oxygen carrier with Cu. The SEM analysis of Cu-Fe oxygen carrier shows that the surface of the oxygen carrier after the reaction is suspected to be sintered, indicating that the addition of Cu reduces the thermal stability of the oxygen carrier.

Keywords: chemical-looping combustion, chemical looping gasification, oxygen carrier, petroleum coke, hematite

目 录

摘要 I

ABSTRACT……………………………………………………...………...………………………II

第一章 绪 论 1

1.1引言 1

1.2石油焦气化研究进展 3

1.3化学链燃烧技术 4

1.4化学链气化技术 5

1.5铁基载氧体的研究进展 6

1.6研究目的和内容 7

第二章 石油焦化学链气化原料及反应系统 9

2.1实验用载氧体 9

2.2实验用石油焦 10

2.3实验仪器与实验过程 10

2.4数据处理 12

第三章 基于赤铁矿的石油焦化学链气化实验研究 14

3.1气化方式对气化反应的影响 14

3.2反应温度对气化反应的影响 18

3.3水蒸气浓度对气化反应的影响 20

3.4 铁矿石的SEM分析 23

3.5 本章总结 25

第四章 基于Cu-Fe载氧体的石油焦化学链气化实验研究 26

4.1 气化介质对气化反应的影响 26

4.2 载氧体配比对气化反应的影响 28

4.3 硫分释放分析 29

4.4载氧体反应前后的SEM分析 30

4.5本章总结 33

第五章 总结和展望 34

5.1总结 34

5.2展望 35

参考文献 36

致谢 39

第一章 绪 论

1.1 引言

世界的进步发展离不开能源，尤其是快速发展的21世纪，对能源的需求量更是不断增加，能源关乎我们社会生活的方方面面，能源是所有生产活动的动力来源。人民的日常生活，国家的稳定，世界的和平，政治经济和军事的将来发展动向都取决于能源的情况。人们的每天吃的食物，穿的衣服，起居生活和交通出行都离不开燃料的燃烧，也就是能源的利用。能源的利用，让我们的生活有了翻天覆地的变化，尤其是发电行业和冶金行业的快速发展，使社会生产力不断的得到大幅度的解放，也真正的让我们的社会越来越向文明的社会发展。从某种意义上来说，能源决定着社会的发展，哪个国家掌握住能源主导权，就能拥有国际上的话语权。

18世纪60年代——19世纪中期的第一次工业革命，瓦特对蒸汽机的改良，拉开了第一次工业革命的帷幕，蒸汽机的大量使用使煤炭的使用量空前提高，煤炭能源占据了世界上能源结构的主要部分。19世纪下半叶——20世纪初期的第二次工业革命，人类逐渐走进电气时代，人类文明达到前所未有的高度，这个阶段的世界能源结构也发生了明显变化，由煤炭能源为主导逐渐演变为石油能源的主导，但是无论是煤炭还是石油都是我们所熟知的化石能源。工业革命以来，在化石燃料的大量使用下，使世界的经济和生产力大幅度提升，使世界人民的生活质量有了质的变化，所有的一切都无可否认的归功于化石燃料的利用。我国是能源利用大国，虽然我国的能源储量丰富，但是因为我国也是人口大国，所以人均能源占有量还不足世界人均能源占有量水平。我国煤炭资源的储量较多，但是石油能源和天然气能源却十分匮乏。2009年以来， 中国一直是当今世界上最大的原油用油国， 其中约60%依赖进口。但是原油的进口来源十分分散，中东、南美、西非、东南亚等地区，而这些地方有充满了矛盾冲突，尤其是非洲，一直伴随着战乱和种族等问题，导致我国的原油进口很大程度上受到国际局势的影响，使我国的能源进口存在着很多不稳定的因素，进而影响着我国的能源安全^[1]。由于我国的能源国情，煤炭能源在我国的能源结构中将会持续占据主导地位。直到2019年，“富煤少油气”的能源现状使我国能源成为煤炭59%、石油19%、天然气8%、新能源14%的“一大三小”结构^[2]。2010年以来，我国的能源消耗水平已经达到世界第一，而目前又是我国正面临着社会主义现代化建设的关键时期，能源短缺将会是限制我国快速发展的一大问题。

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