2023年, 第32卷, 第5期 刊出日期：2023-09-08
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热科学学报. 2023, 32(5): 1721-1721. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1892-x
Under the carbon peaking and carbon neutrality strategy, the demand for diversified, clean and low-carbon energy utilization is increasingly urgent. The low-carbon development and energy security are facing major challenges. It is therefore necessary to build new ways of low-carbon use for high-carbon energy and promote the innovation of low-carbon heat conversion technology.
Clean and efficient utilization of coal plays a decisive role in the energy revolution and has faced big challenges. Circulating fluidized bed (CFB) combustion technology, as an advanced energy utilization technology, has been developed rapidly in the last 30 years. It has the advantages of wide fuel adaptability, good environmental performance and wide range of load regulation. CFB technology will play an important role in the clean and efficient utilization of coal for carbon neutrality.
This special issue covers six subjects and focuses on the experiments, simulations and applications of Circulating fluidized bed technologies and relevant fields. Through rigorous peer review, nineteen original research papers have been accepted, which are broadly categorized into Power generation technology, Boiler deep peak regulation technology, Solid waste firing and co-firing technology, Industrial low-carbon technology, Ultra-low pollutant emission technology, Oxy-fuel combustion technology and Energy storage technology.
We would like to express our gratitude to all the contributors, reviewers and the journal office team for their great support in ensuring the high quality of this special issue. -
热科学学报. 2023, 32(5): 1722-1736. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1864-1可再生能源的快速增长对燃煤电厂的调峰能力提出了更高的要求。富氧燃烧是燃煤电厂最有前途的碳减排技术之一。本研究提出了一种新型的富氧燃烧发电厂，该发电厂与液氧储存、冷能回收系统相结合，以适应调峰要求。液氧储存系统利用廉价的谷电生产液氧供高峰期使用，增强调峰能力。同时引入冷能回收系统，回收液氧相变过程中的物理潜热，提高高峰期发电量。330 MWe富氧电厂作为参考（案例1）、同一电厂仅配备液氧储存系统（案例2）以及同一电厂同时配备液氧储存和冷能回收系统（案例3），构建了3种不同的富氧燃烧系统，并对各个系统的技术经济性进行了分析和比较，热力学性能分析表明，案例3的调峰容量可达106.03~294.22 MWe，最大调峰系数高达2.77。案例2和案例3在高峰期的总㶲效率分别达到32.18%和33.57%，明显高于案例1的26.70%。经济分析表明，通过出售液态O2和液态CO2，结合碳交易，三种案例的平准化度电成本（LCOE）都得到了大幅降低，案例3中最低为30.9 0美元/MWh。综合考虑，案例3可视为未来热力性能和经济性能最佳的富氧电厂参考。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1737-1749. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1784-0由于空气分离系统（ASU）和二氧化碳压缩纯化系统（CPU）的存在，循环流化床（CFB）富氧燃烧技术的净发电效率降低。高氧气浓度是提高CFB富氧燃烧技术净发电效率的一种有效手段。在本研究中，基于Aspen Plus平台进行了一系列计算和模拟，为进一步研究高氧气浓度（40%、50%）CFB富氧燃烧系统提供了有用的信息。建立的高氧气浓度CFB富氧燃烧系统模型包括ASU、CPU和CFB富氧燃烧和换热单元，通过对模拟结果进行能效分析和㶲分析获得了以下结论。50%氧气浓度CFB富氧燃烧锅炉炉膛和尾部烟道的横截面积分别为原尺寸的43%和56%，有效降低了建设和投资成本；随着氧气浓度的增加，净发电效率显著提高，在50%氧气浓度时达到了24.85%，提高6.09%；总㶲损失随氧气浓度的增加而增加，此外，辐射传热的㶲损失远高于对流传热。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1750-1757. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1850-7加压富氧燃烧（POFC）是一种具有巨大潜力的清洁高效燃烧技术。由于烟气的循环利用，烟气中的蒸汽浓度高于常规燃烧，这就丰富了烟气中的自由基池，从而影响了气态污染物的排放。因此，进一步研究高浓度蒸汽对POFC中氮氧化物排放机制的影响是必要的。在这项工作中，利用固定床反应器进行了挥发分的燃烧实验，并结合化学动力学模型研究了800℃/900℃温度下O2/CO2气氛中不同压力和蒸汽浓度的NO释放特性。研究结果表明，挥发分氮来自于煤中部分吡咯、吡啶和全部季氮的热解。温度的提高促进了燃烧过程中NO的形成。更高的压力影响了NO形成的主要反应途径，促进了HCCO和C2O基团对NO的消耗，同时增强了整个NO的还原。水蒸汽促进了NCO对NO的消耗。此外，蒸汽增加了反应过程中H/OH基团的数量，这对NO的形成和消耗都有影响。然而，从整体效果来看，水蒸汽仍然抑制了NO的排放。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1758-1770. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1866-z新能源电的大规模并网对火电的调峰能力提出了更高的要求。循环流化床依靠自身负荷调节范围宽、污染物控制成本低等优势成为了良好的调峰电源。但是，由于其独特的燃烧方式而产生的大延迟和惯性给快速变负荷带来了很大的困难。为了进一步了解影响循环流化床变负荷的因素，探索提高循环流化床变负荷速率的方法。本文依托0.1 MWth循环流化床试验台开展燃烧侧变负荷试验，初次揭示了床料量以及燃料粒径对循环流化床燃烧侧变负荷的影响规律。研究结果表明，床料量的增加有利于提高循环流化床燃烧侧的升负荷速率和燃烧效率，但是对NOx排放的影响规律不明显。静止料层高度从200 mm提高到400 mm时，CFB燃烧侧负荷从50%升至75%的变负荷速率从0.78%/min升至1.14%/min，75%负荷下的飞灰含碳量从26.6%降低到24.9%。另外，燃料粒径的减小对提高循环流化床燃烧侧的升负荷速率和降低NOx的排放起到积极作用，但对降低飞灰含碳量产生了负面影响。当燃料粒径从0-1 mm减小至0-0.12 mm时，CFB燃烧侧负荷从50%升至75%的变负荷速率从0.78%/min升至1.09%/min，75%负荷下的NOx从349.5 mg/m3降低到194.1 mg/m3，飞灰含碳量从26.6%升高到31.8%。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1771-1783. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1888-6随着新能源的大规模装机，新能源消纳问题愈发严峻，电力系统对调峰及高灵活调节能力资源的需求显著增加。我国的资源禀赋决定了采用燃煤机组调峰及灵活发电在经济性、可靠性和国家能源安全方面具有天然优势。循环流化床机组是燃煤机组的重要组成部分，其本身具有很好的负荷适应性，具有很好的调峰特性，然而由于其炉内有大量的耐磨耐火材料、床料、循环物料、工质以及受热面金属等，锅炉运行过程中积蓄大量热量，形成了循环流化床锅炉的热惯性，成为其变负荷速率提高的主要瓶颈之一，因此，要进一步提高循环流化床机组的负荷响应速率，首先应对其热惯性特性开展系统研究。本文提出采用单位发电功率变化对应的锅炉蓄热量变化量来表征锅炉的热惯性。通过现场采集330 MW 循环流化床锅炉的运行数据，对热惯性进行分析，从而揭示炉内各蓄热体对锅炉总热惯性的影响规律以及在机组不同负荷区间变负荷过程中热惯性的变化规律。此外，还提出了使用高导热防磨材料和金属格栅来替代循环流化床锅炉中传统耐磨耐火材料的优化方案，并对耐磨耐火材料替换后的锅炉热力性能、热惯性及动态特性进行了分析。研究结果表明，炉膛水冷壁和分离回料系统是循环流化床锅炉内热惯性最大的部件，它们的热惯性约占锅炉总热惯性的80%；在不同负荷区间，耐磨耐火材料占总热惯性的比例均超过50%，工质热惯性占比约为25%；循环流化床锅炉在低负荷区间具有更大的热惯性，30%-50%负荷区间的热惯性是75%-100%负荷区间热惯性的约1.6倍。使用金属格栅和高导热材料替代耐磨耐火材料可以有效降低锅炉的热惯性，提高锅炉的变负荷速率和运行稳定性。不同负荷区间负荷变化时，锅炉整体热惯性降幅均约为30%-35%。这种热惯性的减小有助于提高锅炉的变负荷响应速率，满足消纳新能源对火电机组提出的灵活运行需求。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1784-1796. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1865-0鉴于流化床反应器对CaO/CaCO3储热的适用性，有必要对CaO在流态化下的放热性能进行研究。本文研究了煅烧石灰石（CaO）的流态化放热特性，分析了放热初温、CO2浓度、颗粒粒径、表观气速和循环储热次数对CaO放热性能的影响。结果表明，反应初温越高，CaO放热温度越高，其在循环过程中的放热稳定性越好。适宜的放热初温介于600℃-650℃, 在该温度范围内，CaO的实际转化率与理论转化率仅相差2%。高浓度CO2提高了CaO放热温度和速率，但是高浓度CO2易加剧CaO烧结，不利于储热循环中的放热稳定性。较高表观气速和较小颗粒粒径增强了体系散热，从而缩短了放热时间，但对CaO放热性能影响较小。比较了CaO在流态化和固定床条件下的放热性能，发现流化状态下CaO的放热温度和放热速率均比固定床状态下更高。该研究为优化流化床反应器中CaO放热性能提供理论依据，有利于推动CaO/CaCO3热化学储能技术的发展。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1797-1806. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1799-6超临界循环流化床（circulating fluidized bed, CFB）机组是否有必要配备紧急补给水系统在业内仍存在争议。为推动统一认识的形成，有必要在紧急补给水系统不投入使用的前提下，对全厂失电事故发生后超临界CFB锅炉各受热面的安全性开展相应的研究。但由于该事故发生率较低，目前仍未有相关数据报道。为给后续研究提供有力数据支持，本文介绍了一起发生在350 MW超临界循环流化床锅炉上的主给水泵故障事故，基于对事故发生后锅炉炉侧和水侧的物理过程的分析，总结和归纳了这一事故与全厂失电事故的异同。研究发现，在处理得当的情况下，主给水泵故障事故中采集的数据可用于验证全厂失电事故的预测模型。最后，本文建立了全厂失电事故的初步预测模型，为下但由于该事故发生率较低，目前仍未有相关数据报道。为给后续研究提供有力数据支持，本文介绍了一起发生在350 MW超临界循环流化床锅炉上的主给水泵故障事故，基于对事故发生后锅炉炉侧和水侧的物理过程的分析，总结和归纳了这一事故与全厂失电事故的异同。研究发现，在处理得当的情况下，主给水泵故障事故中采集的数据可用于验证全厂失电事故的预测模型。最后，本文建立了全厂失电事故的初步预测模型，为下一步工作的开展打下了良好基础。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1807-1818. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1852-5本文通过ANSYS FLUENT建立了一个三维数值模型来研究周向不均匀加热垂直管内超临界水的传热特性，采用SST k-ω模型描述管内超临界水的湍流运动。根据某660 MW超超临界锅炉的运行工况选定了模拟的边界条件，分析了不同锅炉负荷、流动方向和热负荷对传热性能的影响。计算结果表明：内壁温度和内壁热负荷在周向呈对称分布，横截面上的整体传热性能高于加热中心点处的局部传热性能； 流动方向对传热性能有很大的影响，流动方向会改变工质的轴向速度分布，进而影响湍流动能分布，垂直上升流动条件下超临界水的传热性能更高；减小热负荷可以提高横截面上局部和整体的传热性能；减小热负荷在周向上的面积不利于截面整体换热性能，但是不影响加热中心点处的局部换热性能。最后，根据模拟结果，拟合了非均匀热流条件下的传热关联式。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1819-1831. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1868-x本文建立了660 MW超超临界循环流化床锅炉在线跟踪仿真系统，并对锅炉冷态启动过程进行了跟踪仿真试验。该系统包括两部分：USCFB锅炉模型和基于滑模控制算法的跟踪机构。USCFB锅炉模型包括水蒸汽系统、空气-烟气系统、材料供应系统和灰循环系统。在线跟踪仿真系统接收与工厂相同的控制信号，并在数字空间中同步运行。跟踪机制更新模型参数以消除模拟值和测量值之间的偏差。基于SMC的多输入多输出算法基于状态空间模型，提供了两个明显的优势。首先，它能够更有效地消除偏差；其次，它对与仿真模型行为相关的不确定性表现出鲁棒性。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1832-1848. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1879-7基于循环流化床锅炉的全三维（3-D）和二维（2-D）综合CFD燃烧模型，提出了一种考虑炉侧壁开口修正的简化三维计算域。它旨在弥补全三维模型中计算量大的不足，并改进简化二维模型中侧壁开口处的空气和烟气处理。采用全尺寸三维模型、简化三维模型和二维模型三个不同的计算域，对超超临界循环流化床锅炉进行了CFD对比分析，包括气固流动、二次风穿透深度、温度和烟气组分分布。与二维模型相比，简化三维模型计算的仿真结果与全尺寸三维仿真结果更为贴合。在大型循环流化床锅炉的数值模拟中，建议将简化的三维模型作为传统二维模型的替代计算域。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1849-1857. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1805-z循环流化床锅炉可以大批量地处理和利用煤泥，但煤泥燃烧产生的NOX和SO2对大气造成了严重污染。高温后燃技术是一种新型的能够在燃烧过程中降低NOX排放的方法，将该方法应用于燃烧纯煤泥的75 t/h循环流化床锅炉，已经达到了NOx超低排放标准。为进一步探索在新工艺下降低SO2排放的合适方法，在75 t/h循环流化床锅炉上进行了试验，主要研究了添加石灰石对煤泥燃烧和排放特性的影响。实验结果表明：高温后燃技术结合炉内喷钙技术是一种很有前景的能够实现NOX和SO2协同控制的技术；添加石灰石可使炉膛内燃烧温度略微降低；石灰石的添加会导致煤泥燃烧过程中NOX排放量的增加；在75 t/h煤泥循环流化床锅炉中，炉内喷石灰石粉脱硫效率接近98%，直接实现SO2超低排放。为了达到超低NOX和SO2排放标准，有两种方案是经济可行的:一是超低NOX排放下，尽可能脱除SO2，二是超低SO2排放下，尽力脱除NOX。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1858-1867. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1856-1循环流化床后燃技术能在燃料燃烧过程中大幅降低NOX排放，并且在燃烧神木煤时成功地实现了超低NOX排放。为开发后燃技术下NOX和SO2协同脱除潜力，在带有后燃室的0.1 MWth循环流化床小试试验台上进行了试验，本文主要关注了后燃下空气分配比，温度和添加石灰石对NOX和SO2排放的影响。试验结果表明，与常规循环流化床燃烧相比，后燃技术能够大幅降低NOX排放，但导致SO2略微升高。后燃下较高的SO2排放也是低NOX排放的一个原因。随着λCFB减少，NOX排放先减少后增加，SO2排放变化趋势与之相反。后燃下λCFB为0.9时，NOX排放最低，而SO2排放最高。与常规循环流化床燃烧相比，后燃下提高燃烧温度和添加石灰石对NOX排放的不利影响较小。炉内喷钙脱硫技术在后燃技术下是可行的，其脱硫效率与常规循环流化床燃烧下脱硫效率相当。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1868-1877. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1893-9The co-combustion of biomass and coal can positively impact the environment and reduce the cost of power generation. However, biomass fuels have many limitations. Circulating fluidized bed (CFB) preheating combustion is suitable for co-combusting coal and biomass because of better fuel adaptability. In the cement industry, fuel combustion and raw meal decomposition in precalciners affect cement quality and cause pollutant emissions. The preheating combustion method used in precalciners can improve combustion performance and reduce NOx emissions. This study investigated the preheating characteristics of a coal-biomass mixed fuel in a cement precalciner. The effects of load, biomass type, and biomass proportion on the preheated fuel and the conditions of the CFB were investigated. The results indicated that a lower load reduces the combustible components in gaseous and solid preheated fuels. However, due to the gas volume remains constant under different loads, a lower load also increases temperature and intensifies the reaction. The carbon chain and microscopic structural activities of preheated fuels are considerably enhanced, facilitating their combustion in precalciners and reducing nitrogen oxides in rotary kilns. Furthermore, adding biomass can improve the reactivity of a fuel subjected to preheating. Thus, biomass fuels (e.g., rice husks) exhibit high combustion efficiency, and thus high energy utilization. The present study achieved better pore structure and molecular activity using preheated fuel from a CFB preheater. In addition, the improvement of pore structure and molecular activity increases with the proportion of the biomass.
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热科学学报. 2023, 32(5): 1878-1888. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1874-z现代煤化工产业是煤炭清洁利用的重要途径。在我国，煤化工产业规模每年以25%-30%的复合增长率快速增长，其促进了能源生产和消费升级并维护了国民经济健康发展。煤气化作为煤化工产业链的龙头技术，是煤化工发展的关键过程之一。煤气化细渣是煤经过气流床气化的副产物，其中的残碳虽然具有潜在的利用价值，但是其挥发分含量低，且灰分会包裹残碳，对残碳的进一步利用造成挑战。此外，残碳的存在也会阻碍灰分的进一步资源化利用，所以，完成煤气化灰渣的炭灰分离是实现其资源化利用的第一步。中国科学院工程热物理研究所提出采用流化熔融技术来实现煤气化细渣的炭灰分离，先对煤气化细渣进行流态化改性以改善残碳的燃烧性能，然后再将改性产物燃烧脱碳，燃烧释放的热量将灰分熔融转变为液态的熔体，熔体先以液态的形式排出炉膛外在对其水淬冷却从而获得高玻璃相含量的熔渣。在流化熔融工艺处置煤气化细渣过程中，煤气化细渣的熔融特性直接关系到系统运行温度的选择，熔融之后熔体冷却过程中黏度随温度的变化则关系到系统能否顺利液态排渣。因此，了解煤气化细渣的熔融特性和黏温特性是实现煤气化细渣流化熔融的基础。此外，明确熔渣的基本特性，根据其特性制备合适的高值化利用，才能实现煤气化细渣的资源利用最大化。本文选取了三种典型的煤气化细渣，通过热机械分析仪(TMA)、高温旋转粘度仪和FactSage对煤气化细渣的流动特性，包括熔融特性和黏温特性进行了研究。然后在水平管式炉上将煤气化细渣熔融以获取熔渣，利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测手段及数据拟合分析手段，研究了熔渣中的硅铝酸盐网络结构和熔渣的网络聚合度。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1889-1898. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1777-z为了指导气化剂分级在循环流化床气化炉上的应用，本文开展了冷态试验以研究气体分级对循环流化床运行系统运行特性的影响。试验结果表明：二次风射流对壁面下降流颗粒的再夹带现象减缓了颗粒返混回到密相区，同时增加了总夹带量。因此，空气分级提高了固含率轴向分布的均匀性。随着二次风比的增加，立管内颗粒减少，使得提升管密相区和稀相区的颗粒浓度均会有所增加。空气分级导致气体的湍动和入口颗粒浓度增加，使旋风分离器的压力损失明显增加。上述现象最终将导致系统失效，具体表现为立管窜气。这是因为在该情况下系统的质量分布和压力平衡不匹配。试验结果可指导循环流化床系统关键部件的匹配设计以促进气化剂分级的实施。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1899-1911. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1820-0迫切需要探索更多途径实现低活性无烟煤的大规模高值化利用。凭借较好的燃料适应性，循环流化床（CFB）气化技术在高质量利用无烟煤方面表现出一定潜力。本文基于中试规模的CFB气化炉，以产自中国山西的无烟煤为原料，开展了气化试验研究。试验表明，在1049℃操作温度和60.75%氧气浓度下，无烟煤CFB气化过程可以产生可燃物浓度为66%、低位热值为7.93 MJ/m3 的煤气。但是，由于大量气化飞灰（GFA）逃逸（逃逸率高达22%），该气化过程的整体气化效率并不理想：冷煤气效率低于48%，碳转化率仅为62%。进一步分析发现，该气化过程产生的GFA具有发达的孔结构，比表面积（SBET）达到277 m2/g，表明GFA具有用作活性炭（AC）或者AC前驱体的潜力。在此基础，对GFA开展了水蒸气活化实验。结果表明，升高活化温度可以加速活化进度，且不影响GFA的活化潜能。活化后的GFA的SBET最高提升63%，达到452 m2/g。并且，随着活化进行，GFA的孔结构呈现出发展、动态平衡和坍塌三个阶段的演化规律，根据碳损失率可以对其进行划分和量化。为实现GFA最佳活化效果，在活化过程中碳损失率应控制在约15%。本研究为无烟煤的高质量化利用提供了一种新方案。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1912-1934. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1848-1煤作为我国主要的一次能源，已被证明能够通过预处理来改善其物理和化学特性。本研究在一种台式试验台上，研究了改变预热温度（Tp）和一次空气当量比（λp）等操作条件对三种典型煤粉预热特性的影响。测量了沿立管轴和自预热燃烧器出口的高温煤气，还分别收集了预热过程中产生的煤焦油和煤焦油并对其进行了分析。结果表明，随着挥发物的显著释放和化学反应的发生，颗粒表面出现裂纹和微孔，使表面的孔隙结构更加发达，而Tp对煤颗粒结构的影响最为显著。此外，当三种典型煤的预热特性达到最佳时，相应的条件也存在明显差异。预热对无烟煤改性程度的影响最大。对于煤焦油，Tp和λp的增加进一步促进了其二次裂化和氧化，导致产量下降。在本研究中，对于烟煤和褐煤，在预热过程中产生了大量的煤焦油，其最高产量分别可达5.74%和6.15%。而对于无烟煤，由于其自身的煤炭性质，其产量极低，均低于1.02%。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1935-1944. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1849-0甲烷干重整(DRM)工艺由于能够将CH4和CO2直接转化为高附加值合成气，近年来备受关注。开发具有高活性和稳定性的催化剂是DRM的关键。本研究采用溶胶-凝胶法、共沉淀法和水热法制备分别制备了LaNiO3，研究制备方法对催化剂结构和DRM反应性能的影响。此外，还研究了所制备的LaNiO3催化剂在蒸汽、CO2和空气环境下的再生性能。结果表明，溶胶-凝胶法制备的LaNiO3在750℃温度下具有最佳的DRM性能。在750℃时，由于制备过程中Na+离子的残留，水热法制备的样品的DRM性能受到抑制。再生试验表明，三种气氛均不能恢复样品中的LaNiO3钙钛矿相，但可以消除DRM反应过程中样品中的碳沉积，因此样品在不同循环阶段均能保持稳定的DRM性能。
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热科学学报. 2023, 32(5): 1945-1954. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1872-1氢能具有转化效率高、污染排放低的特点，利用化学链技术可以实现低能耗制氢和二氧化碳同步捕集，化学链制氢系统通常包括空气反应器、水蒸气反应器和燃料反应器三个部分，本文将关注化学链制氢系统中各反应器的运行特性，通过数值模拟手段获得系统中的固相流动规律，计算结果表明L阀对系统的固体循环量影响最大，加大L阀中松动风流速可以提升颗粒流量，L阀可以有效阻断反应器间的气体泄漏。燃料反应器具有最大颗粒储存能力，增加水蒸气反应器流化气速会降低水蒸气反应器中床料量，这些颗粒最终会贮存到燃料反应器中。通过对燃料反应器和L阀的联动调控，能够实现化学链制氢系统的稳定运行和床料控制。
