Fe2O3/粉煤灰载氧体化学链燃烧实验与机理研究

提出了一种以粉煤灰为载体制备的新型铁基载氧体。采用同步热重分析仪、小型流化床以及DFT分别研究了新型载氧体的活性与热稳定性,发泡剂含量与反应温度以及粉煤灰主要组分之间的协同作用对新型载氧体性能的影响。研究结果表明,新型载氧体在以CO为燃料的化学链系统中具有较高的活性;新型载氧体较大的孔隙率以及粉煤灰多组分间的协同作用促使850℃下发泡剂含量为10.0%(质量)的新型铁基载氧体的最大转化率(84.9%)比Fe₂O₃/Al₂O₃的最大转化率(54.3%)高30%,且新型铁基载氧体在30个循环测试中表现出良好的热稳定性。载体制备采用的发泡剂含量以及反应温度对新型铁基载氧体性能影响很大,适当的发泡剂含量(约10%(质量))可提高新型载氧体性能。此外,高温下会造成载氧体的烧结现象。最后,采用密度泛函理论(DFT)研究了粉煤灰与载氧体之间的界面作用以及协同氧化CO的电子特性。计算结果表明,粉煤灰和Fe₂O₃之间的界面电荷转移使Fe₂O₃为电正性,促使CO在表面的相互作用,载体和活性组分之间的协同作用降低了载氧体与CO前线轨道能量差,进而促进了CO与Fe₂O₃的反应。     

基于甲烷脉冲法的Fe2O3-Al2O3载氧体还原特性研究

开发高效廉价铁基载氧体是天然气化学链重整制氢技术走向应用的关键。为探究高效铁基载氧体设计的基本依据,利用自行设计的脉冲反应器和气体产物全量同步在线分析系统,在800℃和无内外扩散影响的条件下研究了不同Fe₂O₃质量分数的Fe₂O₃-Al₂O₃载氧体的甲烷脉冲法还原特性。结果表明：Fe₂O₃的还原反应依两段机理进行,随载氧体颗粒内Fe₂O₃含量的多少可停止于Fe₃O₄,也可完全进行至FeO;气相产物中CO₂与CO的摩尔比随CH₄脉冲次数的变化规律也与Fe₂O₃含量密切相关。对用α-Al₂O₃粉末稀释高Fe₂O₃质量分数载氧体粉末的方法制备的低Fe_...     

Co-Fe2O3[104]铁基载氧体优化体系作用下褐煤化学链燃烧特性

前期研究发现高弥勒指数晶面载氧体Fe₂O₃[104]具有高的化学链燃烧反应特性,且Co对煤及其热解中间产物具有催化气化和催化转化作用。通过正交实验优化制备Co-Fe₂O₃[104]/Al₂O₃载氧体体系结构,开展Co-Fe₂O₃[104]/Al₂O₃与褐煤的化学链燃烧,揭示载氧体与褐煤发生化学链燃烧的特性。结果表明:形貌控制制备的高弥勒指数晶面铁基载氧体Co-Fe₂O₃[104]/Al₂O₃(质量分数10%)促进了褐煤化学链燃烧过程中氧的迁移速率以及载氧体的还原程度,进而显著提高了载氧体与褐煤化学链燃烧的反应速率及反应效率。进一步通过CO多循环化学链燃烧反应、XRD和TEM表征了Co-Fe₂O₃[104]/Al₂O₃(10%)的可再生性及反应稳定性。     

铁基复合载氧体煤化学链气化反应特性及机理

以水蒸气作为气化/流化介质,在流化床中研究了两种铁基复合载氧体的化学链气化反应特性及循环特性,并对气化过程中的反应机理、动力学方程进行了推断。结果表明:温度为920℃时,添加不同修饰物的铁基复合载氧体与煤焦气化的反应活性依次为Fe4Al6K1>Fe4Al6>Fe4Al6Ni1。在多次循环实验过程中,合成气成分保持稳定,表明Fe4Al6K1复合载氧体循环特性良好。XRD谱图分析表明,六次氧化还原实验后的铁基载氧体氧化态仍为Fe₂O₃。K⁺主要以铁酸钾形态存在,该结构有利于促进化学链气化反应。利用高斯函数对气化反应速率进行了峰拟合,拟合结果表明化学链气化主要分为3个阶段:化学链作用阶段、煤气化阶段以及Fe₃O₄向FeO转变的气化阶段。     

以CeO2为载体的Fe基载氧体与CO反应机理模拟

化学链燃烧技术是一种新型的近“零碳”排放燃烧技术,载氧体在化学链燃烧反应过程中发挥着载氧和传热的双重作用。以活性催化组分为载体,通过调谐微观结构提高Fe基载氧体的反应性能是目前化学链领域的研究热点之一。基于密度泛函理论,以CeO₂为活性催化载体,对Fe基载氧体进行催化调谐。通过优化构建组合物模型,系统分析了组合物模型中Fe₂O₃团簇不同点位吸附CO的态密度、吸附能、差分电荷密度和活化能等电子结构特性参数。研究结果表明,Fe₂O₃团簇的电子向CeO₂(111)表面转移,Fe₂O₃团簇的吸附能为-3.92 eV,Fe₂O₃团簇与CeO₂(111)表面稳定结合;态密度(DOS)分析发现负载后的Fe₂O₃团簇p和d轨道在-8～0 eV电子向费米能级方向迁移,表明吸附作用增强。Fe₂O     

化学链燃烧过程Fe2O3/Al2O3载氧体表面CH4反应：ReaxFF-MD模拟

借助ReaxFF-MD方法,对化学链燃烧过程Al₂O₃负载Fe₂O₃载氧体（Fe₂O₃/Al₂O₃）表面CH₄反应过程模拟,探究Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃-CH₄体系燃烧过程的调控机制。研究发现添加Al₂O₃惰性载体改变了化学链燃烧过程中Fe₂O₃载氧体反应性和Fe₂O₃/Al₂O₃-CH₄反应体系的热力学和动力学行为。主要是促进了Fe₂O₃载氧体表面CH₄氧化,并对CH₄反应过程、中间体、产物及其反应速率和放热量等均具有显著促进和调控作用。原因在于Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃活性相中晶格氧的活化作用促进了晶格氧的迁移-扩散-释放。添加惰性载体增强了Fe₂O₃载氧体在化学链燃烧过程晶格氧释放速率和释放量,有利于CH₄氧化燃烧向合成气的高效、清洁转化,强化了化学链燃烧过程,满足当前能源高效转化和碳减排目标。     

化学链燃烧过程Fe2O3/Al2O3载氧体表面CH4反应：ReaxFF-MD模拟

借助ReaxFF-MD方法,对化学链燃烧过程Al₂O₃负载Fe₂O₃载氧体（Fe₂O₃/Al₂O₃）表面CH₄反应过程模拟,探究Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃-CH₄体系燃烧过程的调控机制。研究发现添加Al₂O₃惰性载体改变了化学链燃烧过程中Fe₂O₃载氧体反应性和Fe₂O₃/Al₂O₃-CH₄反应体系的热力学和动力学行为。主要是促进了Fe₂O₃载氧体表面CH₄氧化,并对CH₄反应过程、中间体、产物及其反应速率和放热量等均具有显著促进和调控作用。原因在于Al₂O₃惰性载体对Fe₂O₃活性相中晶格氧的活化作用促进了晶格氧的迁移-扩散-释放。添加惰性载体增强了Fe₂O₃载氧体在化学链燃烧过程晶格氧释放速率和释放量,有利于CH₄氧化燃烧向合成气的高效、清洁转化,强化了化学链燃烧过程,满足当前能源高效转化和碳减排目标。     

化学链过程中Cu低浓度掺杂改性Fe-基载氧体反应性能：实验与理论模拟

基于热重实验（TGA）和密度泛函理论（DFT）计算，对Cu低浓度掺杂Fe₂O₃载氧体（Cu-Fe₂O₃）与H₂在化学链燃烧过程中反应活性和微观分子反应机理进行研究。TGA结果显示，Cu低浓度掺杂降低Fe₂O₃载氧体与H₂反应表观活化能E_a （从83.9 kJ/mol降低至72.3 kJ/mol），因此，低浓度Cu掺杂由于原子尺度Cu掺杂缺陷的引入的确提高了Fe₂O₃载氧体转化率和晶格氧释放速率。DFT计算从分子水平证实Cu低浓度掺杂改变了Fe₂O₃载氧体与H₂反应路径，路径分析表明，Cu掺杂使Fe₂O₃载氧体与H₂反应能垒从2.30 eV分别降低至1.81 eV（Fe原子top位反应）和1.68 eV（Cu原子top位反应），Cu掺杂的Fe-基载氧体的氢还原反应优先发生在掺杂的Cu原子位，其次为Fe原子位。此外，计算结果表明，因Cu-O和Cu-Fe键的引入，低浓度Cu掺杂改变了Fe₂O₃载氧体微观结构，这对于载氧体的晶格氧快速释放是有利的。     

基于铁基载氧体的无烟煤化学链燃烧过程中硫分布特性

在间歇式固定床反应器上,基于Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体,研究了还原阶段反应温度和Fe₂O₃负载量对无烟煤化学链燃烧产物及S元素分布的影响。研究结果表明,含碳气体释放量随反应温度升高而增加,随Fe₂O₃负载量先增加后减少。产物中CO₂比例随反应温度升高先增加后减少,在850℃时达到最高（37.6%）。在实验条件下,未检测到SO₂生成。反应2 h时,载氧体中S元素的富集程度随温度和Fe₂O₃负载量升高而增加;5.5 h时,载氧体中S元素分布比例随温度升高而显著降低。利用SEM分析了载氧体表面微观形态结构。分析表明,Fe₂O₃负载量大于40%会导致载氧体轻微烧结。     

钠修饰铁矿石载氧体的串行流化床煤化学链燃烧试验

利用1 kW_th串行流化床反应器对钠修饰铁矿石载氧体进行试验研究,考察燃料反应器温度对煤化学链催化燃烧特性的影响。结果表明,钠在820～920℃温度下显著促进了煤气化反应的进行,随着燃料反应器温度的提高,使用Na-铁矿石时燃料反应器出口CO₂浓度明显增大,CO浓度明显降低,在920℃时CO₂捕集效率和碳捕集效率分别达到78.60%和80.54%,而使用纯铁矿石时CO₂捕集效率和碳捕集效率仅为40.27%和45.65%。在高温950℃时Na-铁矿石活性下降,出现烧结和团聚现象,燃料反应器出现滞流态化现象,这可能是钠的化合物熔点较低和载氧体过度还原所导致的。XRD和SEM分析结果显示钠修饰铁矿石促使更多的Fe₂O₃被还原为Fe₃O₄。     

预处理稻壳及其与杨树锯末掺混燃烧特性和燃烧动力学分析

采用热重技术对稻壳（DK）和杨树锯末（JM）燃烧进行分析，考察了不同预处理方式对稻壳燃烧特性的影响，并研究了不同升温速率及稻壳和杨树锯末掺混质量比对掺混燃烧特性及燃烧动力学的影响。结果表明：水洗及酸洗可使稻壳燃烧TG-DTG热重曲线向高温区移动，最大失重速率及对应失重温度升高。水洗使稻壳综合燃烧特性指数提高2.5×10^-7~5.9×10^-7%/（min²·℃³），而酸洗使稻壳综合燃烧特性指数下降11×10^-7~11.9×10^-7%/（min²·℃³）。不同预处理后稻壳在挥发分析出燃烧阶段的活化能高于未处理稻壳，酸洗后稻壳焦炭燃烧阶段活化能降低16.94 kJ/mol，而水洗使稻壳焦炭燃烧阶段活化能升高。提高稻壳添加比例，混合燃料着火温度和燃尽温度降低。随着升温速率的提高，混合样品综合燃烧特性指数和残余率升高。70%稻壳和30%杨树锯末混合燃料在升温速率40℃/min下燃烧产生协同效应。     

无烟煤化学链燃烧过程燃料氮转化释放特性

基于赤铁矿石载氧体,在小型单流化床反应器上,开展煤挥发分和焦炭的化学链燃烧研究,探讨挥发分氮和焦氮在化学链燃烧过程中的转化特性。研究表明:燃料氮释放的中间产物HCN和NH₃与铁矿石载氧体具有较高的化学反应亲和性,易于被载氧体氧化生成N₂和NO。淮北无烟煤挥发分氮转化过程中,NO是唯一的氮氧化物,反应器出口中间产物NH₃的释放份额略高于HCN。在煤焦化学链燃烧还原过程中,部分燃料氮释放的中间产物HCN和NH₃被铁矿石氧化导致少量NO的生成,还原过程中无N₂O的释放;较高的还原反应温度加速了NO的生成。减少进入载氧体氧化再生过程的焦炭量可减少空气反应器NO和N₂O的生成。     

煤焦加压化学链气化反应特性和机理

采用机械混合法制备的Fe₂O₃/膨润土为载氧体,在加压固定床中进行煤焦化学链气化试验和动力学研究,借助拉曼和N₂吸附等温线表征手段,分析压力对煤焦反应活性及煤焦碳结构和孔结构的影响,讨论煤焦加压化学链气化反应机理。结果表明：系统总压从0.46MPa增加至0.80MPa时,煤焦化学链气化反应速率从0.0159min^-1提高至0.0309min^-1;水蒸气分压增加75%,H₂/CO摩尔比值增加74%。煤焦加压化学链气化过程可以用随机孔模型（RPM）描述,系统总压增加有利于内部扩散。系统总压增大煤焦的比表面积增加,水蒸气分压增大煤焦的反应活性提高,因而提高了煤焦化学链气化反应速率。     

铁基载氧体对煤中汞释放行为的影响

采用Ontario-Hydro方法,在管式炉中考察了煤化学链燃烧/气化过程中Fe₄Al₆载氧体对煤中汞释放率、气态汞形态分布及汞在两反应器内释放行为的影响。结果表明,载氧体对煤中汞释放率具有显著的影响,在500~700℃,与无载氧体相比,化学链燃烧过程煤中汞释放率减少,化学链气化过程煤中汞释放率增大,而在900℃时,无论化学链燃烧过程还是化学链气化过程,煤中汞释放率均减小。Fe₄Al₆载氧体能够显著增加燃料反应器出口气态Hg²⁺的相对含量,其含量随温度的升高而逐渐升高。燃料反应器的温度也是影响煤中汞在两反应器中的分布以及空气反应器中不同价态汞百分含量的重要因素。此外,相同条件下不同煤种的汞释放率不同,主要与煤的组成不同有关。该研究对揭示载氧体对煤中汞迁移的影响机理以及煤化学链转化过程汞的控制提供了实验依据。     

Characteristics and mechanism of catalytic effect of inner minerals on combustion of oil shale coke

The micro fluidized bed reaction analyzer (MFBRA) was used to study the combustion characteristics of oil shale mineral catalytic semi-coke. This study compared the effect of minerals inside char and bed material (oil shale ash) outside char on char combustion, and the process and mechanism of char combustion in the fluidized bed were further revealed. Both of minerals inside char and bed material outside char had a marked catalysis for char combustion and their combined catalysis was most notable. It is found that the CaO and Fe₂O₃ were the major active components in oil shale minerals for catalytic combustion of char, and the catalysis of CaO was stronger than that of Fe₂O₃. The activation energy of char combustion ranged from 60.41 kJ/mol to 78.97 kJ/mol, and it would significantly decrease with presence of the catalysis by minerals in oil shale. For char combustion in a fluidized bed, the contribution of minerals to catalytic combustion was mainly reflected in four reactions, such as volatiles cracking and combustion, surface carbon combustion, internal carbon combustion and CO combustion.     

油页岩矿物质催化半焦燃烧特性及机理

利用微型流化床反应分析仪（MFBRA）研究了油页岩矿物质催化半焦燃烧特性，重点考察了半焦内部矿物质和外部页岩灰床料对半焦燃烧的催化作用，揭示了流化床反应器中半焦燃烧过程和机理。结果表明：内部矿物质和外部床料对半焦燃烧均具有明显催化作用，而两者共同催化效果最为显著。矿物质中CaO和Fe₂O₃对半焦燃烧具有催化活性，CaO催化作用强于Fe₂O₃。油页岩半焦燃烧反应活化能在60.41~78.97 kJ/mol之间，矿物质的催化作用会明显降低反应活化能。流化床反应器中，矿物质对半焦燃烧的催化作用主要表现在四个反应，即：挥发分裂解和燃烧、半焦表面炭燃烧、半焦内部炭燃烧以及一氧化碳燃烧。     

Fe2O3催化无烟煤燃烧燃点降低机理的实验研究

利用TG-DTG法和DTA法研究了无烟煤催化燃烧时燃点的变化情况,结果表明Fe2O3可使无烟煤的燃点降低。基于无烟煤燃点的形成原因和催化热解过程,研究了催化热解过程中热解转化率、热解气组成、半焦表面结构的变化情况,结果表明Fe2O3促进了无烟煤的热解,热解转化率、热解气的组成明显变化,热解气热值增加。催化热解产生的半焦表面形貌粗糙,颗粒细碎,比表面积大。由于热解过程直接影响到点燃过程,因此通过催化热解的研究,可知催化燃烧过程中均相燃烧（热解气燃烧）提供给异相燃烧（半焦燃烧）的热量高于非催化燃烧。同时催化热解所得半焦的吸附氧气能力强,在低温时吸附氧气的速率较快,缩短了达到点燃时所需氧气浓度的时间,进而降低了无烟煤的燃点。