基于钾盐修饰Fe基载氧体的化学链燃烧研究

采用典型的钾盐和惰性载体对Fe基载氧体进行修饰,在热重和小型流化床反应器上,采用CO/N2对其还原活性和化学链燃烧特性进行测试,考察了钾盐种类、反应温度对和惰性载体种类的影响。结果表明：钾盐修饰（KCl、K2SO4和K2CO3）能提高载氧体还原反应速率,并以K2CO3效果最好,最大还原反应速率提高约30%,载氧体完全还原时间由50 min缩短到25 min,主要归因于K2CO3修饰促进形成高活性的Fe-K-O化合物及发达的孔隙结构;对于K2CO3修饰Fe基载氧体,SiO2和高岭土载体易与K2CO3发生烧结,造成活性下降,TiO2与载氧体反应生成复杂的化合物,其氧化过程变慢,影响整个进程,而Al2O3载体展现了最好的反应活性,随着反应循环的增加其活性略有下降并趋于稳定,9个循环后CO2捕集效率高达98.0%     

Fe2O3为载氧体的煤/秸秆化学链燃烧循环特性研究

对煤、秸秆与Fe2O3以不同质量掺混比混合后化学链燃烧过程中载氧体还原/再生的多循环反应特性进行了研究,重点分析了固体燃料带入的灰分对化学链反应速率的影响以及秸秆的掺入对化学链反应的改善.结果表明：载氧体Fe2O3质量掺混比的增大有利于化学链反应的进行,燃烧起始反应温度降低;Fe2O3作为载氧体受灰分积累的影响较大,其可持续循环能力较差;煤中掺入秸秆改善了煤的化学链燃烧特性,提高了燃烧反应速率和载氧体的再生反应速率.     

化学链燃烧中基于密度泛函理论的铁基载氧体研究进展

化学链燃烧技术中,铁基载氧体由于成本低、环境良好、热稳定性高和机械性能优良等优点,被认为是最有前景的载氧体之一。但其反应活性相对较低,提高其反应活性成为了研究的重点。在阅读50余篇相关文章的基础上,对密度泛函理论用于铁基载氧体微观反应机理研究进行了3方面的综述:(1)铁基载氧体表面的电子结构特性及其与燃料分子(CO、H_2、CH_4和煤等)的氧化还原反应和形成积碳的机理;(2)Al_2O_3、MgO、TiO_2和ZrO_2等惰性载体以及Co和Pb等掺杂组分对Fe_2O_3反应性能的协同作用机理;(3)化学链燃烧过程中,S和Hg等杂质对铁基载氧体反应性能的影响。据此指出:密度泛函理论在煤和生物质等固体燃料化学链燃烧的研究中应用较少,以煤为主的固体燃料化学链燃烧中固-固反应机理以及灰分与Fe_2O_3的相互作用机制尚不清楚。此外,多组分铁基载氧体的分子结构设计及性能调控等方面有待进行深入研究。     

基于草木灰修饰Fe基载氧体的化学链燃烧实验

采用草木灰对Fe基载氧体进行修饰,并在流化床反应器上进行了气体燃料化学链燃烧实验。研究了草木灰修饰对提高Fe基载氧体还原活性的可行性,讨论了草木灰种类、草木灰的无机组分对载氧体活性的影响。结果表明,草木灰修饰能有效提高Fe载氧体的反应活性,载氧体的反应活性由草木灰中K和Si的含量共同决定。随着修饰草木灰中的K含量提高,载氧体的活性逐渐提高;但在Fe3O4/FeO的转化阶段中,同时存在碱金属K对还原反应的催化作用和低熔点碱金属硅酸盐对还原反应的抑制作用。循环实验表明,草木灰中碱金属K对载氧体活性的提高效果始终明显,载氧体中负载的K在循环过程中出现了流失现象,而生成的碱金属硅酸盐类化合物,可抑制碱金属K的流失。     

Ni基和Co基金属载氧体的持续循环能力研究

化学链燃烧技术是一种新颖的二氧化碳分离技术,其中金属载氧体持续循环反应能力的优劣直接关系到该技术的实际应用和推广。以Ni基和Co基金属载氧体为研究对象,用热重分析仪(TGA)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)等工具研究了二者的持续循环能力。结果表明,添加惰性载体后载氧体的反应速率和持续循环能力均有大幅的提升,且Ni基载氧体比Co基载氧体表现出更好的反应特性和持续循环能力。     

无烟燃烧技术CuO基氧载体的性能分析

循环热载体无烟燃烧技术不会向大气中排放有害气体,是一种清洁燃烧技术。研究了以CuO基氧载体的无烟燃烧反应体系,对燃烧过程反应的热力学参数进行了计算,并在一套热重反应装置上研究了氧载体在甲烷、空气气氛中的循环反应性能。实验表明控制一定的反应条件,CuO基氧载体可用于无烟煤燃烧技术,当氧化铜暴露在甲烷气氛中时,氧化铜失去部分晶格氧,当切换成空气时失去部分晶格氧的氧载体又可以恢复其晶格氧。当CuO基氧载体中添加SiO2黏合剂时,氧载体表现出良好的循环性能和抗破碎能力,完成循环反应的时间也有较大的减少。     

镍修饰的铁基载氧体甲烷化学链制氢实验

化学链制氢工艺作为一种新型能源转化技术,能在实现CO_2内分离的同时,生产高纯氢气.为了提高铁基载氧体与甲烷的反应活性,本文添加第二活性组分NiO对铁基载氧体进行修饰,使用机械混合法制备载氧体材料.经NiO修饰后,载氧体的主要物相为Fe_2O_3、Al_2O_3与NiFeAlO_4.CH_4-TPSR实验表明,载氧体的还原反应分为两步:第一步为游离态的Fe_2O_3被还原为Fe_3O_4;第二步为Fe_3O_4与NiFeAlO_4被还原为单质态Fe与(Fe,Ni)合金.在TGA反应器中研究各载氧体的反应活性,结果表明,添加NiO修饰后,生成了高反应活性的NiFeAlO_4,显著提高了铁基载氧体与甲烷的反应活性.NiO修饰量分别为0、2.5%、5%、10%,在V_(CH_4)∶V_(CO_2)=2∶1条件下,各铁基载氧体的平均表观固相转化速率依次为2.6%/min、5.4%/min、7.2%/min、8.2%/min.固定床化学链制氢实验中,添加10%NiO的载氧体反应活性最高,且产氢性能良好.若进一步提高NiO修饰量,将降低铁基载氧体的产氢潜能,不利于化学链制氢工艺.     

Cu-Mn复合载氧体释氧反应性及动力学研究

载氧体作为化学链转换技术的核心与关键,其性能决定了反应过程的经济性和稳定性。采用石墨成孔浸渍法制备了4种不同含量Cu修饰的Cu-Mn复合载氧体,对其进行了表征和抗磨损性能实验。在热重分析仪上研究了载氧体的释氧特性和循环反应特性,并采用Model-free method分析了载氧体的释氧动力学特性。结果表明,载氧体制备过程中活性组分CuO和Mn2O3并未与惰性载体MgO发生化学反应。Cu修饰对载氧体具有拓孔作用,可以显著提高载氧体比表面积和总释氧量,降低释氧所需温度,缩短释氧时间,降低释氧活化能。但随着Cu含量的增加,载氧体抗烧结性能和抗磨损性能逐渐降低,且随着循环次数增加,载氧体循环反应性能降低。     

煤基化学链燃烧技术的NiO/NiAl_2O_4氧载体研究

直接以煤为燃料的化学链燃烧技术首先需要解决的关键问题是高性能氧载体.通过溶胶-凝胶法制备了几种不同NiO含量、不同烧结温度和不同煅烧时间的NiO/NiAl2O4氧载体,并对其物化性质进行了表征.实验结果表明,超过850℃时NiO/NiAl2O4与神府煤焦的还原反应快速进行,而60%(质量分数)NiO含量、1 300 ℃烧结6 h的NiO/NiAl2O4氧载体具有更好的还原反应性;在与煤焦/空气的单循环还原/氧化反应中,NiO/NiAl2O4表现出良好的循环反应性.实验结果证明基于NiO/NiAl2O4氧载体、燃用固体燃料煤焦的化学链燃烧技术是可行的.     

甲烷化学链重整制备合成气技术中的钙钛矿型载氧体制备及动力学特性

采用燃烧法、微乳液法、共沉淀法和溶胶-凝胶法4种方法制备钙钛矿型氧化物La Fe O3作为载氧体用于甲烷化学链重整制备合成气过程,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、H2程序升温还原(H2-TPR)、比表面积分析(BET)等技术对载氧体进行表征,在固定床反应装置上考察4种方法制备的La Fe O3与甲烷的反应性能,寻求适用于甲烷化学链重整过程载氧体的最佳制备方法,然后通过H2-TPR的多速率升温过程探讨La Fe O3的还原动力学。结果表明,4种方法制备得到的载氧体均形成钙钛矿结构,溶胶-凝胶法和燃烧法制备的La Fe O3纯度和结晶度均更好,无杂相生成;从CH4转化率、n(H2)/n(CO)、CO和H2选择性等方面综合考虑,燃烧法制备得到的载氧体反应性能最好,用于甲烷化学链重整制备合成气的生成效果最好。H2-TPR的动力学计算表明,La Fe O3载氧体的低温吸附氧还原活化能为97.001 k J/mol,高温晶格氧还原活化能为30.388 k J/mol。