铁基载氧体的制备及其化学链反应研究

本文就有机废液燃烧驱动煤化学链气化中不同操作条件对反应产气的影响进行了研究。实验中所使用的载氧体为Fe_2O_3/Al_2O_3,由浸渍法和沉淀法两种方法制备,Fe_2O_3质量分数为60%。在不同过氧系数下的对照实验中,过氧系数为0.5的实验组气化产气品质最高,其H_2/CO为6.43。利用不同制备方法的载氧体进行相同过氧系数下的对照实验,实验结果表明沉淀法制备的载氧体显示出比浸渍法制备的载氧体更高的反应活性。将载氧体替换为Al_2O_3的空白对照组的结果说明了Fe_2O_3/Al_2O_3载氧体的使用起到了利用废液中有机物能量、提高碳转化率和提升产气品质的作用。实验中还利用比表面积测定、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对新制载氧体的形貌特征进行了分析。     

基于铁基载氧体的煤化学链气化还原过程中氮元素迁移行为

采用热重-质谱-红外联用技术（TG-MS-FTIR）,Ar气氛下对煤进行化学链气化实验,实时分析还原过程热解阶段和水蒸气气化反应阶段的过程中固体质量变化和生成气体成分。使用X射线光电子能谱对固相产物进行表面元素分析,探究化学链气化还原过程不同阶段固相产物中氮赋存形态的变化。研究结果表明：载氧体对化学链气化还原过程不同阶段含氮气体释放均有影响。热解阶段载氧体促进自由基的生成,加速了一次热解阶段含氮气体的释放,高温下,载氧体促使NH₃转化为HCN;气化阶段载氧体的加入使半焦的石墨化程度降低,含氮气体释放速率增加。对固相产物中氮的赋存形态而言,载氧体会抑制热解阶段吡咯型氮的分解与转化,高温下,半焦的石墨化和有序化程度降低的同时,镶嵌在煤大分子里面的质子化吡啶裸露出来,质子化吡啶含量降低,吡啶型氮和吡咯型氮的含量大大提升。     

铁镍载氧体在煤焦化学链气化中的改性研究

文中采用溶胶-凝胶法制备一系列铁镍载氧体,应用于煤焦化学链气化过程以制备合成气。利用H₂-TPR、XRD和SEM等表征手段考察载氧体的物理化学性质,并基于煤焦化学链气化反应固定床实验探究NiO质量分数、循环次数以及负载惰性载体等参数对铁镍载氧体反应性能的影响。实验结果表明：NiO的添加能够有效改善载氧体的反应活性,但当添加量高于质量分数20%时,气化性能显著下降;铁镍载氧体形成的NiFe₂O₄尖晶石结构是改善反应活性的关键,但在高温循环过程中该结构易发生晶相分离,导致载氧体反应活性下降以及团聚烧结现象的发生;惰性载体的加入能够有效抑制铁镍载氧体的烧结。     

基于铁基载氧体的污泥/生物质化学链气化及其灰分-水分影响特性研究进展

双碳目标背景下,我国积极推进高湿污泥/生物质资源化技术的发展和应用。化学链技术作为一种新兴的能源利用方法,在处理有机固废方面得到了广泛应用研究。概述了高湿污泥与农林废弃物常用处置技术及化学链气化技术研究现状,着重归纳了化学链气化过程中灰分与水分对气化特性影响的研究进展。载氧体作为化学链技术中关键的一环,其应用研究已取得丰硕成果,在众多载氧体中,铁基载氧体因其低成本与较高的载氧能力成为化学链气化最受关注的载氧体,但其反应活性较低,需掺杂Ni、Ca、K等元素进行改性。污泥和生物质的灰分及水分对于气化产物和气化效率有双向影响,甚至影响NO_x排放。污泥/生物质灰分中含有的K、Ca等氧化物有助于提高载氧体活性,但反应速率太高会造成载氧体局部烧结,继而降低载氧体活性;循环的灰分与气相充分接触,对气体重整具有一定催化作用,从而提高了合成气品质。尽管污泥/生物质中水分析出吸收大量热量,但部分水蒸气和载氧体协同促进碳气化反应从而提高了H₂生成率,提高富氢燃气品质;水蒸气作为气化剂过量供给时,CO₂产量明显增加,降低了合成气品质。因此,污泥...     

铁基载氧体的沼气化学链燃烧反应动力学研究

化学链技术能够实现碳基燃料燃烧所释放的CO₂的全捕获,可为我国早日实现“双碳”目标提供一种全新的视角。首先理论推导得到铁基载氧体CH₄还原反应的改进动力学模型;对Fe₂O₃与CH₄之间的反应系统进行了热力学计算,为后续反应操作温度的选择提供理论指导;在固定床反应器中通过改变混合气流速,研究外扩散对反应过程的影响,当气体流速达到180 mL·min^-1以后,表观反应速率不再增加,表明外扩散影响消除;在消除外扩散及灰尘扩散影响的前提下进行表面反应动力学测定,回归获得反应活化能E=147.574 kJ·mol^-1和指前因子k₀=6.399 5×10⁷s^-1,并建立了表面反应动力学方程式;在温度为680℃时,延长反应时间至1 h,反应不再进行,据此确定对应于该温度下的反应的固体产物,该固体产物以Fe₂O₃·n FeO形式虚拟表示,进而...     

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。     

基于铁基载氧体的污泥化学结构热解分子动力学模拟

市政污泥的低碳资源化利用,是“无废城市”建设、应对全球气候变化的重要保障。化学链燃烧/气化技术是通过载氧体在污泥燃料和空气之间的循环反应实现污泥热解继而燃烧和碳捕集。采用廉价易得的铁基载氧体开展市政污泥化学链燃烧研究,为探究市政污泥基于铁基载氧体的化学链燃烧初始阶段的热解机理,采用X射线光电子能谱、¹³C固体核磁等表征手段结合工业分析、元素分析,确定了典型市政污泥所含元素种类、化学价态以及成键方式,从而确定其分子团化学结构;以AlFeO₃的载氧体形式,构建了污泥独立热解和载氧体表面热解2种结构模型。通过反应力场分子动力学模拟(ReaxFF MD),主要针对升温速率和热解温度2个影响因素进行模拟。结果表明：不同升温速率下,污泥独立热解的产物主要为有机气体,升温速率过高不利于污泥分子团热解,选取16 K/ps较为合适;热解温度的升高和载氧体的存在均促进了污泥化学结构的热解,减少了焦油生成;无载氧体作用时,N元素在不同升温速率下,主要迁移至重质焦油中参与后续的燃烧反应;热解温度对含氮产物的生成影响不大。而载氧体的存在促使含氮活性基团的生成,进而产生...     

化学链燃烧中铁基载氧体研究进展

化学链燃烧是我国应对气候变化的重要技术之一。载氧体作为氧和热的载体,是实现化学链燃烧的关键因素。近年来,寻找廉价载氧体成为研究者们关注的问题。铁基载氧体由于具有价廉、资源丰富、环境友好、机械性能好等优点受到了广泛关注,但其反应活性相对较差,如何提高其反应活性是其大规模应用的关键。笔者详细论述了化学链燃烧中铁基载氧体活性改进的研究进展,针对如何提高铁基载氧体的反应性能,从铁基载氧体制备方法的优化、组分掺杂、结构调控等3方面进行了阐述。指出,对于载氧体制备方法,应综合载氧体反应性能、制备周期和成本等因素,对其进一步选择或改进。对于载氧体组分,惰性载体的添加、制备成复合载氧体以及碱金属掺杂均可在一定程度上提高载氧体的反应性能,但采用单一措施均存在一定的问题,如活性组分与惰性载体的相互反应、复合载氧体的烧结以及碱金属的流失等,因而需要进一步研究各种因素间的相互作用。对于不同结构的载氧体,虽具有良好的结构稳定性或热稳定性,但也存在各自的缺点,如钙钛矿结构储氧能力较低,氧释放能力较低;在长时间的循环过程中,尖晶石结构的载氧体产生晶相分离和颗粒烧结而失活的现象;为了保持壳核结构的载氧体在循环过程中的稳定性及反应活性,对壳材料需要进一步选择及优化。基于目前研究现状,笔者指出铁基载氧体反应性能的进一步提高需综合考虑各方面因素并深入探究各因素之间的相互作用。     

铁基凹凸棒载氧体制备及煤化学链燃烧性能研究

以Fe(NO3)3·9H2O、Fe2O3和Fe3O4为前驱体,凹凸棒(ATP)为惰性载体制备了系列Fe2O3/ATP载氧体。在流化床反应器内,以水蒸气作为气化-流化介质,900℃为还原温度,研究了载氧体与神木煤的反应活性及循环反应性能,同时考察了载氧体的抗磨损性能。实验结果表明:以Fe(NO3)3·9H2O为前驱体制备的Fe4ATP6(N)载氧体具有很高的反应活性和抗磨损能力。对其进行的10次还原/氧化循环实验表明:尾气中CO2平均含量先下降后升高,但都保持在95%以上,停留时间t95从14.8 min增加到16.1 min。SEM分析表明随着循环反应的进行载氧体表面小颗粒变成大颗粒,发生轻微烧结。     

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。     

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。     

化学链燃烧铁基载氧体还原反应积炭趋势

利用热重分析仪对采用机械混合法自行制备的铁基载体还原过程中的积炭现象进行了实验研究。根据实验获得的热重曲线对铁基载氧体的CH₄还原特性进行了分析,实验结果表明,CH₄与铁基载氧体的还原反应过程中存在较为严重的积炭影响,且气体的浓度对反应有较大的影响。通过检测载氧体氧化过程中生成的CO₂量对这种影响进行了定量分析,结果表明积炭随着循环次数的增多而略有下降。XRD和SEM分析结果显示还原反应生成的C部分与载体反应生成Fe₃C,另一部分以碳丝的形式存在于载体表面以及颗粒之间。     

K_2CO_3修饰钙基载氧体的煤化学链气化反应特性

以膨润土(Bentonite)为载体,采用机械混合-浸渍法制备了Ca SO4-K2CO3/Bentonite(Ca KBen)复合载氧体。在流化床反应器中,以水蒸气作为气化、流化介质,考察复合载氧体Ca KBen与不同煤种的化学链气化反应特性,并对该载氧体的循环特性、作用机理及气化动力学方程进行了研究。结果表明:复合载氧体Ca KBen适用于不同煤种的化学链气化过程。900℃时,与纯煤气化相比,Ca KBen化学链气化的碳转化率提高17.88%,反应时间缩短10 min,复合载氧体Ca KBen表现出良好的反应活性和催化性能。十次循环实验过程中,冷煤气效率稳定在85%以上,表明复合载氧体Ca KBen具有良好的循环特性。XRD、SEM分析表明十次循环实验后,钙基载氧体的晶相结构稳定,主要以CaS O4形式存在,K+主要以K2CO3形式存在,载氧体表面变得疏松多孔,该结构有利于化学链气化反应的进行。活性位扩展模型很好地体现了复合载氧体Ca KBen与煤化学链气化的动力学规律,验证了气化过程中CaS O4与K2CO3具有协同作用。     

化学链重整制氢NiO-CeO2/γ-Al2O3复合载氧体的性能

采用浸渍法制备了结构型NiO-CeO₂/γ-Al₂O₃复合载氧体,研究了Ni/Ce质量比对化学链重整制氢反应性能的影响。固定床反应器实验表明,随着Ni/Ce质量比的降低,氢气的选择性先升高后降低,比例为3∶1时氢的选择性和氢产物浓度最高。循环实验测试表明,3∶1载氧体在20个循环后仍保持催化活性,积炭量最低。XRD结果表明,加入CeO₂后有固溶体形成,增加了氧空位,在一定程度上减弱了NiO与γ-Al₂O₃之间的相互作用,提高了活性物质的分散度。进一步分析XRD结果发现3∶1载氧体粒径最小,更有利于制氢反应。SEM分析发现,经过20次循环3∶1载氧体颗粒的微观形貌变化相对较小。进一步的固定床实验研究表明较高的反应温度有利于制氢反应,800℃时3∶1载氧体的性能表现最佳;此外3∶1载氧体在较高水碳比下仍能保持较高的产物选择性。     

不同负载铁基载氧体的制备与性能研究

采用溶胶凝胶法制备了负载Al2O3、ZrO2和MgAl2O4的铁基载氧体,其中活性组分含量为70%,惰性载体含量为30%。高温煅烧后的铁基载氧体中活性组分为Fe2O3,相应的惰性载体物相分别为Al2O3、ZrO2和MgAl2O4,活性组分未与惰性负载发生固相反应。采用热重分析仪对铁基载氧体的还原反应活性和循环稳定性进行了测试。结果表明,负载Al2O3的铁基载氧体的还原反应活性最高,且在7周期循环中保持着95%以上的还原转化率和氧化转化率,是理想的载氧体材料。     

废弃咖啡渣化学链气化反应特性

利用溶胶-凝胶法制备了以Fe₂O₃为活性组分,天然凹凸棒土(ATP)为惰性载体,KNO₃修饰的Fe4ATP6K1铁基复合载氧体。在高温流化床中考察了反应温度、水蒸气流量和O/C摩尔比对咖啡渣化学链气化过程的影响。结果表明,与以石英砂为床料的咖啡渣气化相比,以Fe4ATP6K1载氧体为床料的咖啡渣化学链气化对应的碳转化率由71.38%提高到86.25%。咖啡渣化学链气化的较优操作条件为:反应温度900℃、水蒸气量0.23 g·min^-1、O/C摩尔比1;在此操作条件下,合成气产量达到1.30 m³·kg^-1,氢气产量达到83.79 g·kg^-1,氢气的平均浓度达到52.75%。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)对900℃反应前后的Fe4ATP6K1进行表征,发现Fe相、K相、Si相可以发生相互作用,K以KFeSi₃O₈的形式存在于载氧体中,并且K在反应过程中有少量流失。20次氧化/还原过程中,铁基复合载氧体Fe4ATP6K1表现出较好的循环性能,碳转化率和冷煤气效率均保持在75%以上,各气体的平均浓度较稳定。     

生物质化学链气化氧载体的研究进展

生物质化学链气化（chemical looping gasification, CLG）为生物质能源的利用开辟了新途径,氧载体在CLG过程中具有重要作用,其性能是影响CLG反应过程的关键因素。本文重点阐述了CLG技术中氧载体的性能评价指标、类型、制备方法及其对CLG过程中产生焦油的影响。通过对比分析目前研究成果,指出Fe基氧载体在生物质CLG过程中应用最广泛,而Ni基氧载体具有较高的活性和较大的载氧能力,且对于CLG副产物焦油具有较高的催化转化效率。未来该领域研究的重点方向是开发高活性且环境友好的氧载体,推进CLG工艺的工业应用。本文为今后生物质CLG氧载体的开发与优化提供了借鉴。     

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。     

生物质废弃物化学链气化技术研究进展

生物质废弃物来源广泛、总量庞大、绿色可再生,是可持续发展的替代资源。化学链气化技术可通过高活性载氧粒子在氧化和还原反应器中循环的方式将生物质废弃物转化为以H2、CO为主的合成气,在获得高价值合成气的同时还能实现生物质废弃物的资源化利用。本文梳理了生物质废弃物化学链气化中不同类型载氧体的应用及改性方法。概述了复杂高含水生物质废弃物化学链气化技术的研究现状。