CuO修饰Fe基载氧体的锡盟褐煤化学链燃烧特性分析

为提高Fe基载氧体性能以及研究锡盟褐煤化学链燃烧特性,以硝酸盐试剂及CuO粉末为原料,通过共沉淀法制备了不同质量分数CuO修饰的Fe基载氧体且使用固定床制备褐煤焦样,对制得的载氧体进行表征分析,并在小型流化床反应器中进行了褐煤及其煤焦的化学链燃烧实验。结果表明:实验制得的载氧体完成了良好的结晶过程,且经CuO修饰后的载氧体中出现了CuFe₂O₄;在褐煤化学链燃烧实验中,相比于不经CuO修饰的Fe基载氧体,修饰后的载氧体具有更好的反应活性,具体表现在碳转化率方面,通过对不同质量分数CuO修饰的Fe基载氧体进行实验分析,10%CuO修饰的载氧体褐煤化学链燃烧中碳转化率为94.84%,较不修饰情况下的89.49%提升明显,同时碳转化速率峰值为23.81mol·%·min^-1,在相同时间内较不修饰情况提升4.21mol·%·min^-1,使用10%CuO修饰的载氧体进行褐煤焦化学链燃烧实验时碳转化率高达95.80%;循环实验中,15次化学链燃烧实验循环后,褐煤化学链燃烧碳转化率为88.69%,对反应后的载氧体表征分析表明,10%CuO修饰的Fe基载氧体仍保持了较为稳定的性能。     

化学链燃烧中载氧体的研究进展

介绍了化学链燃烧的工艺原理和特点,总结载氧体的选材要求及性能,通过分析镍系、铁系、锰系、铜系和新型载氧体的性能,对以后载氧体的发展方向进行了展望。     

化学链燃烧技术中载氧体的研究进展

简要介绍了化学链燃烧技术的基本概念及载氧体在燃烧方面的应用,总结了金属载氧体、非金属载氧体的研究现状及存在的问题,并指出载氧体进一步的研究方向。     

煤化学链燃烧载氧体研究进展

煤的化学链燃烧是清洁煤燃烧的重要技术之一。化学链中载氧体的使用可以避免煤和空气直接接触,从而避免氮氧化物等污染物的产生并提高能量转化效率。一般来说,煤的化学链燃烧有2种反应途径:煤气化化学链燃烧和氧解耦化学链燃烧;不同反应途径将极大影响载氧体组分以及结构设计。详细论述了2015-2020年煤化学链燃烧中固态金属载氧体的研究进展,包括铁基、锰基、铜基、镍基、硫酸钙以及其他复合金属载氧体。总结了不同金属载氧体的优缺点、反应路径、气-固和固-固反应机理、金属与载体的相互作用以及载氧体失活原理。铁基载氧体被广泛应用于气化化学链燃烧中,但单一铁基载氧体的反应速率较低。适量添加碱金属或碱土金属可以提升载氧体的反应活性。锰基载氧体在化学链燃烧中具有两面性:一方面可以在高温缺氧气氛中释放气态氧,另一方面也可以与还原性气体发生气-固反应。通过使用惰性载体以及碱金属添加剂可以提高锰基载氧体的机械强度和氧解耦能力。含铜载氧体具有出色的氧解耦能力和反应活性而被广泛关注,然而铜及其氧化物低熔点所带来的金属聚集导致载氧体的失活问题亟需克服。研究发现使用铁、锰和铜矿石制得的载氧体具有良好的反应性能。硫酸钙载氧体具有较好的反应活性,但煤的化学链燃烧时潜在的二氧化硫和硫化氢副产物需要引起重视。镍基载氧体虽然在煤的化学链燃烧中反应性能较好,但硫毒化、成本较高和环保性能不佳等缺点导致近年来镍基载氧体的研究较少。新型双金属或多金属载氧体可以同时结合2种金属的反应特性,从而显著提高载氧体的整体反应活性。基于载氧体的研究现状,对未来的发展方向提出了4点建议:结合2种煤的化学链燃烧机理设计新型氧解耦辅助化学链燃烧载氧体;发展新型材料和金属组分的载氧体;利用冶金工业废料制得载氧体;开发新型结构的载氧体。     

废弃活性炭化学链气化制富氢合成气

以废弃活性炭为原料,以Fe4ATP6复合载氧体为载氧体,在间歇高温流化床中考察了废弃活性炭化学链气化制富氢合成气反应的较优条件及复合载氧体的循环反应特性。结果表明,Fe4ATP6复合载氧体具有提供晶格氧及催化气化的双重作用,显著提高了碳转化率,促进了废弃活性炭气化过程,反应活性良好。废弃活性炭化学链气化制富氢合成气的优化反应条件：900℃、水蒸气流量为0.25 g·min^-1、OC/C比为1。在上述条件下,碳转化率达92.15%,合成气产量达1.20 L·g^-1,其中H₂产量为1.09 L·g^-1,平均浓度为55.30%。10次循环实验表明Fe4ATP6复合载氧体的反应活性略有降低,通过SEM、XRD分析载氧体的表面形貌、物质组成发现,载氧体反应后结构变化较大,粒径减小,生成了无反应活性的硅酸铁。     

化学链燃烧中CuO载氧体释氧吸氧特性研究

首先利用热重法考察了氧解耦化学链燃烧(CLOU)中CuO载氧体在不同氧气气氛以及不同温度等工况下的释氧特性、Cu2O在不同温度下的吸氧特性以及CuO载氧体的持续循环能力.最后采用Achar-Brindley-Sharp-Wendworth方法对氧化铜在不同氧气浓度下的动力学参数进行了拟合求解.结果表明,CuO释氧速率随反应温度的提高而增加.氧气浓度越高,CuO在释氧温度区间的活化能大幅增加,因此开始析出氧气的温度也越高.对于Cu2O,温度越高,反应后阶段的吸氧速率越快.经过20次循环,CuO的释氧吸氧能力逐渐降低.     

化学链燃烧钙基载氧体研究进展

化石能源燃烧产生大量CO₂,碳捕集、利用与封存技术是目前唯一能实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术。化学链燃烧是一种新的解耦燃烧技术,可在燃烧过程中实现原位碳捕集。载氧体是该过程高效稳定运行的关键。钙基载氧体因其特有的高载氧量、低成本、易获得且对环境友好等优势被认为具有应用潜力。总结了化学链燃烧技术及6类常见载氧体的原理及发展,重点介绍了钙基载氧体存在的瓶颈问题——热力学和动力学适宜温区、分压匹配难,总结了国内外通过控制反应条件、添加剂等手段调控反应过程,强化其反应性和再生性的相关研究,并解析了惰性载体、金属氧化物等添加剂对钙基载氧体性能的强化效应和影响机制。研究表明,惰性载体可有效改善载氧体分散特性,从而提升反应活性,有助于提高机械强度。与惰性载体相比,添加金属氧化物可能更有效。传统的功能强化方法可一定程度改善载氧体性能,但难以从根本上突破其再生性差的瓶颈。未来研究可聚焦2方面：基于人工智能在材料科学中的应用,定向筛选与优化廉价钙基天然矿石/工业固废等材料作为载氧体;重构载氧体的形貌构造和晶体结构,调控氧原子、硫原子的迁移转化行为,降低氧传递对硫原子的携带效应...     

化学链燃烧技术中载氧体的研究概述

化学链燃烧技术是一种新的高效、洁净燃烧技术。燃烧过程中可以有效控制甚至消除大气污染物NOx的排放,且不需要额外消耗能量既可以实现CO2的高浓度捕集。载氧体的性能是该技术发展应用的关键。文章介绍了化学链燃烧的机理,系统总结了载氧体的选材、制备方法、实验研究方法和性能研究情况。最后,对载氧体实际应用发展前景做了展望。     

化学链燃烧钙基载氧体的竞争反应热力学分析

化学链燃烧能在化石燃料燃烧能量释放的同时有效分离CO2.以CaSO4作为载氧体,在CO和H2作为还原剂的条件下,对CaSO4的氧化-还原反应进行了基于吉布斯最小自由能化学反应的理论计算,绘出化学反应的平衡相图,分析出在氧化态和还原态下平衡相图中都有CaSO4,CaS和CaO稳定存在的区域.通过控制温度扣气体反应物的浓度,就可以得到在化学链燃烧中所需要的CaS和CaSO4的稳定区.     

基于新型化学链燃烧工艺的Cu基载氧体循环寿命

采用机械混合法制备了Cu-Ni/Al2O3载氧体,并基于新型化学链燃烧工艺对其循环性能进行测试. 结果表明,Cu-Ni/Al2O3的初期反应性能良好,但随循环次数增加氧化率迅速降低,从初期的91.0%降至循环120次时的27.7%,而还原率则衰减轻微,循环120次仍维持在86.8%. 载氧体循环性能的衰减主要是颗粒粉化和粉化后细微颗粒团聚引起的,重新造粒可使其循环性能恢复到接近初期水平.     

基于NiO载氧体的煤化学链燃烧实验

采用流化床反应器并以水蒸气作为气化-流化介质,研究了以NiO为载氧体在800～960℃内的煤化学链燃烧反应特性。实验结果表明,载氧体与煤气化产物在反应器温度高于900℃体现了高的反应活性。随着流化床反应器温度的提高,气体产物中CO₂的体积浓度(干基)呈单调递增;CO、H₂、CH₄的体积浓度(干基)呈单调递减;煤中碳转化为CO₂的比率逐渐递增,碳的残余率逐渐递减。反应器出口气体CO₂、CO、H₂、CH₄的生成率随反应时间呈单峰特性,H₂生成率的峰值远小于CO的峰值;且随反应器温度升高,CO₂生成率升高,CO、H₂、CH₄的生成率降低。反应温度高于900℃时,流化床反应器NiO载氧体煤化学链燃烧在9 min之内就基本完成,CO₂含量高于92%。     

具有自载体功能的CoFeAlO4载氧体化学链燃烧反应特性

采用燃烧法合成了具有尖晶石结构的CoFeAlO₄载氧体材料,通过表征手段和实验研究考察了不同温度下CoFeAlO₄载氧体的化学链燃烧反应特性和循环稳定性,并对CoFeAlO₄载氧体晶相结构和表观形貌的变化规律进行了分析。结果表明,温度升高有利于提高CoFeAlO₄载氧体转化还原性气体CO的能力,使得还原反应速率更快,但高温下经“还原-氧化”会造成CoFeAlO₄载氧体相态分离,难以保持稳定的自载体尖晶石结构。对反应前后CoFeAlO₄载氧体晶相结构的分析表明,高温条件下经过“还原-氧化”后生成的CoFe₂O₄和CoAl₂O₄是导致CoFeAlO₄载氧体烧结和循环稳定性下降的主要原因。     

NiFeAlO4载氧体制备及煤化学链燃烧反应特性

铁基载氧体是一种具有工业应用前景的载氧体,但存在氧利用率低、在高温下易烧结等问题。虽可通过制备双金属复合载氧体或添加惰性组分改进其性能,但均存在一定缺陷。若将活性组分和惰性材料融入到一个晶体结构制备尖晶石结构载氧体,则可实现利用双金属协同作用提高载氧体活性的同时,利用Al3+提高载氧体的稳定性。采用共沉淀法和溶胶凝胶法制备了具有尖晶石结构的NiFeAlO₄载氧体,考察了制备方法、载氧体与煤质量比对NiFeAlO₄载氧体化学链燃烧特性和循环稳定性的影响,并分析了载氧体对煤转化过程的作用。结果表明,溶胶凝胶法制备的NiFeAlO₄载氧体具有更好的反应性,载氧体与煤质量比为20∶1时,碳转化率为86.7%,远高于煤单独热解时的碳转化率(34%),此时CO₂体积分数为93.6%。对反应前后NiFeAlO₄载氧体晶相结构和形貌进行分析,表明循环过程中经“还原-氧化”后生成的NiO和载氧体颗粒团聚是导致载氧体活性下降的主要原因。相较于载热作用,NiFeAlO₄载氧体在煤化学链燃烧中主要起供氧作用,其不仅会促进挥发分向煤气的转化,且NiFeAlO₄载氧体与焦炭之间也存在固-固反应,利于更多CO₂的生成。     

Enrichment of iron from bauxite waste in chemical looping combustion

This work reports a method and findings related to the enrichment of iron from bauxite waste (red mud) using chemical looping combustion (CLC). According to the results from X-ray Diffraction, X-ray Fluorescence, and scanning electron microscope–energy-dispersive X-ray spectroscopy, uniformly distributed iron in the red mud particles migrated outward to the surface during the 148 redox cycles in a bubbling fluidized bed reactor, in which the size-reduced iron-oxide particles due to attrition are concentrated in filters. The concentrations of iron oxide in raw particles and attrition fines are 43 wt.% and 83–87 wt.%, respectively. Since the attrition in CLC is inevitable, this recycled iron oxide can be a valuable by-product to compensate for the cost of CLC, whereas the bed materials continue to participate in the CLC process. Moreover, the abundant bauxite waste can be processed in an eco-friendly manner for integrated power generation, carbon capture, and iron recovery by the proposed strategy in this work.     

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。     

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。     

Reduction kinetics of a fluidizable nickel–alumina oxygen carrier for chemical‐looping combustion

This study investigates the kinetic modelling of oxygen carrier reduction by methane in the combustion reactor of the chemical‐looping combustion process. The species being reduced and the stability of the fluidizable oxygen carrier sample over repeated reduction–oxidation cycles are established using the temperature programmed reduction and oxidation and the pulse chemisorption characterization methods. The power‐law relation, the nucleation and nuclei growth model and the shrinking‐core models are considered to interpret the experimental kinetics of the oxygen carrier reduction. The obtained results show that the nucleation and nuclei growth model best describes the experimental data providing parameters with adequate statistical fitting indicators.     

Migration and emissions of selenium during chemical looping combustion of coal

Selenium is one of the most volatile toxic elements in coal, and its emissions must be strictly controlled. Chemical looping combustion (CLC) is a clean and efficient technology for coal. Herein, the iron-based oxygen carrier (OC) was used as an adsorbent to study the migration and emissions of selenium during the CLC of coal. Due to the oxidation and adsorption of selenium by iron-based OC, most of the selenium was retained in OC or distributed in the CO₂ stream. The proportion of gaseous selenium released into the atmosphere was less than 10%—significantly lower than that from the traditional combustion process of coal, which had a value of 91.79%. The presence of OC increased the distribution phase of selenium, promoted the conversion of gaseous selenium to solid selenium, and reduced selenium emissions in flue gas. During CLC of coal, the fuel reactor (FR) temperature and the number of OC re-oxidation cycles played an important role in the emissions and retention of selenium. The increasing FR temperature increased the gaseous selenium in the CO₂ stream, reduced the particulate selenium absorbed by OC, and reduced the selenium emissions in the atmosphere. After 10 continuous CLC cycles, the selenium concentration in OC increased from 0.889 to 8.20 mg kg⁻¹. The continuous cycling of CLC could realize the enrichment of selenium from coal to OC. Furthermore, the migration and transformation mechanism of selenium during CLC was deduced by experiments and thermodynamic simulation. This research provides a suitable reference for reducing selenium emissions and developing CLC technology.     

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。