化學鏈燃燒中復(fù)合載氧體的制備及其性能研究.pdf

1、數(shù)十年來,由于人們過度依賴化石燃料導(dǎo)致全球環(huán)境中CO2濃度急劇上升,溫室氣體CO2引起的全球氣候變化逐漸成為全世界關(guān)注的焦點。我國是個煤炭大國,亟需研發(fā)能夠有效控制燃煤CO2排放的新技術(shù)?；瘜W鏈燃燒技術(shù)作為一項很有應(yīng)用前景的CO2捕集技術(shù),引起了國內(nèi)外研究者的極大興趣,目前其研究重點在固體燃料化學鏈燃燒和廉價高效載氧體的開發(fā)。針對目前鈣基載氧體還原反應(yīng)過程中存在的大量SO2氣體析出,以及鐵基載氧體反應(yīng)活性較低的問題,本文提出了在兩種載氧

2、體表面分別負載Fe2O3和CuO活性組分的解決方案,進而開展了基于Fe2O3/CaSO4和CuO/Fe2O3兩種復(fù)合載氧體的模擬煤氣化學鏈燃燒實驗研究,研究了復(fù)合載氧體與模擬煤氣之間的反應(yīng)機理和復(fù)合載氧體的持續(xù)循環(huán)特性,重點研究了兩種復(fù)合載氧體添加助劑(Fe2O3,CuO)后對提高基體(CaSO4,Fe2O3)反應(yīng)性能起到的作用。
　　 針對CaSO4載氧體反應(yīng)過程中存在的SO2析出問題,本文選用Fe2O3作為助劑,CaSO4顆

3、粒為基體,采用化學浸漬法合成四種負載不同F(xiàn)e2O3含量的Fe2O3/CaSO4復(fù)合載氧體,在小型固定床反應(yīng)器中對所制備的Fe2O3/CaSO4系列復(fù)合載氧體進行模擬煤氣化學鏈燃燒實驗研究。還原反應(yīng)溫度的升高能夠有效降低出口氣體產(chǎn)物中還原性氣體CO和H2濃度,提高出口CO2濃度,同時SO2氣體濃度也略微增加。在相同實驗條件下通過與空白樣CaSO4載氧體模擬煤氣化學鏈燃燒實驗對比可以發(fā)現(xiàn),助劑Fe2O3的添加可以顯著提高CaSO4載氧體的反

4、應(yīng)活性,且隨著負載量的增加,其反應(yīng)活性也隨之提高,當Fe2O3負載量達到20％時,繼續(xù)增加負載量則不能明顯提高復(fù)合載氧體的反應(yīng)活性。添加助劑后SO2氣體濃度顯著降低的原因是,Fe2O3助劑在基體表面形成大量的鐵基反應(yīng)活性中心,迅速吸附模擬煤氣中CO和H2氣體,使得載氧體周圍形成局部高濃度的還原性氣氛,從而抑制副反應(yīng)的發(fā)生,大幅降低氣體產(chǎn)物中SO2濃度。XRD分析結(jié)果顯示鐵基助劑的添加能夠阻止生成CaO副反應(yīng)的發(fā)生,有效地抑制CaSO4基

5、體中S元素的逸出。在此基礎(chǔ)上進一步對Fe2O3/CaSO4復(fù)合載氧體的持續(xù)循環(huán)特性進行了考察。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,CO2的濃度和CO轉(zhuǎn)化率均先增加后減小,H2氣體轉(zhuǎn)化率則逐漸降低,而其中SO2氣體濃度則由于復(fù)合載氧體表面流化作用先下降后增加。BET和SEM分析顯示助劑Fe2O3均勻地分布于基體CaSO4表面,并且復(fù)合載氧體在反應(yīng)后顆粒變得疏松。XRD分析表明經(jīng)過多次循環(huán)之后還原產(chǎn)物中仍存在大量CaS,表明助劑Fe2O3能夠保持CaSO4

6、基體的反應(yīng)活性。
　　 針對鐵基載氧體在化學鏈燃燒反應(yīng)過程中反應(yīng)活性較低的問題,本文采用反應(yīng)活性較高的CuO為助劑,Fe2O3顆粒為基體,采用相同的化學浸漬法對Fe2O3載氧體進行改性,制備出四種負載不同CuO含量的CuO/Fe2O3復(fù)合載氧體,并在小型固定床上進行了基于CuO/Fe2O3系列復(fù)合載氧體模擬煤氣化學鏈燃燒實驗研究。在相同實驗條件下通過與空白樣Fe2O3載氧體模擬煤氣化學鏈燃燒實驗對比分析后發(fā)現(xiàn),助劑CuO的添加能

7、夠加快初期模擬煤氣與復(fù)合載氧體之間的反應(yīng)速率,從而提高還原性氣體(CO和H2)的轉(zhuǎn)化率,并且隨著助劑CuO添加量的增加,復(fù)合載氧體的反應(yīng)活性也越高,當CuO負載量為5％時,該復(fù)合載氧體反應(yīng)性能最佳,繼續(xù)增加負載量則不能顯著提升復(fù)合載氧體的反應(yīng)活性。對復(fù)合載氧體的循環(huán)特性的研究表明,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,復(fù)合載氧體的反應(yīng)性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在第十次循環(huán)之后,該復(fù)合載氧體反應(yīng)活性明顯降低,且CuO負載量越高,復(fù)合載氧體的反應(yīng)活性下降越