铜修饰铁矿石的化学链制氢特性实验研究

发布时间：2019-07-23 13:24

【摘要】：化学链制氢是一种耦合CO_2捕集的高效制氢技术,铁基载氧体常应用于化学链制氢技术。赤铁矿的反应活性低且易发生析碳导致氢气纯度低,本文通过浸渍法添加铜修饰铁矿石,提高反应活性和制氢纯度.实验在小型流化床上进行,考察了850℃下化学链制氢过程中铜修饰对载氧体的反应活性、制氢性能、循环反应性质和析碳现象的影响。结果表明,与铁矿石比较,添加铜修饰可以显著提高载氧体反应活性和氢气产量,并且铜的添加可以有效抑制析碳,获得高纯度的氢气。在循环过程中,铜修饰铁矿石展现出更好的循环稳定性。
【图文】：

图１实验系统装置示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｅｍｔａｌ邋ｓｅｔｕｐ逡逑

的载氧体采用浸溃法制得，真空状态下把筛选逡逑后的铁矿石颗粒浸溃在硝酸铜溶液中２０邋ｈ，再将配逡逑制好的混合物在９０°Ｃ水浴中蒸发去水至糊状，然后逡逑放入鼓风干燥机内继续干燥。千燥后的载氧体置于逡逑马弗炉内，９００°Ｃ下煅烧４邋ｈ，提高其机械强度。锻烧逡逑后的载氧体通过再次筛选，选取粒径为０．３￣０．４邋ｍｍ逡逑的颗粒作为实验用Ｃｕ－铁矿石载氧体．表１为原始逡逑铁矿石和Ｃｕ－铁矿石的主要化学成分。逡逑１．２实验过程逡逑化学链制氢实验在批次进料小型流化床上进行，逡逑实验系统装置如图１所示。该系统包括气体控制单逡逑元，单流化床反应器，处理测试单元以及温控系统。逡逑单流化床反应器是一＇内径为３２邋ｍｍ，尚度为６００邋ｍｍ逡逑的石英管且在中部步置一块多孔布风板。反应器通逡逑过电加热进行升温，并通过反应器外壁面布置热电逡逑偶控制反应温度。实验中载氧体质量保证其中铁矿逡逑石的质量相等为３０邋ｇ。实验过程分为完全氧化、还逡逑原、制氢三个过程。反应通入的气体分别为：完全氧逡逑化阶段５％的氧气；还原阶段７．５％的ＣＯ；水蒸气部逡逑分氧化制氢阶段０．５邋ｇ／ｍｉｎ的Ｈ２０（１）；完全氧化时间逡逑２0邋ｍｉｎ，还原时间６０邋ｍｉｎ，制氢时间３０邋ｍｉｎ；．氮气作逡逑为载气，总气量为２邋Ｌ／ｍｉｎ．每阶段结束后，通入氮逡逑气吹扫１０邋ｍｉｎ。反应出口气体通过冷凝、干燥和除逡逑尘装置后，每两分钟用集气袋收集出口气体，并用烟逡逑气分析仪测定出口气体的成分。循环过程中，反应结逡逑束后，将氮气转换为ＣＯ和氮气，仅进行还原和制逡逑氢阶段实验。其中为避免氧化反应的剧烈放热使载逡逑氧体烧结，完全氧化阶段的反应温度设定为６５０°Ｃ。逡逑还原过

图３原始铁矿石和Ｃｕ－铁矿石的ＸＲＤ逡逑Ｆｉｇ．邋３邋ＸＲＤ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｏｆ邋ｈｅｍａｔｉｔｅ邋ａｎｄ邋Ｃｕ－ｈｅｍａｔｉｔｅ逡逑

２７３４逡逑工程热物理学报逡逑３８卷逡逑２．１．２制氢阶段逡逑在化学链制氢过程中，氢气的产量和还原过程逡逑中铁矿石被还原的深度（还原产物ＦｅＯ和Ｆｅ单质的逡逑量）直接相关Ｍ。在还原过程中，载氧体被气体燃料逡逑Ｃ０还原生成具有制氢能力的ＦｅＯ和Ｆｅ；在水蒸气逡逑部分氧化制氢过程中，低价态的载氧体与水蒸气进逡逑行反应（Ｒ５）和（Ｒ６），产生氢气．逡逑１０逦２０逦３０逦４０逦５０逦６０逦７０逡逑２（９／（°）逡逑图３原始铁矿石和Ｃｕ－铁矿石的ＸＲＤ逡逑Ｆｉｇ．邋３邋ＸＲＤ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｏｆ邋ｈｅｍａｔｉｔｅ邋ａｎｄ邋Ｃｕ－ｈｅｍａｔｉｔｅ逡逑图４给出了制氢阶段氢气的浓度随反应时间的逡逑变化曲线。采用两种载氧体制氢时，氢气浓度变化趋逡逑势相同，先升高再逐渐降低．Ｃｕ－铁矿石载氧体产生逡逑氢气浓度明显高于原始铁矿石，并且Ｈ２浓度在第１０逡逑ｍｉｎ出现峰值早于铁矿石。通过ＸＲＤ对Ｃｕ－铁矿石逡逑化学成分分析，检测到存在尖晶石结构的ＣｕＦｅ２０４，逡逑可以促进载氧体表面形成细孔和裂缝，从而提高反逡逑应速率１＾叱ＣｕＦｅ２０４具有拓孔、增大与水蒸气接逡逑触面积的作用，在还原阶段形成的细孔和裂缝暴露逡逑了更多可与水蒸气发生反应的活性位，，进而促进还逡逑原后的载氧体与水蒸气反应，加快制氢反应速度的逡逑效果。逡逑图４氢气体积分数逡逑Ｆｉｇ．邋４邋Ｈ２邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑图５为氢气累积体积随反应时间的变化曲线。逡逑Ｃｕ－铁矿石为载氧体时，不仅氢气累积体积增涨速逡逑率高于铁矿石，并且生成氢气累积体积也大于原始逡逑铁矿石，产生氢气累积体积为２．５８邋Ｌ，比铁矿石累积逡逑产氢体积提高了邋３４．８１％
【作者单位】：能源热转换及其过程测控教育部重点实验室东南大学能源与环境学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(No.51561125001,No.51476029)
【分类号】：TQ116.2

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