铁矿石载氧体还原反应动力学及其制氢过程实验研究

发布时间：2017-10-03 00:01

  本文关键词：铁矿石载氧体还原反应动力学及其制氢过程实验研究

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【摘要】：化学链制氢是一种新型的制氢技术,具有系统简单、不需要复杂催化剂及可以制备高纯度氢气等优点,而Fe_2O_3被认为是最理想的用于化学链制氢过程的载氧体。本文考虑选用自然界中最易获得的铁矿石直接作为载氧体来进行化学链制氢实验研究。由于铁矿石分布广泛,其主要成分为Fe_2O_3,还含有其它一些物质,因此其反应性能不同于单纯的Fe_2O_3,而目前国际上对于直接选用铁矿石来进行化学链制氢研究的报道还较少,因此很有研究价值。以澳洲赤铁矿作为载氧体,在小型流化床反应器上考察了反应温度及还原性气体浓度对铁矿石载氧体还原反应动力学及其制氢过程的影响,然后进一步研究了其循环特性。实验结果表明：反应温度的升高及还原性气体浓度的增加都促进了铁矿石载氧体的还原过程,表观活化能表现出下降的趋势,H_2生成量随之增加；循环实验中载氧体失重及H_2生成量随着循环次数的增加表现出下降的趋势；后续循环中XRD分析结果表明铁矿石载氧体在还原过程中生成的FeO和Fe的量较少；SEM分析结果显示铁矿石载氧体在循环过程中发生了烧结状况。为了提高铁矿石载氧体的反应性能,以KNO_3作为钾基对铁矿石载氧体进行了修饰,考察了反应温度及KNO_3添加量对修饰后的载氧体还原反应动力学及其制氢过程的影响,并根据循环实验结果与未修饰时的情况作了比较。实验结果表明：反应温度的升高及KNO_3添加量的增加都促进了修饰后载氧体的还原过程,表观活化能表现出下降的趋势,H_2生成量随之增加；预热过程中添加的KNO_3与铁矿石发生了反应,生成的新物质具有良好的催化能力；循环实验中载氧体失重及H_2生成量保持了稳定,且相比未修饰时增加较多；后续循环中载氧体在还原过程中仍有较多的FeO生成,且表面形态没有发生明显变化；载氧体在循环过程中K的含量发生了减少,尤其在第1次循环中减少较多,但在后续循环中K的含量保持稳定。针对铁矿石载氧体在还原过程中会生成析碳进而降低生成氢气的纯度这一问题,先对铁矿石载氧体在添加KNO_3修饰前后进行了还原过程析碳分析,然后研究了在传统化学链制氢还原过程和制氢过程中间增加一个短暂的氧化过程对生成氢气的影响。实验结果表明：铁矿石载氧体在添加KNO_3修饰前后,在还原过程中后期都会产生小部分析碳,而生成氢气的纯度从修饰前的98.19%提高到了修饰后的98.59%；增加短暂的中间氧化过程后,修饰后的载氧体其氢气生成量相比传统过程减少了9.4%,但纯度可以接近99.9%；循环实验中在增加短暂的中间氧化过程后,氢气生成量依旧保持稳定,虽然相比传统过程减少了16.7%,但是纯度也可以接近99.9%；载氧体在经历中间氧化过程前后组成成分没有发生明显变化,且在此过程中载氧体没有发生烧结状况。
【关键词】：化学链制氢 铁矿石 载氧体 KNO_3 中间氧化过程
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.1.1 大气污染与清洁能源开发10
• 1.1.2 制氢技术10-11
• 1.2 化学链制氢11-16
• 1.2.1 化学链制氢发展简介11
• 1.2.2 化学链制氢过程原理11-12
• 1.2.3 化学链制氢研究现状12-16
• 1.2.3.1 化学链反应器12-14
• 1.2.3.2 载氧体14-16
• 1.3 本文的研究目的和研究内容16-17
• 1.3.1 研究目的16
• 1.3.2 研究内容16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第二章 铁矿石载氧体还原反应动力学及其制氢过程实验研究18-33
• 2.1 前言18
• 2.2 实验部分18-21
• 2.2.1 铁矿石载氧体18
• 2.2.2 小型流化床实验装置及实验过程18-19
• 2.2.3 数据处理19-20
• 2.2.4 还原反应动力学分析方法20-21
• 2.3 结果分析与讨论21-32
• 2.3.1 反应温度的影响21-25
• 2.3.2 还原性气体浓度的影响25-28
• 2.3.3 循环实验28-32
• 2.3.3.1 新型化学链制氢循环过程28
• 2.3.3.2 还原过程及制氢过程分析28-31
• 2.3.3.3 表征分析31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 钾基修饰铁矿石载氧体还原反应动力学及其制氢过程实验研究33-48
• 3.1 前言33
• 3.2 实验部分33-34
• 3.2.1 载氧体的制备33
• 3.2.2 实验过程33-34
• 3.3 结果分析与讨论34-46
• 3.3.1 反应温度对修饰后铁矿石载氧体的影响34-37
• 3.3.2 KNO_3添加量的影响37-39
• 3.3.3 KNO_3催化机理分析39-40
• 3.3.4 铁矿石载氧体修饰前后循环实验比较分析40-46
• 3.3.4.1 还原过程与制氢过程比较分析41-43
• 3.3.4.2 循环过程物相组成比较分析43-44
• 3.3.4.3 循环反应前后微观形貌比较分析44-45
• 3.3.4.4 循环过程载氧体K含量变化分析45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第四章 铁矿石载氧体还原过程析碳分析及增加中间氧化过程对生成氢气的影响48-58
• 4.1 前言48
• 4.2 实验部分48-49
• 4.2.1 实验装置及实验过程48-49
• 4.2.2 数据处理49
• 4.3 结果分析与讨论49-57
• 4.3.1 铁矿石载氧体还原过程析碳分析49-51
• 4.3.2 钾基修饰铁矿石载氧体还原过程析碳分析51-53
• 4.3.3 增加中间氧化过程对生成氢气的影响53-55
• 4.3.4 循环实验55-57
• 4.3.4.1 循环实验过程55
• 4.3.4.2 氢气生成量及生成的含碳气体分析55-56
• 4.3.4.3 表征分析56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 全文总结与展望58-61
• 5.1 全文总结58-60
• 5.2 展望60-61
• 参考文献61-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士学位期间论文发表情况66

【参考文献】

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本文编号：961977