基于钙铁复合氧载体的化学链气化研究

发布时间：2020-08-27 23:17

【摘要】：化石燃料的大量使用造成的温室效应以及大气污染等问题已经成为制约人类乃至全球生态环境健康发展的重要难题。在致力于寻找可替代能源的同时,对化石燃料的清洁高效利用也是应对环境危机的重点。煤气化等技术对促进化石燃料的综合利用、改善当前资源紧缺状况,并减少环境污染具有重要意义。化学链燃烧(CLC)技术作为一种先进的CO_2捕集技术,通过具有氧传递功能的氧载体(OC)与燃料直接接触反应,实现了能量的梯度利用,同时避免了空气混合的直接燃烧所造成的高额CO_2分离捕集成本以及NOx等污染物释放。化学链气化(CLG)是从CLC发展出来的新型气化技术,其目标产物是合成气而不是热量。作为化学链技术的关键因素,氧载体的性能研究与开发一直是学者研究的重点问题。本文针对化学链气化的钙铁复合氧载体进行了系统地探究。首先用浸渍法制备了四种不同配比的CaO/Fe_2O_3复合氧载体,并对新鲜氧载体进行了表征,结果发现CaO与Fe_2O_3结合主要形成了CaFe_2O_4和Ca_2Fe_2O_5两种新的晶相结构,CaO的参与提高了Fe基氧载体比表面积和孔隙结构,但降低了其机械强度。利用HSC软件对CaFe_2O_4和Ca_2Fe_2O_5两种新的物相参与常规燃料的反应结果发现,CaFe_2O_4的还原伴随着Ca_2Fe_2O_5生成,而后者对于固体燃料的转化能力要强于气体燃料。利用热重分析仪(TGA)和化学吸附仪分别研究了四种CaO/Fe_2O_3氧载体与H_2和C的反应情况,发现CaO的参与对Fe基氧载体的还原过程有较大的影响,其中FeCa50氧载体(Fe_2O_3与CaO的摩尔比为1:1,主要成分为CaFe_2O_4)在反应前期与Fe_2O_3展现出相似的化学性质,而反应后期则与FeCa70(Fe_2O_3与CaO的摩尔比为7:3,主要成分为Ca_2Fe_2O_5)的反应情况相似,其中后者反应性能较差。利用批次流化床和固定床,我们对四种CaO/Fe_2O_3氧载体参与煤和煤焦的化学链气化过程以及产氢能力和CO转化能力进行了探究。结果表明CaO的参与可以显著提高Fe基氧载体的产氢速率。FeCa50氧载体在与煤和煤焦的反应过程中展现出较好的碳转化速率以及产气品质,同时其还原产物Ca_2Fe_2O_5对于水蒸气下CO的转化有明显的催化作用,因此更适合在化学链气化中的应用。在热重上通过20次的氧化还原循环测试表明了CaFe_2O_4氧载体较强的热稳定性,在对其不同工况下的研究中发现当温度为900℃、O/C为1时,燃料在保证较快的转化速率的同时,也有较高的产品品质和H_2/CO值。在CO_2作为气化剂的实验中,CaFe_2O_4依然展现出较高的煤焦催化转化以及CO产出能力。系统过程模拟的分析显示,CaFe_2O_4在实现化学链自热平衡的同时也获得了较高合成气的产出。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X701;TQ511
【图文】：

中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 ，燃料的转化是一个无火焰的燃烧过程，反应温度较传低了 NOx的排放量。化学链的思想最早来自于 19 世英国科学家 Lane H[12]通过循环利用水蒸气氧化经 CO产生氢气的目的。美国科学家 Lewis 和 Gilliland[13]为属氧化物直接与 CO/H2反应的方法，并申请了专利，这正将化学链技术与燃烧方式联系起来的概念的提出要出采用化学链燃烧的方式会比传统燃烧方式具有更加态环境逐渐恶化，全球变暖的情况也日益加剧，人们也及控制 CO2排放的重要性。Ishida 等人[15, 16]在 1994 年结合来降低 CO2排放，同时该技术以其较高的能源利优势获得了更多学者的关注和研究。化学链燃烧的原理

中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 术Chemicalloopinggasification，CLG）技术是将碳氢化获得可燃性气体（H2和 CO 等）的新型气化技术。基本原理相同，主要的区别在于化学链气化的目的是量。化学链气化不需要充足的氧，只是利用部分的氧，其基本原理如图 1-2 所示。统同样由燃料反应器和空气反应器串联而成。在燃料的活性氧进行部分的氧化，产生具有较高热值可燃氧的氧载体回到空气反应器中被氧化，并重新进入

-2 四种新鲜 CaO/Fe2O3氧载体的形貌结构（SEM，左）和元素分布（EDX，右）新鲜氧载体的微观形貌结构以及表面的元素分布情况也利用扫描电镜进行了，如图 2-2 所示。新鲜的纯氧化铁表变结构非常致密，表面有一些细小的颗粒素能谱图（EDX）检测到的主要元素有 Fe 和 O（这里出现的 C 元素是电镜测到样品表面以便于样品表面形貌的拍摄）；新鲜的 FeCa20 样品表面已经开始疏松，表面的颗粒比较大，EDX 除了 Fe，O 两种元素外，开始出现 Ca 元素，要低于 Fe 元素，这与样品实际的元素含量分布相符；FeCa50 样品的表面除了粒分布外，已经可以看到其较为明显的孔隙结构，元素分布中 Ca 元素的强度；FeCa70 样品表面的孔隙结构更加明显，这也对应了该样品较大的比表面积，而其表面的 Ca 元素的峰强度也要高于 Fe 元素。该测试结果也与实际情况O/Fe2O3氧载体的热力学分析

【参考文献】

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本文编号：2806742