化學(xué)鏈燃燒技術(shù)中鐵基氧載體的制備及其性能研究.pdf

1、以煤為主的化石燃料在滿足了電力生產(chǎn)和能源需求的同時(shí)，燃燒過程中排放的CO2也引起大氣中CO2濃度不斷增加，而CO2等溫室氣體的排放是引起全球氣候變暖的重要原因。因此減少以煤炭利用過程中CO2的排放刻不容緩，非常必要?；瘜W(xué)鏈燃燒技術(shù)是一種新穎的燃燒技術(shù)，由于具有較高的燃燒效率、徹底消除Nox排放以及CO2內(nèi)分離的特點(diǎn)而受到了廣泛的關(guān)注。因此，研究以煤為燃料的化學(xué)鏈燃燒技術(shù)對(duì)于CO2的減排和煤炭的高效利用具有重要的意義。本文依托華中科技大學(xué)

2、煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和新加坡南洋理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)工程研究院的國(guó)際交流合作項(xiàng)目，對(duì)Fe2O3基氧載體與以煤為燃料的化學(xué)鏈燃燒技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并對(duì)CO2的化工利用進(jìn)行了創(chuàng)新性的探索。主要研究?jī)?nèi)容與成果如下： 采用熱力學(xué)分析方法對(duì)煤合成氣與構(gòu)成氧載體的活性金屬氧化物的反應(yīng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)減小氧載體碳沉積和固相硫組分的影響因素進(jìn)行計(jì)算并發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，壓力的增加會(huì)導(dǎo)致更多沉積碳和固相硫組分的形成；而溫度的增加則會(huì)抑制沉積碳的

3、產(chǎn)生以及更多 SO2氣體的產(chǎn)生；而煤合成氣中水蒸汽和CO2對(duì)碳沉積以及氣相SO2的產(chǎn)生的作用與溫度的影響類似，盡管影響程度不同。 采用質(zhì)能平衡方程對(duì)不同類型的氧載體與煤合成氣的反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，NiO、CoO基氧載體會(huì)導(dǎo)致燃料反應(yīng)器溫度降低；而Fe2O3、Mn3O4則對(duì)燃料反應(yīng)器溫度的保持有利；對(duì)于CuO，由于其放熱特性，CuO的含量增加會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器溫度急劇增加。進(jìn)一步地，就各種惰性載體對(duì)燃料反應(yīng)器溫度的影響而言，其最

4、優(yōu)選擇順序?yàn)椋篗gAl2O4>Al2O3>SiO2>TiO2>ZrO2。 設(shè)計(jì)并建立以尿素為燃料、硝酸鹽為氧化劑的溶膠-凝膠燃燒合成法（SGCS）制備Fe2O3/Al2O3氧載體，優(yōu)化了SGCS法的工藝參數(shù)，并對(duì)其反應(yīng)性能、抗燒結(jié)和碳沉積性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究；進(jìn)一步地，研究了惰性載體Al2O3的含量對(duì)Fe2O3/Al2O3氧載體性能的影響，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量比為8:2的Fe2O3/Al2O3氧載體不僅具有較好的反應(yīng)性能，而且具有良好的抗燒

5、結(jié)以及抗碳沉積能力。此外，以質(zhì)量比為8:2的Fe2O3/Al2O3氧載體為基礎(chǔ)，對(duì)添加CuO、MgO的復(fù)合氧載體的反應(yīng)性能、抗燒結(jié)以及抗碳沉積能力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)Fe2O3-CuO/Al2O3復(fù)合氧載體，CuO的加入能夠有效地提高氧載體的反應(yīng)性和抗碳沉積能力，而MgO的加入則對(duì)氧載體的抗燒結(jié)和抗碳沉積能力有利。值得注意的是，CuO和MgO的加入量均以不超過Fe2O3以及Al2O3質(zhì)量比的30％為宜。 Fe2O3基氧載體與不同煤種

6、的熱重研究表明，F(xiàn)e2O3的還原產(chǎn)物為不低于Fe3O4價(jià)態(tài)的氧化物；煤與金屬氧載體的反應(yīng)并不是氧載體與煤的直接反應(yīng)，而是與其熱解和氣化產(chǎn)物的氣固反應(yīng)。因此，直接以煤為燃料的化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是可行的，而且CuO-Fe2O3/Al2O3氧載體與煤反應(yīng)具有一定的反應(yīng)協(xié)同性。此外，由于CuO的放熱反應(yīng)特性，對(duì)于燃料反應(yīng)器能量平衡非常有利。 最后，對(duì)氫氣活化的Fe2O3、CuFe2O4與CO2的氧化反應(yīng)制CO的可行性進(jìn)行了初步的試驗(yàn)和熱力學(xué)