化學(xué)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(lái),由于人們過(guò)度依賴(lài)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(diǎn)。我國(guó)是個(gè)煤炭大國(guó),亟需研發(fā)能夠有效控制燃煤CO2排放的新技術(shù)?；瘜W(xué)鏈燃燒技術(shù)作為一項(xiàng)很有應(yīng)用前景的CO2捕集技術(shù),引起了國(guó)內(nèi)外研究者的極大興趣,目前其研究重點(diǎn)在固體燃料化學(xué)鏈燃燒和廉價(jià)高效載氧體的開(kāi)發(fā)。針對(duì)目前鈣基載氧體還原反應(yīng)過(guò)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(wèn)題,本文提出了在兩種載氧

2、體表面分別負(fù)載Fe2O3和CuO活性組分的解決方案,進(jìn)而開(kāi)展了基于Fe2O3/CaSO4和CuO/Fe2O3兩種復(fù)合載氧體的模擬煤氣化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)研究,研究了復(fù)合載氧體與模擬煤氣之間的反應(yīng)機(jī)理和復(fù)合載氧體的持續(xù)循環(huán)特性,重點(diǎn)研究了兩種復(fù)合載氧體添加助劑(Fe2O3,CuO)后對(duì)提高基體(CaSO4,Fe2O3)反應(yīng)性能起到的作用。
　　 針對(duì)CaSO4載氧體反應(yīng)過(guò)程中存在的SO2析出問(wèn)題,本文選用Fe2O3作為助劑,CaSO4顆

3、粒為基體,采用化學(xué)浸漬法合成四種負(fù)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(duì)所制備的Fe2O3/CaSO4系列復(fù)合載氧體進(jìn)行模擬煤氣化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)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(shí)SO2氣體濃度也略微增加。在相同實(shí)驗(yàn)條件下通過(guò)與空白樣CaSO4載氧體模擬煤氣化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)對(duì)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(fù)載量的增加,其反應(yīng)活性也隨之提高,當(dāng)Fe2O3負(fù)載量達(dá)到20％時(shí),繼續(xù)增加負(fù)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?chē)纬删植扛邼舛鹊倪€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(jìn)一步對(duì)Fe2O3/CaSO4復(fù)合載氧體的持續(xù)循環(huán)特性進(jìn)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(guò)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(duì)鐵基載氧體在化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)活性較低的問(wèn)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(xué)浸漬法對(duì)Fe2O3載氧體進(jìn)行改性,制備出四種負(fù)載不同CuO含量的CuO/Fe2O3復(fù)合載氧體,并在小型固定床上進(jìn)行了基于CuO/Fe2O3系列復(fù)合載氧體模擬煤氣化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)研究。在相同實(shí)驗(yàn)條件下通過(guò)與空白樣Fe2O3載氧體模擬煤氣化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)對(duì)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(dāng)CuO負(fù)載量為5％時(shí),該復(fù)合載氧體反應(yīng)性能最佳,繼續(xù)增加負(fù)載量則不能顯著提升復(fù)合載氧體的反應(yīng)活性。對(duì)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(shì),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(fù)載量越高,復(fù)合載氧體的反應(yīng)活性下降越