作為化學(xué)鏈燃燒載氧體的貧鐵礦還原-氧化特性研究.pdf

1、化學(xué)鏈燃燒可以借助載氧體在燃料和空氣之間的循環(huán)實(shí)現(xiàn)氧的傳遞，避免了燃料與空氣的直接接觸，從而能夠提高CO2捕集效率，降低CO2捕集的能耗。載氧體的性能對(duì)化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)非常重要。與赤鐵礦相比，天然貧鐵礦活性適中，在中國(guó)分部十分廣泛，價(jià)格更加低廉，環(huán)境友好不會(huì)造成二次污染，是一種比較理想的載氧體材料。粒徑較小的載氧體顆粒擁有更高的比表面積，還原-氧化反應(yīng)能力更強(qiáng)，在化學(xué)鏈燃燒中作用更大，但是其在燃料反應(yīng)器中的停留時(shí)間僅有幾秒至幾十秒。目前已

2、有的研究，往往將還原-氧化一個(gè)周期的停留時(shí)間（主要是在還原氣氛中的停留時(shí)間）設(shè)定為幾百秒甚至更長(zhǎng)，與實(shí)際情況相距甚遠(yuǎn)。為了探尋天然貧鐵礦載氧體在較短停留時(shí)間內(nèi)還原-氧化反應(yīng)規(guī)律，本文將載氧體顆粒在還原和氧化氣氛中的停留時(shí)間都縮短至60s以內(nèi)，采用CO作為還原氣，在熱重分析儀和固定床中對(duì)載氧體進(jìn)行短停留時(shí)間、多循環(huán)次數(shù)的還原-氧化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先采用熱重分析儀，在停留時(shí)間為60s條件下，研究了天然貧鐵礦的還原-氧化循環(huán)反應(yīng)特

3、性。結(jié)果表明:天然貧鐵礦作為載氧體，在多次還原-氧化循環(huán)反應(yīng)中呈現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，反應(yīng)溫度和CO濃度的升高均可以提高其可利用轉(zhuǎn)化率。在每一次短時(shí)間內(nèi)的還原反應(yīng)中，天然貧鐵礦展現(xiàn)了能夠與赤鐵礦和鈦鐵礦相媲美的還原反應(yīng)活性，因此在實(shí)際使用中可以考慮用天然貧鐵礦代替赤鐵礦或鈦鐵礦，以降低載氧體使用成本。
　　其次采用固定床反應(yīng)器，研究了停留時(shí)間對(duì)天然貧鐵礦循環(huán)反應(yīng)特性的影響。結(jié)果表明，在停留時(shí)間分別為60s，50s和40s的條件下，

4、天然貧鐵礦各循環(huán)100次，都表現(xiàn)出了較好的循環(huán)穩(wěn)定性和反應(yīng)活性，并且停留時(shí)間越短循環(huán)穩(wěn)定性越強(qiáng)。當(dāng)停留時(shí)間從60s縮短至40s時(shí)，在100次循環(huán)中，反應(yīng)器出口CO2濃度變化的相對(duì)值從11.14％降至3.41％。SEM外觀形貌分析顯示，在經(jīng)歷相同的循環(huán)次數(shù)下，停留時(shí)間越短，天然貧鐵礦外表面的片狀結(jié)構(gòu)的改變?cè)缴伲瑹Y(jié)熔融的現(xiàn)象越不明顯，表明縮短停留時(shí)間，能夠有效的減輕載氧體顆粒表面的燒結(jié)熔融現(xiàn)象。
　　最后，為了進(jìn)一步提高天然貧鐵礦的

5、反應(yīng)活性，使用浸漬法，將草木灰水溶液中的K+載入到天然貧鐵礦中。熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，停留時(shí)間為60s時(shí)，改性載氧體的活性和循環(huán)穩(wěn)定性比天然貧鐵礦載氧體更加出色。載氧體在100次循環(huán)后損失的質(zhì)量不超過總質(zhì)量的0.5％。K+能夠降低溫度變化對(duì)反應(yīng)活性的影響。在低溫區(qū)，改性載氧體化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)大大增加，反應(yīng)時(shí)間為600s時(shí)，在800℃下，改性貧鐵礦載氧體的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)可達(dá)到天然貧鐵礦的11.82倍。縮短反應(yīng)時(shí)間至20s時(shí)，在800℃下，改

6、性后載氧體的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)可達(dá)到改性前載氧體的4倍。XRD和SEM檢測(cè)顯示，K+能夠與鐵礦石組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的具有催化作用的化合物，如KFeO2。經(jīng)過100次循環(huán)后，改性載氧體的孔體積和比表面積達(dá)到了新鮮改性貧鐵礦載氧體的2倍以上。采用固定床反應(yīng)器，在停留時(shí)間為40s的條件下，考察了不同K+負(fù)載比例對(duì)改性貧鐵礦載氧體還原-氧化循環(huán)反應(yīng)特性影響。實(shí)驗(yàn)表明K+負(fù)載比例的提高能夠有效提高鐵礦石還原反應(yīng)活性。三種不同負(fù)載比例的改性的