基于镍基修饰的铁矿石载氧体煤化学链燃烧实验

使用1 kW_th串行流化床反应器,研究了以铁矿石为载氧体以及对铁矿石进行镍基修饰情况下煤化学链燃烧特性,对两种修饰方法(机械混合和浸渍)进行了对比评价。结果表明,铁矿石载氧体具有良好的反应性能和稳定性,是实现煤化学链燃烧的一种比较理想的载氧体。向矿石中机械添加少量NiO/Al₂O₃载氧体,能够有效改善其反应活性,提高系统CO₂捕集率;采用浸渍法修饰的铁矿石载氧体煅烧后,总体微观孔隙结构变差,导致煤气化产物与载氧体间的反应无法充分进行,系统CO₂捕集率显著下降。浸渍修饰的方法和过程需要进一步的研究和改善。     

基于钾基修饰铁矿石载氧体的煤化学链燃烧循环实验

对天然的铁矿石加以钾基修饰,在流化床上进行了煤化学链燃烧循环实验。研究了改性后的铁矿石对气体产物浓度及含碳气体体积分数影响的持续力。钾基铁矿石缩短了反应时间并明显提高了CO₂浓度;在20次循环中,钾基铁矿石能明显提高CO₂体积分数并降低CO体积分数,11次循环后,CO₂体积分数稍有减少,CO体积分数略有增加。借助于扫描电镜与电子能谱(SEM-EDX)和X射线衍射(XRD),对不同循环后的载氧体进行表征。与纯铁矿石相比,前10次循环钾基铁矿石载氧体表面严重烧结,20次循环之后烧结减轻,恢复多孔结构。结果表明,钾基铁矿石载氧体中KFe₁₁O₁₇或其衍生物对煤气化有催化作用;在20次循环中存在钾流失现象;20次循环后钾基铁矿石载氧体能完全氧化为Fe₂O₃。     

Fe2O3/ATP载氧体制备及煤化学链燃烧性能研究

以天然凹凸棒(ATP)为载体,分别利用机械混合法、浸渍法和溶胶-凝胶法制备了3种铁基复合载氧体。利用X射线衍射(XRD)、能谱(EDS)、N₂-吸附脱附等温线等对其进行物化表征,并在900 ℃流化床中考察其煤化学链燃烧反应性能。结果表明,ATP能显著增加载氧体比表面积和抗磨损能力,并对煤转化过程有催化作用,其与Fe₂O₃的协同作用使初始碳转化速率显著提高。溶胶-凝胶法制备的U-Fe4ATP6表面Ca元素含量为4.3%,比表面积为4.920 7 m²/g,均高于其他两种载氧体,表现出更高的催化性能和反应活性:初始碳转化速率为0.168 min^-1,平均CO₂浓度为98.6%,燃烧效率为98.7%。20次反应后,U-Fe4ATP6催化性能略有降低,对应的初始碳转化速率降至0.108 min^-1,停留时间t₉₅延长到18 min;且能维持较高的反应活性,对应的CO₂捕集效率和燃烧效率分别稳定在98.6%和96.7%。     

天然铁矿石为载氧体的准东煤化学链燃烧特性

采用煤化学链燃烧方式可望抑制高钠准东煤燃烧结渣问题、提高其利用效率。为此,选择天然铁矿石作为载氧体,在小型流化床反应器内对准东煤燃烧性能及钠的迁移特性进行了研究。结果表明,在850-1 000℃下,准东煤的碳转化率和转化速率明显高于其他煤种;同时,钠以高熔点Na_2O·Al_2O_3·6SiO_2的形式存在于飞灰中,从而达到抑制结渣的目的。在循环10次实验中,随着循环次数的增加,铁矿石反应活性提高而钠在飞灰中的含量减少。     

Cu修饰的Fe2O3/Al2O3氧载体的循环反应稳定性研究

采用冷冻干燥法制备了经Cu修饰（10%）的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体。利用热重分析仪分别在850、900和950 ℃等温环境下,使氧载体交替接触还原气体和氧化气体,来模拟氧载体在化学链燃烧中的循环过程。结果表明,经Cu修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体在850和900 ℃下的等温循环过程中反应性能都很稳定,在950 ℃时的循环反应前期有微量烧结,但在循环后期反应性能也很稳定。随着反应温度的升高,氧载体氧化速率增大,还原速率和载氧率先减小后增大。与未经修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体相比较,在900 ℃下作等温循环实验,经Cu修饰的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体具有较高的载氧能力和还原速率,但氧化速率较低;两者都具有较好的循环稳定性。     

提纯烟气脱硫渣载氧体煤化学链燃烧性能研究

基于电厂烟气脱硫渣，采用多步酸洗工艺加以提纯并制备获得CaSO₄载氧体。在高温固定床反应器上研究了还原反应温度、载氧体过量系数Φ、多次还原氧化循环等因素对提纯脱硫渣载氧体与煤化学链燃烧特性和气相硫演化规律的影响。结果表明，提纯脱硫渣载氧体有较高的反应活性，能够促进煤的充分转化；综合考虑碳的转化以及气相硫释放的抑制，最优反应工况中还原反应温度确定为900℃、载氧体过量系数Φ=1.0为最佳。经过五次还原氧化循环实验发现，随着循环次数的增加，CaSO₄副反应的进行及气相硫的不断释放，导致提纯脱硫渣载氧体循环反应活性略有降低，反应稳定性受到了一定的影响。     

K_xFe_yO_z对煤化学链催化燃烧性能影响研究

以廉价的钙铝水泥作为载氧体制备过程的载体,并以机械混合-挤压成型造粒法制备了基于Fe2O3为载氧体活性相、钙铝水泥为载体的新型载氧体。在单流化床反应器上研究了钙铝水泥添加比例以及钾添加剂对合成载氧体的化学链燃烧性能的影响。研究结果表明,合成载氧体中载体以Ca2Al2SiO7形式存在,钾的添加显著提高了煤气化反应速率以及煤转化速率,钾在稳定相中以K2Fe22O34存在。K2Fe22O34在煤化学链燃烧过程的催化性能体现在其作为储钾相与KFeO2相的形态转变过程中。     

天然铁矿石为氧载体的生物质化学链气化制合成气实验研究

在一个小型鼓泡流化床反应器上以Ar气为流化介质,对以天然铁矿石为氧载体的生物质化学链气化制合成气过程进行了研究。考察了反应温度对合成气组分、气体产率、碳转化率以及气化效率的影响,反应时间对合成气组分的影响;探讨了氧载体存在对生物质气化过程的影响。结果表明,天然铁矿石可以作为生物质化学链气化制合成气反应过程的氧载体,代替富氧空气或高温水蒸气作为生物质气化的气化剂;随着温度的升高,产物气体中CO、H₂的浓度逐渐增加,CO₂、CH₄浓度缓慢降低;随着反应时间的延长,合成气中H₂、CO、CH₄的相对浓度缓慢增加,而CO₂相对浓度逐渐降低;氧载体的存在能显著提高气体产率和碳的转化率及气化效率。扫描电镜-能谱(SEM-EDS)分析表明,当超过850 ℃时,铁矿石氧载体颗粒表面烧结现象明显,但反应前后,颗粒表面的成分及含量基本保持不变。     

碳酸钾催化的铁基氧载体煤催化化学链燃烧

研究了K₂CO₃催化剂及惰性担体对铁基氧载体煤化学链燃烧的影响.实验结果表明,K₂CO₃的添加可明显促进铁基氧载体与煤之间的反应速率,其原因可归结为从氧载体上迁移到煤颗粒上的K₂CO₃对煤-CO₂气化步骤的催化作用(该步骤为整个还原过程的速率控制步骤);由于K₂CO₃本身的促熔效果及加入K₂CO₃后导致的剧烈氧化还原反应,可以发现,K₂CO₃会增大铁基氧载体的烧结;不同惰性担体对铁基氧载体与煤的反应性影响不大,这是由于惰性担体对还原速控步没有影响;K₂CO₃在多循环化学链燃烧过程中依然可以保持一定的催化活性,另外由于催化剂的流失与失活,使得氧载体的反应活性有所下降.     

高镍负载量Ni/SiO2和低镍负载量Ni-Ce/SiO2催化CO甲烷化的比较研究

采用等体积浸渍法制备了高镍负载量的13%Ni/SiO₂(13Ni/Si)催化剂和低镍负载量的7%Ni-2%Ce/SiO₂(7Ni-2Ce/Si)催化剂.通过N₂物理吸附、XRD、FT-IR、TEM、H₂-TPR/TPD等技术对催化剂进行表征,在连续流动微反装置上考察了催化剂的CO甲烷化活性.结果表明,在7Ni-2Ce/Si催化剂中NiO、CeO₂和SiO₂之间产生的相互作用,改变了Ni-O-Si键的化学环境,促进了氧化镍物种的分散和还原,进而提高了催化剂的活性比表面积,同时在催化剂表面形成了新的中等强度的CO吸附中心.与高镍负载量的13Ni/Si催化剂相比,低镍负载量的7Ni-2Ce/Si表现出更高的CO吸附能力和甲烷化活性.常压下,在CO体积分数1%和空速7 000 h^-1的反应条件下,低镍负载量的7Ni-2Ce/Si催化剂上CO完全甲烷化最低温度为230 ℃,比高镍负载量的13Ni/Si低了30 ℃.     

Effective direct chemical looping coal combustion with bi-metallic Fe–Cu oxygen carriers studied using TG-MS techniques

This paper contains the results of research on a promising combustion technology known as chemical looping combustion (CLC). The noteworthy advantage of CLC is that a concentrated CO₂ stream can be obtained after water condensation without any energy penalty for CO₂ separation. The objective of this work was to prepare novel bi-metallic Fe–Cu oxygen carriers and to evaluate the performance of these carriers for the CLC process with hard coal/air. One-cycle CLC tests were conducted with supported Fe–Cu oxygen carriers in thermogravimetric analyzer (TG) utilizing hard coal as a fuel. The effects of the oxygen carrier chemical composition, particle size, and steam addition on the reaction rates were determined. The fractional reduction, fractional oxidation, and the reaction rates were calculated from the TG data. Notably, the support had a considerable effect on the reaction performance. Moreover, bi-metallic Fe–Cu oxygen carriers exhibited significantly improved reactivity compared with monometallic Fe oxygen carriers. Furthermore, the addition of a second reactive metal oxide stabilized the oxygen carrier structure. The oxidation reaction was significantly faster than the reduction reaction for all supported Fe–Cu oxygen carriers. The TG data indicated that these oxygen carriers had stable performances up to 900 °C and may be effectively used for direct coal CLC reactions.     

化学链技术及其在化石能源转化与二氧化碳捕集领域的应用

化学链是指将某一特定的化学反应通过化学介质的作用分多步反应完成的过程．这一概念早在20世纪初就曾被用于以水蒸气与铁反应制备氢气,并于20世纪中期被提出用于二氧化碳的商业化生产．然而,时至今日,尚无商业化的化学链工艺用于化石燃料的转化．在近年来全球气候变暖及能源危机的急迫形势下,化学链循环过程由于其具有可以将碳基燃料直接转化为可供封存的二氧化碳的独特能力而格外受到关注,人们因而加大了对化学链工艺的研究开发力度．现代化学链工艺逐步克服了早期工艺的缺点,并不断尝试开发以煤或者其他固体燃料作为直接进料的新工艺．现有的各种小试及中试装置操作结果及系统模拟分析表明,化学链循环工艺可以有效地降低二氧化碳分离能耗并提高化石能源转化效率,极具商业化潜力．本文主要介绍目前世界范围内现行的使用化石燃料作为原料的化学链循环工艺,重点总结对比了化学链燃烧和化学链气化两个过程的发展现状,并对化学链循环工艺工业化进程中的机遇和挑战进行了简要的讨论．     

PVC化学链燃烧过程中二噁英生成研究

制备了负载硅溶胶的CaSO₄载氧体,并对其与CH₄、CO和H₂的反应特性进行了研究表征。采用管式炉实验系统,对PVC在基于CaSO₄载氧体的化学链燃烧和空气燃烧两种方式下,二噁英的生成特性进行了实验研究。结果表明,负载了硅溶胶的CaSO₄载氧体与CH₄、CO和H₂反应均接近完全转化,其中,与CH₄和H₂的反应时间显著短于CO。采用化学链燃烧方式可有效抑制PVC燃烧过程二噁英的生成,其生成量和毒性当量分别由空气燃烧中的34 172.5 pg/g及732.8 pg(I-TEQ)/g降到化学链燃烧的2 270.9 pg/g及290.2 pg(I-TEQ)/g,这主要是因为化学链燃烧过程中燃料与O₂不直接接触,显著减少了大分子碳结构的氧化断裂以及HCl向Cl₂的转化,从而抑制了二噁英的低温从头合成反应和前驱物生成反应。     

Sewage sludge ash as an alternative low-cost oxygen carrier for chemical looping combustion

In this paper, novel low-cost oxygen carriers containing Fe₂O₃ are evaluated for use in chemical looping combustion. Sewage sludge ashes and reference samples were prepared and used in cyclic reduction and oxidation experiments in a thermogravimetric analyzer (TG). A gaseous (3 % H₂) fuel and a solid fuel (hard coal) were tested. Three-cycle CLC tests were carried out in the 600–800 °C temperature range and long-term testing was performed at 950 °C. A reactivity study showed that the natural sewage sludge ash sample was stable during the cycling TG tests when hydrogen was used as a fuel at all of the temperatures investigated. Strong temperature effects on the oxygen transport capacity were observed. An one-cycle test at 900 °C showed also that the sewage sludge ash successfully reacted with coal. The oxygen released was fully used for coal combustion, with appreciable reaction rate at temperature of ~750–800 °C, that is significantly lower than that obtained for pure Fe₂O₃-based oxygen carrier. The oxidation reaction was much faster than the reduction reaction. Moreover, the sewage sludge ash showed a low tendency toward agglomeration in the cyclic test, which was superior to the behavior of synthetic materials. The sewage sludge ash exhibited also high mechanical strength, an attrition index of 1 % and a high-temperature resistance of 1,170 °C in a reducing atmosphere. We conclude that sewage sludge ash can be effectively used as a low-cost, valuable oxygen carrier in practical application in chemical looping combustion technology for power generation.     

煤化学链燃烧Fe2O3载氧体的反应性研究

利用流化床反应器并以水蒸气作为气化-流化介质,研究了温度、反应时间、循环数对Fe₂O₃载氧体反应性的影响。实验表明,载氧体与煤气化产物的反应性随温度升高而增强,且温度越高,反应受化学反应控制时间越短。当温度高于900℃时,煤中碳转化为CO₂的比率大于90%,载氧体体现了很好的反应性,但反应温度低于850℃时,比率小于75%。反应温度900℃时,CO₂干基浓度随循环数而逐渐降低,CO、CH₄浓度增加,且CH₄浓度值大于CO。利用XRD、SEM分析了固体反应产物成分与微观形态结构。分析表明,Fe₂O₃的还原产物为Fe₃O₄,载氧体颗粒随循环数增加而逐渐烧结。     

基于水泥修饰的赤铁矿载氧体污泥化学链燃烧特性研究

采用水泥修饰赤铁矿来提高载氧体的反应活性。实验在1kW_th串行流化床上进行,研究了添加水泥对污泥化学链燃烧特性的影响,考察其长期运行的物化性能。结果表明,在实验工况下,赤铁矿添加水泥后,出口的未燃气体浓度明显下降。燃料反应器温度低于870℃时,水泥的添加使污泥的碳转化率和燃烧效率显著升高。在10h长期运行后,一部分污泥灰沉积在载氧体表面。虽然在反应过程中部分的Fe₂O₃被深度还原,但在长期运行中未出现流化问题和烧结现象。     

Perovskite ceramics and recent experimental progress in reactor design for chemical looping combustion application

Chemical looping combustion (CLC) is a novel method of carbon capture and sequestration. It facilitates CO₂ capture by lower energy penalties compared with other methods in this category. The major challenges encountered in CLC are oxygen carrier, reactor and fuel-type selection. A proper combination of these factors is required for an efficient CLC. There have been several studies with regard to oxygen carriers applicable to these processes: novel oxygen carriers, single perovskites and potential oxygen carriers, double perovskites, have been investigated for their oxygen capture and release properties in a number of studies. Different kinds of reactors have also been proposed for use in CLC processes. This paper presents information on the materials capable of oxygen storage and release and the different kinds of reactors investigated for CLC in different studies. It has been shown that, although there are several oxygen carriers and reactors with the desired function and efficiency for CLC, there remains the need for further improvement and optimisation in both areas. © 2014 Institute of Chemistry, Slovak Academy of Sciences     

不同金属化合物催化呼和浩特煤加氢气化实验研究

在加压固定床反应器上考察了K₂CO₃、Na₂CO₃、Ca(OH)₂、Ni(NO₃)₂催化剂对呼和浩特煤加氢气化反应的催化效果,并考察了温度对催化剂效果的影响。实验结果表明,不同种类的金属化合物对气化反应的催化效果有明显影响,催化活性依次为K> Na> Ni> Ca。与原煤气化相比,在相同时间内达到相同碳转化率时,碱金属化合物K₂CO₃的加入使原煤加氢气化的气化温度降低150℃以上,碱金属化合物Na₂CO₃降低约150℃,过渡金属化合物Ni(NO₃)₂降低50℃以上,碱土金属化合物Ca(OH)₂的加入会吸收一部分CO₂产品,表观上反而降低了碳转化率。SEM及BET表征结果表明,煤样负载不同金属化合物催化剂后表面形态及孔结构有一定差异。