化学链燃烧

2024-08-05|版权声明|我要投稿

化学链燃烧(精选4篇)

化学链燃烧 篇1

摘要:总结国内目前化学链燃烧技术的实验研究方法和应用于化学链燃烧和化学链氧解耦燃烧过程中氧载体的研究现状。发现化学链燃烧中以Ni基和Fe基氧载体为主, 今后的研究重点为提高铁矿石氧载体的反应性能;化学链氧解耦燃烧以Cu基氧载体为主, 目前还主要集中在人工合成的氧载体上。

关键词:化学链燃烧,氧载体,反应性,CO2

0 引言

自工业革命以来, 大量温室气体排放, 造成温室效应, 引起全球气候变暖。中国面临的CO2减排压力日益增加, 发展高效的CO2减排技术已刻不容缓。化学链燃烧技术是一种新型清洁高效的CO2减排技术, 相比于传统的CO2减排技术, 它可以大幅度降低CO2的捕集成本, 具有广阔的发展前景。

1 化学链燃烧原理

化学链燃烧 (CLC) 的概念是在1983年首次提出, 由于对温室气体的广泛关注促使化学链燃烧技术在20世纪90年代在国际上开始飞速发展, 进入21世纪后, 国内陆续有许多学者对其进行广泛研究。在燃料反应器中, 氧载体 (MexOy) 与燃料进行还原反应见式 (1) , 生成CO2和水蒸气及还原态氧载体, 通过冷凝分离, 很容易得到高纯度的CO2气体, 实现CO2的捕集, 降低捕集成本。然后, 还原态氧载体被送入到空气反应器, 与空气发生氧化反应见式 (2) , 再生成氧化态氧载体, 形成一次循环。

最初对化学链燃烧的研究集中在气体燃料上[1], 随后有学者将煤应用到化学链燃烧中, 发现氧载体与煤的反应速率很低, 于是提出了原位煤化学链燃烧技术 (i G-CLC) [2], 这种技术是通过通入气化介质 (通常为水蒸气或CO2) , 煤先与气化介质反应生成可燃气体, 再与氧载体发生氧化反应, 反应速率得到了一定的提升。在2009年提出了化学链氧解耦燃烧技术 (CLOU) [2], 这种技术是利用一种特殊的氧载体, 在燃料反应器中氧载体先发生分解反应生成O2和Me Ox-1, 然后O2再和煤发生燃烧反应, 反应速率得到很大提升。

2 化学链燃烧技术的实验研究方法

在对氧载体进行性能研究时, 一种广泛的方法为采用热重分析仪 (TGA) 进行研究[1]。在TGA反应器中, 通过通入不同气氛的气体, 得到氧载体颗粒的失重曲线和增重曲线, 以此初步评价氧载体的反应性能。实验后的样品, 可以通过扫描电镜 (SEM) 观测氧载体颗粒的表面形貌, 利用XRD鉴定物相深入评价氧载体的反应性能、循环稳定性能、抗烧结和抗团聚能力及表面孔隙结构等。

在CLC过程中, 由于燃料要与氧载体有良好的接触, 因此在研究氧载体材料时, 被广泛使用的是实验室级的小型流化床反应器[3], 该反应器主要由炉体、温度压力控制器、气氛控制单元及气体分析单元等组成。该反应器除了可以评价氧载体的化学性能之外, 还可以检验氧载体的各项物理性能 (流化能力、坑磨损和抗破碎能力等) 。

之前两种研究方法氧载体无法在反应器内自行循环, 只能靠外部切换气体进行氧化还原循环反应。因此, 由Lyngfelt等[2]首次设计了双连通循环流化床的化学链燃烧系统, 并搭建了世界上第一台连续运行的10 k W级化学链燃烧系统。这种反应器可以实现燃料与氧载体的良好接触, 并且氧载体可以在空气反应器和燃料反应器之间循环良好, 通过在线检测反应器出口气体产物的组分及浓度, 分析氧载体的反应活性和系统的可靠及稳定性, 同时利用压力及温度在线检测, 可以判断反应的流化状态和吸放热性能。近年来, 东南大学沈来宏等[4]和华中科技大学赵海波等[5]也相继成功搭建了不同量级的串行流化床台架, 并且都成功进行了连续运行的热态试验。

3 氧载体研究进展

在CLC中, 高性能氧载体是试验成功的必备条件, 也是一直以来国内各研究机构所研究的重点。目前, 主流氧载体一般是由金属氧化物和惰性载体组成, 金属氧化物是真正参与传递氧的物质, 而惰性载体是用来承载金属氧化物并提高其物理化学性能的物质。研究较多的金属氧化物有Ni O、Cu O、Fe2O3、Co3O4和M2O3等, 加入的惰性载体研究较多的有Al2O3、Si O2、Ti O2、Zr O2和Cu Al2O4等。评价氧载体的性能指标一般包括:与燃料的反应性能、载氧率、循环能力、机械强度、抗烧结能力、价格和环保性能等。

3.1 CLC过程中的氧载体

最开始CLC样载体的研究主要以人工制备的Ni基和Fe基为主, 制备方法主要有机械混合法、分散法、浸渍法、喷雾干燥法、冷冻成粒法和溶胶凝胶法等。在国内, 早期研究较多的是Ni基氧载体, 赵海波等[1]利用溶胶凝胶法制备出Ni O/Ni Al2O4氧载体, 性能表现良好。然而, Ni基氧载体具有成本较高和污染环境等诸多缺点, 并不是CLC过程中氧载体的最佳选择。

为了寻找更为合适的氧载体, Fe基氧载体得到了越来越多的研究。高正平等[6]就采用机械混合法制备出一种Fe基氧载体, 以水蒸气为气化介质在小型流化床反应器上研究了其与煤的反应性能, 得到了积极的结果。然而, 这种人工合成的Fe基氧载体大多用纯的化学试剂制备, 价格较高。因此, 价格便宜的天然铁矿石逐渐被研究用来当作氧载体, 但是由于含量不均和含有杂质, 导致其反应性能不如化学药品制备的氧载体, 具有循环稳定性能较差、氧载体颗粒在多次循环以后机械强度变小等缺点。因此, 提高铁矿石的反应性能成为发展铁矿石氧载体的关键。目前, 常用的方法为向铁矿石中添加碱金属、碱土金属氧化物或过渡金属氧化物等, 使得煤在燃料反应器中的气化过程得到催化, 从而提高煤的气化速率, 使整体反应速率得到提高。从沈来宏等[7]发表的研究结果来看, 在铁矿石中添加少量Ni O/Al2O3氧载体、草木灰或水泥等能有效改善其反应活性, 提高系统CO2捕集率。杨伟进等[8]研究了添加过渡金属Cu修饰铁矿石与煤的反应性能, 发现该氧载体具有很好的反应稳定性。

3.2 CLOU过程中的氧载体

由于CLOU技术提出较晚, 国内关于氧载体的研究还不是很多, 主要集中在Cu基氧载体上, Mn基和Co基也略有研究。首先介绍一下Mn基和Co基氧载体的研究现状, 文园园等[9]在TGA上研究了Co基氧载体的动力学特性, 得到氧平衡分压随温度的变化关系。由于Co基氧载体成本较高且具有毒性, 不适合用于CLOU过程, 随后对其研究变得很少。梅道锋等[3]在流化床反应器中CO2气氛下研究了不同温度下Mn基氧载体释氧特性, 分析得到了各氧载体的释氧动力学机理函数、活化能及指前因子等重要参数。然而, 纯Mn基氧载体具有吸氧困难的热力学限制, 国内关于克服这个缺陷的研究较少。

Cu基氧载体应用于CLOU过程中有诸多优点:

a) 较高的CLOU反应性能;

b) 较高的载氧率;

c) 合适的氧平衡分压及没有热力学限制;

d) 价格方面相对Co基氧载体要优越。梅道峰等[10]在小型流化床上分别对人工合成Cu O/Cu Al2O4氧载体的吸氧释氧性能、与三种典型煤的CLOU反应性能进行了系统的研究, 发现反应速率迅速, 体现了CLOU的优越性。虽然人工制备的氧载体具有可控的化学组成和物理结构、良好和稳定的反应性能等优点, 但是由于其价格较贵、制备周期长及制备量小等缺点, 不适合用于大型的CLOU系统。天然铜矿石具有价廉物广、经济性优越等优点, 符合大量应用于CLOU系统的需要, 但是同时由于其复杂的组成成分、含有杂质等特征, 可能对其物理及化学性能造成影响, 尤其要关注铜矿石是否出现烧结现象。赵海波等[11]在小型流化床上研究了铜矿石的吸氧释氧性能及其与煤的CLOU反应性能, 发现在900℃时反应性能良好, 且只有轻微烧结现象, 具有适用于CLOU过程的潜力。

4 结语

目前, 国内关于化学链燃烧技术的研究还处于初步阶段, 需要在如下方面进行更为深入的研究:a) 搭建更大量级的串行流化床试验台架, 为以后在工业上应用提供试验经验和指导;b) 寻找更为良好的改性方法, 是铁矿石作为氧载体应用于化学链燃烧的关键;c) 铜矿石氧载体相比于合成的Cu基氧载体, 性能有所下降, 并且特别容易烧结, 这是铜矿石进一步应用于CLOU过程亟待解决的关键问题, 需要重点研究。

参考文献

[1]赵海波, 刘黎明, 徐迪, 等.气体燃料化学链燃烧技术中的溶胶凝胶Ni基氧载体研究[J].燃料化学学报, 2008, 36 (3) :261-266.

[2]Adanez, J., Abad, A., Garcia-Labiano, F., et al.Progress in Chemical-Looping Combustion and Reforming Technologies[J].Progress in Energy and Combustion Science, 2012, 38 (2) :215-282.

[3]梅道锋, 赵海波, 马兆军, 等.Cu/Co/Mn基氧载体释氧动力学及机理研究[J].燃料化学学报, 2013, 41 (2) :235-242.

[4]顾海明, 沈来宏, 吴家桦, 等.基于赤铁矿载氧体的煤化学链燃烧试验[J].化工学报, 2011, 62 (1) :179-185.

[5]马琎晨, 赵海波, 田鑫, 等.CH4化学链燃烧串行流化床连续实验研究[J].燃烧科学与技术, 2015 (6) :530-536.

[6]高正平, 沈来宏, 肖军, 等.基于Fe2O3载氧体的煤化学链燃烧试验[J].工程热物理学报, 2009, 30 (7) :1249-1252.

[7]牛欣, 沈来宏, 肖军, 等.基于水泥修饰的赤铁矿载氧体污泥化学链燃烧特性研究[J].燃料化学学报, 2015 (11) :1402-1408.

[8]杨伟进, 王坤, 赵海波, 等.过渡金属修饰Fe2O3/Al2O3氧载体的Redox性能研究[J].燃料化学学报, 2015 (5) :635-640.

[9]文圆圆, 李振山, 张腾, 等.钴基载氧剂制取O2-CO2混合气体的流化床实验[J].工程热物理学报, 2010 (3) :527-530.

[10]梅道锋, 赵海波, 马兆军, 等.铜基氧载体化学链氧解耦的流化床实验研究[J].燃烧科学与技术, 2013, 19 (1) :15-20.

[11]方彦飞, 赵海波, 梅道锋, 等.铜矿石吸氧释氧及化学链氧解耦燃烧反应研究[J].工程热物理学报, 2014 (9) :1865-1869.

化学链燃烧 篇2

1.甲烷的存在与用途

(1)甲烷的存在

甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。我国的天然气主要分布在中西部地区及海底。

(2)甲烷的主要用途

以甲烷为主要成分的天然气和沼气都是理想的清洁能源。甲烷还可用作化工原料。

归纳总结:

甲烷分子空间构型为正四面体形,碳原子位于中心,4个氢原子位于顶点,4个C—H键的

思维启迪

一个碳原子以4个单键与其他原子相结合时:

①如果这4个原子相同,则分别在四面体的顶点上,构成正四面体。

②如果这4个原子不相同,则分别在四面体的顶点上,但不是正四面体。

③无论这4个原子是否相同,都不可能在同一平面上,并且最多有3个原子共面。

二、甲烷的性质

1.甲烷的物理性质

甲烷是无色无味、极难溶于水、密度比空气小的气体。

2.甲烷的化学性质

(1)具有稳定性

通常情况下,甲烷性质比较稳定,与强酸、强碱不反应,与高锰酸钾溶液等强氧化剂也不反应。

(2)氧化反应——可燃性

将甲烷在空气中点燃,观察燃烧现象并检验燃烧产物。

三、甲烷燃烧的化学方程式:

甲烷燃烧因为区分完全燃烧和不完全燃烧两种情况。

CH4+2O2=CO2+2H2O(完全燃烧生成CO2和水)

2CH4+3O2=2CO+4H2O(不完全燃烧时生成CO和水)

拓展资料

甲烷,化学式CH4,是最简单的烃,由一个碳和四个氢原子通过sp3杂化的方式组成。

正四面体结构,四个键的键长相同键角相等。在标准状态下甲烷是一无色无味气体。一些有机物在缺氧情况下分解时所产生的沼气其实就是甲烷。

化学链燃烧 篇3

一、化学链燃烧过程中的铁基载氧体的特性研究

1. 化学链燃烧过程中铁基载氧体概述。

化学链燃烧过程中铁基载氧体评价指标主要有:与空气反应、燃料反应的机械强度、经济性、反应活性、抗烧结、环境友好、载氧能力、抗团聚能力、热稳定性、流化性能以及持续循环能力等。目前, 载氧体的研究普遍是金属氧化物, 而这些金属氧化物的耐高温优点和反应速率高的优点并不是所有都具有, 所以, 我们通过其他化合物与载氧体的混合, 来对载氧体进行使用寿命、抗烧结能力、反应特性的提高, 而这些混合物不参与到化学链燃烧中, 只是作为一种惰性载体。铁基载氧体具有无二次污染、容易得到、原料便宜的优点。文章通过一个小型流化床来进行铁基载氧体的分析, 设备有称量天平、超纯水装置、马弗炉、真空干燥箱、精密定时电动搅拌机、循环水式真空泵、数控超声波清洗器。

2. 化学链燃烧过程中铁基载氧体的研究方法。

化学链燃烧过程中铁基载氧体的研究方法是:首先设定一个具有压力范围和一定温度的环境, 并要求载氧体可以持续循环能力、化学反应速率比较快;然后使用热重分析来进行, 同时测出载氧体在不同气氛下的颗粒拥有增重速率和失重速率, 进行载氧体反应性的评价, 最后, 使用XRD来进行固态反应产物的检测, 载氧体进行热力学结果的对比、分析, 从而把参与化学反应的氧载体推测出来, 当载氧体开始重复循环反应时, 使用TGA来进行循环次数与载氧体质量变化的测量, 并开始进行持续循环能力的载氧体评价, 使用SEM来进行颗粒表面形态变化氧载体的观测, 与XRD相结合组成其他物相进行鉴定, 全面进行氧载体孔缝结构、反应活性、抗团聚能力、抗烧结能力以及持续循环能力的评价。

3. 化学链燃烧过程中铁基载氧体的化学活性。

在化学链燃烧过程中铁基载氧体的化学活性是非常重要的, 它体现在氧化还原以及转化率的反应速率中。通过Fe2O3铁来进行分析, 转化率的计算为氧化铁瞬时质量减去还原为彻底单铁的质量除以氧化质量减去还原为彻底单铁的质量之差, 如图1所示。制备方法、积碳、反应温度以及氧化还原次数与载氧体反应活性有关, 所以采用流化床实验台和TGA来进行积碳、循环次数、温度与载氧体活性反应关系的研究。

二、化学链燃烧过程中的CO反应的特性研究

化学链燃烧过程中, CO反应的特性通过MS模拟计算机软件来进行研究, 把载氧体活性分组用Fe2O3来代替, 可以把CO高效的进行Fe2O3氧化, 其中氧化的CO对Fe2O3铁和CO的反映起到关键性作用, 在反应过程中还会出现CO2。当Fe2O3温度平稳, 而CO温度不等时, 可以看出CO等温线吸附形式相当于朗缪尔方式, 吸附物成分中总和的逸散能就是总逸散能, 在理想气体的条件下与压力等价, CO在开始时吸附能力随着压力的升高而变得先急剧升高, 再开始大幅度下降, 在平衡能力范围内随着温度的升高而变得开始下降, 此时CO的吸附能力显示的是放热。当CO在大气压下, 且温度分别在473K和273K中, Fe2O3表面的CO很快达到了吸附平衡, 温度在273K的时候出现吸附能力最大化。在化学链燃烧过程的前提下, 载氧体还原、O-Fe逐渐断裂、一氧化碳氧化过程三者息息相关。CO的氧化过程是, 进行Fe2O3团簇向O-Fe断裂转变的计算势能曲线, Fe2O3团簇顶点位置的铁与CO进行优化吸附体制, CO在顶位的铁中氧化比较活跃。当周围显示中间态和初始态时, 电荷的转移由团簇铁原子向CO进行, 并且电荷在铁原子和一氧化碳原子之间进行转移时显示出具有方向性。当电荷由铁原子上面富集到碳原子上面的时候, O-Fe开始破裂, 这时团簇上面的CO分子与氧原子开始进行相互作用的发生, 团簇中的氧原子和碳原子都在电荷密度过渡态中呈现出减少的趋势。

CO2的减排已经成为全球能源策略中最为重要的一部分, 而我国CO2减排需要解决的是氮气把CO2在燃烧产物中给稀释, 石油燃烧中拥有巨大CO2量, 传统的CO2分离法存在急速降低动力系统效率以及消耗能源大的缺点, 而化学链燃烧技术的出现, 改变了火焰燃烧的传统, 使空气不直接与燃料进行解除, 形成了无火焰反应, 真正意义上实现了CO2减排。

摘要:随着我国技术化和科技化的飞速发展, 各种科技产品应运而生, 然而使用这些产品的后果就是温室效应、全球变暖, 为了有效缓解环境问题, 化学链燃烧技术已经成为全球研究的热点、关注的热点。本文利用热重分析仪等设计了一个小型流化床, 对铁基载氧体以及CO反应进行了研究

关键词:CO反应,铁基载氧体,反应特性,化学链燃烧

参考文献

[1]玄伟伟, 张建胜.化学链燃烧铁基载氧体还原反应积炭趋势[J].中国电力, 2012, (10) :104—109.

[2]晏水平, 方梦祥, 张卫风.烟气中CO2化学吸收法脱除技术分析与进展[J].化工进展, 2009, (12) :118—124.

[3]李振, 韩海绵, 蔡宁生.化学链燃烧的研究现状及进展[J].动力工程, 2011, (16) :238—243.

[4]王旭华, 钱家盛, 章于川.有序二氧化硅介孔固体材料制备的研究进展[J].过程工程学报, 2008, (4) :38—43.

co燃烧的化学方程式 篇4

C燃烧:(空气中)持续红热,无烟、无焰(氧气中) 剧烈燃烧,发出白光,放出热量,生成一种无色气体。

CO燃烧:一氧化碳燃烧产生蓝色火焰生,,生成能使澄清的石灰水变浑浊的气体

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