基於修飾鐵礦石載氧體的煤催化燃燒

《基於修飾鐵礦石載氧體的煤催化燃燒》是依託東南大學，由沈來宏擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於修飾鐵礦石載氧體的煤催化燃燒
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：沈來宏
• 依託單位：東南大學

中文摘要

煤化學鏈燃燒是一個基於零排放理念的先進發展方向，具有很好套用前景的燃燒方式。在煤化學鏈燃燒過程中，與載氧體的還原反應相比，煤氣化反應速率緩慢，導致CO2捕集效率差；因此，燃料反應器內煤氣化和載氧體還原反應之間的調控與耦合成為煤化學鏈燃燒的技術關鍵之一。鐵礦石儲量豐富、價格低廉，使得它極有可能取代人工製備的載氧體，成為未來煤化學鏈燃燒的主流載氧體，研究開發鐵礦石載氧體對煤化學鏈燃燒技術尤為重要。本項目直接對鐵礦石載氧體進行催化修飾，催化煤化學鏈燃燒過程中煤氣化反應速率，提高煤化學鏈燃燒過程中碳轉化率，實現煤炭高效利用。揭示在煤化學鏈催化燃燒過程中，催化劑不與以原子形式附著在煤顆粒條件下煤/煤焦催化氣化反應機理；獲得煤催化氣化產物與載氧體之間的耦合反應機理，載氧體細微通道內傳遞過程和化學反應機理、多相流動與多相複雜化學反應體系中質量、熱量和動量傳遞理論和相互作用規律，污染物協同控制機理。

結題摘要

煤化學鏈燃燒（CLC）是一種新型的燃燒方式，其通過不同品位能的梯級利用，具有比傳統燃燒方式更高的能源利用效率，而且將新型能源轉換與CO2富集、污染物脫除過程有機結合起來。鐵礦石儲量豐富、價格低廉，成為未來煤化學鏈燃燒的主流載氧體，研究開發鐵礦石載氧體對煤化學鏈燃燒技術尤為重要。但是，天然鐵礦石作為載氧體存在化學反應活性較低，載氧率較小等缺點，有必要對其進行提質處理。鹼金屬和鹼土金屬（Na、K、Ca）和過渡金屬（Fe、Co、Ni）是煤催化氣化的催化劑。因此，本項目以廉價鐵礦石為載氧體，採用修飾鐵礦石的方法提高鐵礦石載氧體對應的煤氣化反應速率，以打破基於鐵礦石載氧體化學鏈燃燒系統的整體效率偏低的瓶頸。基於鐵礦石修飾的煤化學鏈催化燃燒包含兩個方法，其一：通過向基於鐵礦石載氧體的煤化學鏈燃燒過程中機械混合含有催化活性的催化劑，如：Ni基催化劑，石灰石，CaO等；其二：將含有催化活性的鹼金屬，鹼土金屬等負載於鐵礦石表面，在此過程中，煤催化氣化反應催化劑修飾的載體由傳統的煤轉變為鐵礦石，負載催化活性的鐵礦石參與化學鏈燃燒過程。鑒於CaO是良好的煤氣化催化劑和脫硫劑，添加CaO對鐵礦石進行修飾，並利用小型流化床反應器以及1 kWth串列流化床反應器進行了煤化學鏈燃燒試驗。與鐵礦石相比，採用水泥/CaO-鐵礦石能有效提高燃料反應器中的碳轉化率及煤氣化產物向CO2和H2O的轉化率，且在高溫運行過程中，載氧體顆粒表面沒有發生燒結現象。將含K和Na等鹼金屬通過浸漬的方法負載與鐵礦石表面，利用流化床反應器進行煤化學鏈燃燒實驗。與鐵礦石相比，採用K和Na修飾鐵礦石均能有效提高可燃氣體的轉化率，但在高溫（高於950℃）情況下，Na修飾鐵礦石會產生燒結現象。總之，採用鹼金屬和鹼土金屬（K、Na、Ca）對鐵礦石進行修飾，可顯著提高載氧體的反應活性。