第2期 李广龙:化学链燃烧技术中载氧体的研究概述 ・61・ 化学链燃烧技术中载氧体的研究概述 季产龙 (青岛科技大学化工学院,山东青岛266042) 摘要:化学链燃烧技术是一种新的高效、洁净燃烧技术。燃烧过程中可以有效控制甚至消除大气污染物NOx的排放,且不需要额 外消耗能量既可以实现CO2的高浓度捕集。载氧体的性能是该技术发展应用的关键。文章介绍了化学链燃烧的机理,系统总结 了载氧体的选材、制备方法、实验研究方法和性能研究情况。最后,对载氧体实际应用发展前景做了展望。 关键词:化学链燃烧;载氧体;CO2捕集 中图分类号:TK16 文献标识码:A 文章编号:1008—021X(2013)02—0061—04 A Review on Oxygen Carriers of Chemical--looping Combustion Tchnology L/Guanglong (School of Chemical Engineeirng,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China) Abstract:Chemical—looping combustion is a new clean combustion technology with high eficifent.It can control even removal atmospheric contaminants NOx and capture high concentration carbon dioxide without additional energy consumption.The performance of oxygen carriers is the key to its development and application.The mechanism of chemical—looping combustion were Introduced.The oxygen carrier materils,praeparation methods,experimental research methods and performance research were systematically summarized.At last,the practical application and development of oxygen carriers are put forward. Key words:chemical—looping combustion;oxygen carriers;carbon dioxide capture 近年来,温室效应所产生的危害被人们所熟知, 温室效应成为人们广泛议论的话题。二氧化碳是主 要温室气体之一,对温室效应的贡献最大,而且在大 烧过程借助于循环载氧体来提供燃烧所需的氧原 子,不直接与空气中的氧分子反应,将传统的一级燃 烧反应分为两级反应来进行,降低燃烧过程产生的 不可逆熵,提高能量利用效率。同时,由于分级反应 气中含量最高,因此二氧化碳的减排成为控制温室 效应的关键。在我国,煤炭提供了约70%的能源, 以化石燃料为主要能源的火电厂占我国CO:排放总 量的30%左右。化石燃料对世界上几乎所有国家 的温度远低于传统燃烧温度,可以有效地控制甚至 消除NOx的生成。化学链燃烧可以方便的进行 CO:分离;离开燃烧系统的尾气主要是CO:和H:0 都是重要的能源,而目前没有任何能源可以取代其 主导地位。为此人们通过各种方式对由化石能源燃 混合气,不需消耗额外能量,经过物理冷凝既可以分 离得到高纯度的CO 。 图1为化学链燃烧原理示意图。燃料进入燃料 反应器,与反应器内的载氧体(金属氧化物)发生式 (1)还原反应;还原后的MexO 一 被转移到空气反应 器中并发生式(2)氧化反应: + 2()十nCO2+ (I) 烧释放的CO 进行捕集、封存。化学链燃烧技术正 是能够满足现实需求的新型洁净燃烧技术。 1化学链燃烧 化学链燃烧(Chemical—Looping Combustion,简 称CLC),是将载氧体作为氧原子和热量的载体,燃 (217+re)Me一0+ H =(2n+m)Me, 0l收稿日期:2013—01—21 作者简介:李广龙(1985一),山东苍山人,硕士研究生,研究方向为化学链燃烧。 -62・ 山东化工 SHAND0NG CHEMICAL INDUSTRY 2013年第42卷 (2) 如同分散法制得的制备载氧体的原料粉碎、加水成 为浆状物,然后利用喷雾干燥器将上述浆状物干燥 后煅烧,即可制得载氧体。冷冻成粒法制备载氧体 时,利用球磨机制得金属氧化物、惰性载体、分散剂 与水的浆状物,通过喷嘴使雾化后的浆状物进入液 氮而得到冻结的球状粒子,利用冷冻干燥法除去水 分,然后利用热解法除去粒子中的有机物,经过煅烧 之后,筛分得到适宜粒径的载氧体。溶胶一凝胶法 可制得精细、均匀的粉末,但由于所用到的金属醇盐 图1 化学链燃烧原理示意图 Fig.1 Chemical—Looping Combustion mechanism 一般很昂贵,工业应用前景有限,在此不做具体介 绍。就实际应用来说,机械混合法、冷冻成粒法和浸 2载氧体的选材和制备方法 渍法是制备载氧体最常用的3种方法。在机械混合 法和冷冻成粒法中,分别加入石墨、淀粉作为添加 剂,在高温煅烧时燃烧形成气孔,可增加载氧体的多 2.1载氧体的选材 载氧体主要是将活性组分负载于惰性载体构 成。在CLC工艺中,优势载氧体应具备以下条件, 耐高温,机械强度高,再生性强,活性好,氧传输能力 强,磨损率低,抗烧结和抗团聚能力好,颗粒尺度分 布适宜、内部孔隙结构大,价格便宜等。活性组分是 载氧体性能优劣的关键,一般以金属氧化物为材料, 主要包括Ni、Fe、Mn、Cu、Co和Cd的氧化物;惰性载 体为活性组分提供支撑,能提高载氧体的孑L隙率、比 表面积和机械强度,使纯金属氧化物不易烧结和破 碎,提高载氧体的热稳定性,主要有SiO:、A1:0 TiO 、ZrO 、MgO、钇稳定氧化锆(YSZ)、海泡石、高 岭土、膨润土和六价铝酸盐。目前,除金属载氧体以 外,非金属载氧体选择性也较多,主要有CaSO BaSO4、SrSO4等硫酸盐载氧体。 2.2载氧体的制备方法 目前文献¨-3]中研究较多的载氧备方法有 机械混合法、冷冻成粒法、浸渍法、分散法等。机械 孔性和比表面积,以此来改善载氧体的反应性。 另外,由于各种金属的优缺点不同,一些研究人 员将几种金属氧化物以一定比例混合或直接负载于 硫酸盐载氧体以期得到综合性能更好的复合型载氧 体。Jin等 通过将NiO和CoO两种活性组分混合 得到的(NiO+CoO)/YSZ复合载氧体,兼备了两种 活性组分的特性,再生能力强,保持了很高的氧 化率和还原率,完全避免了积碳;郭庆杰等 发现 浸渍有微量Fe:0,和NiO的CaSO 复合型载氧体同 气体、固体燃料的反应速率加快,反应时间大大缩 短。 3载氧体的实验研究方法 为了明确化学链燃烧的机理并开发出稳定适用 的金属载氧体,国内外的研究者和科研机构开发设 计了许多试验工艺和反应装置 .7J。利用热重分 析仪(TGA)测试不同气氛下载氧体的反应性能。 基于最大失重速率处测得的反应温度和化学热力学 分析结果,确定载氧体的最佳反应温度;基于TGA 中颗粒质量随循环(循环地处于还原气氛和氧化气 }昆合法制作工艺相对简单,制备载氧体时,将适宜粒 径的金属氧化物、惰性载体,以一定的浓度混合、粉 碎,加水制得适当黏度的糊状物,然后成型,置于适 宜温度中干燥,之后于马弗炉中高温煅烧,并通过筛 分获得需要粒径的载氧体。浸渍法是将惰性载体加 入用金属氧化物的盐(如Cu(NO ):)溶于溶剂 (如H:0)得到的饱和溶液中,再除去溶剂,置于一 氛)次数的变化,评价该载氧体的持续循环能力;载 氧体增/失重速率快,说明反应性好。还可以利用固 定床反应器和流化床反应器进行试验。固定床反应 器内进行的是间歇反应,载氧体与燃料气还原反应 定温度中煅烧使盐分解,即可得到载氧体(通 过多次浸渍可增大活性组分的加载量)。分散法制 定比例溶于水中并搅拌一段时间后,在不同的温度 梯度下分阶段干燥,最后通过煅烧得到制备载氧体 的原料,将上述原料按机械混合法相同的程序处理 后即可得到载氧体。喷雾干燥法制备载氧体时,将 结束以后,通入一定时间氮气扫除反应器内残余燃 料气,然后向反应器内通人空气(或氧气),与载氧 备载氧体时将金属氧化物和惰性载体的盐按一 体进行氧化反应,之后再向反应器内通入一定时间 的氮气扫除残余空气(或氧气),然后再次通入燃料 气与载氧体进行反应,依此顺序循环,对载氧体性能 进行测试。相较于TGA和固定床反应器,在流化床 反应器中进行的试验可以检验载氧体在流化过程中 第2期 李广龙:化学链燃烧技术中载氧体的研究概述 ・63・ 的各种物理性能(流化能力、抗磨损和抗破碎能力 等)和化学性能。利用红外分析仪测定气态产物成 的增加而快速降低,循环3次后的氧化率已变得极 低。 分,利用x射线衍射仪(XRD)鉴定剩余固态产物成 分,利用扫描电镜(SEM)观测载氧体颗粒反应前后 的表面形貌变化。根据载氧体颗粒表面形貌和成分 变化,以及对气体产物浓度和组成的分析,结合对载 氧体氧化还原反应时的热力学分析,得出其详细的 4.3铁系载氧体 Ishida等 2 对Fe O,/YSZ载氧体的研究表明其 氧化反应只在颗粒表面进行,反应速率和转化率均 较低。Zafar等 对Fe2O3/SiO2载氧体在900℃温 度下进行循环测试,载氧体发生钝化作用,可能是 化学反应动力学和载氧体的反应活性与物理性能。 4各系载氧体性能 目前应用的载氧体主要集中在金属系载氧体和 非金属系类载氧体,金属系类可分为镍系载氧体、铜 系载氧体和铁系载氧体,非金属系载氧体主要为硫 酸盐类载氧体。 4.1镍系载氧体 Ishida等 研究了NiO/YSZ和NiO/NiA12O4 载氧体(质量分数为60%的NiO 质量分数为40% 的NiA12O4)。NiO/YSZ载氧体经氧化温度1000℃ 的流化床循环测试表明,载氧体的化学特性和机械 强度都很好;NiO/NiA1 O 载氧体在1200℃发现其 机械强度高,没有出现结块现象,适用于化学链燃烧 工艺。Son等 将NiO负载于膨润土、TiO2上制备 得到载氧体,并对其还原性和燃烧效率进行了对比 研究。结果表明,且随着温度的升高和NiO负载量 的增加,载氧体的反应性升高;以O 和CH 为氧化 还原剂,在650℃一950℃下,NiO/膨润土的反应性 要高于NiO/TiO2的反应性。Corbella等 对NiO/ TiO:载氧体在流化床上,以CH 为还原剂,进行的 循环测试研究,也表明TiO 作为NiO的惰性载体的 效果并不好。Zafar等¨ 对NiO/SiO 载氧体多次循 环测试后发现,在800℃条件下反应性能尚可,在 950 ̄C时,载氧体多次循环后发生钝化作用,其活性 降低可能是由于结块,也可能是由于硅酸盐的生 成。 4.2铜系载氧体 Chuang等-】列对CuO/A1 O3载氧体研究发现其 具有很好的机械性能和抗磨损能力。Corbella等¨ 对CuO/TiO 载氧体研究表明,虽然Cu含量增加导 致与燃料易亲和的铜氧化物浓度降低,但其氧化还 原反应主要由内在的化学反应和气体在灰层的扩散 反应控制,即便有较高的铜含量,载氧体也显示出高 反应性。在反应温度900℃,循环第2O次,CH 的 氧化率接近100%,产物CO 的选择性也维持在 95%以上。Diego等¨ 对CuO/SiO2、CuO/TiO2和 CuO/A1:O。载氧体的研究发现,氧化率随循环次数 由于Fe和Si生成了不可逆的金属硅酸盐,故认为 Fe:O。/SiO2不适宜做载氧体。Abad等¨钊在双连通 循环流化床内对Fe:O。/A1:O。载氧体的性能进行了 测试,以合成气或天然气作为燃料,运行60h后,无 烧结和碳沉积现象,也未发现颗粒有明显的质量损 失。此外,Fe:O,/A1 O,的反应性和颗粒机械强度 受运行时间的影响不明显,这说明Fe:O /A1:O,具 有持久的活性和较强抗磨损能力。Cho等 对 Fe O,/A1:O3载氧体研究发现,Fe O3形成FeO到限 制,基本上完全还原为Fe3O ;但Fe2O3/Mg—ZrO2 载氧体在经过氧化阶段之后,Fe。O 明显地还原为 FeO,具有很好的氧化还原性能。 4.4非金属系载氧体 郑瑛等Ⅲ 以CaSO 作为载氧体,与CH 组成 系统的热力学性能进行了初步研究。研究结果表 明,在适当的温度范围内,CaSO 还原的直接产物是 CaS,而不是CaO和SO ;CaS氧化的直接产物为 CaSO4,也不是CaO和SO2。因此,CaSO4可以作为 化学链燃烧的载氧体,而且不会生成大量SO 。Q. Song等 在固定床中对CaSO 载氧体进行了研究, 发现在反应前100min其对CH 为燃料的转化率接 近100%,反应过程产生少量SO:;在反应后期,CaS 影响了CH 与CaSO 的接触,致使还原反应速率降 低;加入一定量SiO:有助于抑制载氧体的烧结。 CaSO 、BaSO 和SrSO 载氧量都很高,单位摩尔质 量的载氧能力是NiO的4倍。但BaSO 和SrSO 载 氧体高温易烧结。 5结语 载氧体的性能直接影响着化学链工艺的整体效 能。各系载氧体都有其优缺点,比如,铜系载氧体活 性高但高温易烧结,铁系载氧体活性相对低一些但 廉价易得,CaSO 载氧体载氧量高但高温分解出 SO 有害气体。为了加快化学链燃烧工艺的大规模 工业应用,可努力寻找性能更佳的载氧体材料或者 对现有载氧体进行改性,探讨研究制备方法和实验 研究工艺简单、经济且综合性能优良的载氧体;发展 固一固燃烧系统理论模型,研究固体燃料与载氧体 ・64・ 山东化工 SHAND0NG CHEMICAL INDUS IRY 2013年第42卷 之问多相复杂体系中的反应机理。就中国燃料结构 来看,应着重研究适于煤气化燃烧的载氧体。 [11]Corbella B M,Diego L D,Garcla F,et al,Charaeteriza- tion and performancein amuhicyeletestin afixed bed re- actor of silica supported copper oxide as oxygen carrier for 参考文献 [1]Diego L,Garca—Labiano F,A drnez J,et a1.Develop— ment of Cu-—based Oxygen Carriers for Chemical——looping chemical—looping combustion of methane[J].Energy Fu— els,2006,20(1):148—154. Combustion[J].Fuel,2004,83(13):1749—1757. 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