【摘要】：化學(xué)鏈制氫是一種耦合CO_2捕集的高效制氫技術(shù),鐵基載氧體常應(yīng)用于化學(xué)鏈制氫技術(shù)。赤鐵礦的反應(yīng)活性低且易發(fā)生析碳導(dǎo)致氫氣純度低,本文通過浸漬法添加銅修飾鐵礦石,提高反應(yīng)活性和制氫純度.實驗在小型流化床上進(jìn)行,考察了850℃下化學(xué)鏈制氫過程中銅修飾對載氧體的反應(yīng)活性、制氫性能、循環(huán)反應(yīng)性質(zhì)和析碳現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明,與鐵礦石比較,添加銅修飾可以顯著提高載氧體反應(yīng)活性和氫氣產(chǎn)量,并且銅的添加可以有效抑制析碳,獲得高純度的氫氣。在循環(huán)過程中,銅修飾鐵礦石展現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性。
【圖文】：

的載氧體采用浸潰法制得，真空狀態(tài)下把篩選逡逑后的鐵礦石顆粒浸潰在硝酸銅溶液中２０邋ｈ，再將配逡逑制好的混合物在９０°Ｃ水浴中蒸發(fā)去水至糊狀，然后逡逑放入鼓風(fēng)干燥機(jī)內(nèi)繼續(xù)干燥。千燥后的載氧體置于逡逑馬弗爐內(nèi)，９００°Ｃ下煅燒４邋ｈ，提高其機(jī)械強(qiáng)度。鍛燒逡逑后的載氧體通過再次篩選，選取粒徑為０．３￣０．４邋ｍｍ逡逑的顆粒作為實驗用Ｃｕ－鐵礦石載氧體．表１為原始逡逑鐵礦石和Ｃｕ－鐵礦石的主要化學(xué)成分。逡逑１．２實驗過程逡逑化學(xué)鏈制氫實驗在批次進(jìn)料小型流化床上進(jìn)行，逡逑實驗系統(tǒng)裝置如圖１所示。該系統(tǒng)包括氣體控制單逡逑元，單流化床反應(yīng)器，處理測試單元以及溫控系統(tǒng)。逡逑單流化床反應(yīng)器是一＇內(nèi)徑為３２邋ｍｍ，尚度為６００邋ｍｍ逡逑的石英管且在中部步置一塊多孔布風(fēng)板。反應(yīng)器通逡逑過電加熱進(jìn)行升溫，并通過反應(yīng)器外壁面布置熱電逡逑偶控制反應(yīng)溫度。實驗中載氧體質(zhì)量保證其中鐵礦逡逑石的質(zhì)量相等為３０邋ｇ。實驗過程分為完全氧化、還逡逑原、制氫三個過程。反應(yīng)通入的氣體分別為：完全氧逡逑化階段５％的氧氣；還原階段７．５％的ＣＯ；水蒸氣部逡逑分氧化制氫階段０．５邋ｇ／ｍｉｎ的Ｈ２０（１）；完全氧化時間逡逑２0邋ｍｉｎ，還原時間６０邋ｍｉｎ，制氫時間３０邋ｍｉｎ；．氮氣作逡逑為載氣，總氣量為２邋Ｌ／ｍｉｎ．每階段結(jié)束后，通入氮逡逑氣吹掃１０邋ｍｉｎ。反應(yīng)出口氣體通過冷凝、干燥和除逡逑塵裝置后，每兩分鐘用集氣袋收集出口氣體，并用煙逡逑氣分析儀測定出口氣體的成分。循環(huán)過程中，反應(yīng)結(jié)逡逑束后，將氮氣轉(zhuǎn)換為ＣＯ和氮氣，僅進(jìn)行還原和制逡逑氫階段實驗。其中為避免氧化反應(yīng)的劇烈放熱使載逡逑氧體燒結(jié)，完全氧化階段的反應(yīng)溫度設(shè)定為６５０°Ｃ。逡逑還原過

２７３４逡逑工程熱物理學(xué)報逡逑３８卷逡逑２．１．２制氫階段逡逑在化學(xué)鏈制氫過程中，氫氣的產(chǎn)量和還原過程逡逑中鐵礦石被還原的深度（還原產(chǎn)物ＦｅＯ和Ｆｅ單質(zhì)的逡逑量）直接相關(guān)Ｍ。在還原過程中，載氧體被氣體燃料逡逑Ｃ０還原生成具有制氫能力的ＦｅＯ和Ｆｅ；在水蒸氣逡逑部分氧化制氫過程中，低價態(tài)的載氧體與水蒸氣進(jìn)逡逑行反應(yīng)（Ｒ５）和（Ｒ６），產(chǎn)生氫氣．逡逑１０邐２０邐３０邐４０邐５０邐６０邐７０逡逑２（９／（°）逡逑圖３原始鐵礦石和Ｃｕ－鐵礦石的ＸＲＤ逡逑Ｆｉｇ．邋３邋ＸＲＤ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｏｆ邋ｈｅｍａｔｉｔｅ邋ａｎｄ邋Ｃｕ－ｈｅｍａｔｉｔｅ逡逑圖４給出了制氫階段氫氣的濃度隨反應(yīng)時間的逡逑變化曲線。采用兩種載氧體制氫時，氫氣濃度變化趨逡逑勢相同，先升高再逐漸降低．Ｃｕ－鐵礦石載氧體產(chǎn)生逡逑氫氣濃度明顯高于原始鐵礦石，并且Ｈ２濃度在第１０逡逑ｍｉｎ出現(xiàn)峰值早于鐵礦石。通過ＸＲＤ對Ｃｕ－鐵礦石逡逑化學(xué)成分分析，檢測到存在尖晶石結(jié)構(gòu)的ＣｕＦｅ２０４，逡逑可以促進(jìn)載氧體表面形成細(xì)孔和裂縫，從而提高反逡逑應(yīng)速率１＾叱ＣｕＦｅ２０４具有拓孔、增大與水蒸氣接逡逑觸面積的作用，在還原階段形成的細(xì)孔和裂縫暴露逡逑了更多可與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)的活性位，，進(jìn)而促進(jìn)還逡逑原后的載氧體與水蒸氣反應(yīng)，加快制氫反應(yīng)速度的逡逑效果。逡逑圖４氫氣體積分?jǐn)?shù)逡逑Ｆｉｇ．邋４邋Ｈ２邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑圖５為氫氣累積體積隨反應(yīng)時間的變化曲線。逡逑Ｃｕ－鐵礦石為載氧體時，不僅氫氣累積體積增漲速逡逑率高于鐵礦石，并且生成氫氣累積體積也大于原始逡逑鐵礦石，產(chǎn)生氫氣累積體積為２．５８邋Ｌ，比鐵礦石累積逡逑產(chǎn)氫體積提高了邋３４．８１％
【作者單位】： 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院;
【基金】：國家自然科學(xué)基金項目(No.51561125001,No.51476029)
【分類號】：TQ116.2

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7 李W

本文編號：2518184