由于全球范围内矿石燃料的大规模使用，导致CO2等温室气体的大规模排放，温室效应日趋严重。我国能源使用量的70％由煤炭提供，碳减排压力与日俱增，CO2捕集和储存(CCS)技术被视为 CO2减排的重要手段。化学链燃烧技术是一种新型的燃烧方式，在燃料反应器中燃料做还原剂，氧载体中的活性成分（金属氧化物）被还原为单质或低价态的氧化物；在空气反应器中空气中的氧气做氧化剂，将氧载体中被还原的活性成分氧化为高价态的氧化物。借助氧载体在两个反应器之间的循环，实现氧气和热量由空气反应器向燃料反应器的传递。避免了空气与燃料的接触，因而具有内分离二氧化碳的特性，并且将传统的燃烧过程分为两部氧化还原反应，实现了能量的阶梯利用，是一种绿色高效的燃烧方式。
在化学链燃烧技术中氧载体起着关键作用，本课题组采用密度泛函理论(DFT)系统的研究了CLOU过程中Cu基氧载体的释氧机理，包括氧载体内部晶格氧原子的扩散、迁移和动力学行为等。从微观角度获得氧载体反应性信息，并在此基础上研究几种典型负载的添加对活性组分 CuO的物理化学性质影响，进而从理论角度为合理设计、优化制备氧载体提供指导。在此基础上采用自组装模板燃烧法制备出一种具有核壳结构的Cu基氧载体Cu O@TiO2-Al2O3，该氧载体具有载氧率高，反应活性好的特点。
本文首先在热重分析仪上研究了 CuO@TiO2-Al2O3氧载体与 H2的反应过程，同时与一种高性能的CuO/CuAl2O4氧载体做对比，CuO@TiO2-Al2O3氧载体在50个循环过程中表现出很好的反应性和稳定性。并且发现氧载体中Cu的氧化路径为：Cu→Cu2O→CuO，首先是Cu氧化为Cu2O，然后Cu2 O吸氧变为CuO，该过程中Cu2 O吸氧同时受氧分压和惰性载体的影响。
在小型流化床反应器上研究了气体燃料与 CuO@TiO2-Al2O3氧载体之间的CLC反应性能以及三种不同煤阶的煤与该氧载体之间的CLOU反应性能。在CLC实验过程中发现随着温度的升高，氧载体与气体燃料的反应速率随之增高，样品CuO@TiO2-Al2O3的转化速率更高更稳定，并且十个循环中的还原转化速率在一定范围内保持稳定，没有出现随循环次数的衰减。在CLOU实验过程中发现随着温度的升高和煤阶的降低，反应速率明显加快，氧载体与煤的反应分为挥发分的燃烧和煤焦的燃烧两个阶段，煤焦的燃烧是还原反应的速率限制步骤，在高温下褐煤与氧载体反应容易产生烧结现象。在与高平煤的20个CLOU循环过程中，氧载体表现出良好的反应性和稳定性。
在小型流化床上研究了温度和流化气速等对 CuO@TiO2-Al2O3氧载体在化学链制氧过程中的影响，根据优化结果在并联床化学链制氧台架上进行了10h的连续制氧实验，反应器出口氧气的浓度保持在20%以上，计算每个循环尾气中氧气平均流量，约为45ml·min-1，实现了连续制氧的目标，具有推广到工业应用的潜力。
- 作 者：
- 魏义杰
- 学科专业：
- 热能工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 华中科技大学
- 导师姓名：
- 赵海波
- 学位年度：
- 2016
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
