探讨铁基载氧体与CO在化学链燃烧过程中的反应特性

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

中图分类号：G718.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）18-0105-02

温室效应的流动和扩散已经使地球气候变得异常，目前所有国家都致力于温室气体排放的关注以及温室气体排放的解决，因为温室效应不仅导致我国的利益受到损害，还严重影响了人类赖以生存的地球的环境，温室效应的解决已经上升到全人类的关注目标了。影响全球温度变暖的主要原因是石油燃烧、煤炭燃烧、天然气燃烧、自然气候变化以及人类共同活动，其中石油燃烧、煤炭燃烧、天然气燃烧已经成为温室气体的罪魁祸首。化学链燃烧技术是由传统的一步反应转换成燃料进行、金属氧化物相结合的两步反应，现在最为有效的方式是对二氧化碳排放量进行控制的新型燃烧，也就是化学链燃烧技术。

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。

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作者简介：靳晓婷（1984.12-），女，山西汾阳人，助理讲师，本科，主要研究化学教学。endprint