探討鐵基載氧體與CO在化學鏈燃燒過程中的反應特性

摘要：隨著我國技術化和科技化的飛速發展，各種科技產品應運而生，然而使用這些產品的后果就是溫室效應、全球變暖，為了有效緩解環境問題，化學鏈燃燒技術已經成為全球研究的熱點、關注的熱點。本文利用熱重分析儀等設計了一個小型流化床，對鐵基載氧體以及CO反應進行了研究

關鍵詞：CO反應；鐵基載氧體；反應特性；化學鏈燃燒

中圖分類號：G718.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）18-0105-02

溫室效應的流動和擴散已經使地球氣候變得異常，目前所有國家都致力于溫室氣體排放的關注以及溫室氣體排放的解決，因為溫室效應不僅導致我國的利益受到損害，還嚴重影響了人類賴以生存的地球的環境，溫室效應的解決已經上升到全人類的關注目標了。影響全球溫度變暖的主要原因是石油燃燒、煤炭燃燒、天然氣燃燒、自然氣候變化以及人類共同活動，其中石油燃燒、煤炭燃燒、天然氣燃燒已經成為溫室氣體的罪魁禍首?；瘜W鏈燃燒技術是由傳統的一步反應轉換成燃料進行、金屬氧化物相結合的兩步反應，現在最為有效的方式是對二氧化碳排放量進行控制的新型燃燒，也就是化學鏈燃燒技術。

一、化學鏈燃燒過程中的鐵基載氧體的特性研究

1.化學鏈燃燒過程中鐵基載氧體概述?；瘜W鏈燃燒過程中鐵基載氧體評價指標主要有：與空氣反應、燃料反應的機械強度、經濟性、反應活性、抗燒結、環境友好、載氧能力、抗團聚能力、熱穩定性、流化性能以及持續循環能力等。目前，載氧體的研究普遍是金屬氧化物，而這些金屬氧化物的耐高溫優點和反應速率高的優點并不是所有都具有，所以，我們通過其他化合物與載氧體的混合，來對載氧體進行使用壽命、抗燒結能力、反應特性的提高，而這些混合物不參與到化學鏈燃燒中，只是作為一種惰性載體。鐵基載氧體具有無二次污染、容易得到、原料便宜的優點。文章通過一個小型流化床來進行鐵基載氧體的分析，設備有稱量天平、超純水裝置、馬弗爐、真空干燥箱、精密定時電動攪拌機、循環水式真空泵、數控超聲波清洗器。

2.化學鏈燃燒過程中鐵基載氧體的研究方法?；瘜W鏈燃燒過程中鐵基載氧體的研究方法是：首先設定一個具有壓力范圍和一定溫度的環境，并要求載氧體可以持續循環能力、化學反應速率比較快；然后使用熱重分析來進行，同時測出載氧體在不同氣氛下的顆粒擁有增重速率和失重速率，進行載氧體反應性的評價，最后，使用XRD來進行固態反應產物的檢測，載氧體進行熱力學結果的對比、分析，從而把參與化學反應的氧載體推測出來，當載氧體開始重復循環反應時，使用TGA來進行循環次數與載氧體質量變化的測量，并開始進行持續循環能力的載氧體評價，使用SEM來進行顆粒表面形態變化氧載體的觀測，與XRD相結合組成其他物相進行鑒定，全面進行氧載體孔縫結構、反應活性、抗團聚能力、抗燒結能力以及持續循環能力的評價。

3.化學鏈燃燒過程中鐵基載氧體的化學活性。在化學鏈燃燒過程中鐵基載氧體的化學活性是非常重要的，它體現在氧化還原以及轉化率的反應速率中。通過Fe2O3鐵來進行分析，轉化率的計算為氧化鐵瞬時質量減去還原為徹底單鐵的質量除以氧化質量減去還原為徹底單鐵的質量之差，如圖1所示。制備方法、積碳、反應溫度以及氧化還原次數與載氧體反應活性有關，所以采用流化床實驗臺和TGA來進行積碳、循環次數、溫度與載氧體活性反應關系的研究。

二、化學鏈燃燒過程中的CO反應的特性研究

化學鏈燃燒過程中，CO反應的特性通過MS模擬計算機軟件來進行研究，把載氧體活性分組用Fe2O3來代替，可以把CO高效的進行Fe2O3氧化，其中氧化的CO對Fe2O3鐵和CO的反映起到關鍵性作用，在反應過程中還會出現CO2。當Fe2O3溫度平穩，而CO溫度不等時，可以看出CO等溫線吸附形式相當于朗繆爾方式，吸附物成分中總和的逸散能就是總逸散能，在理想氣體的條件下與壓力等價，CO在開始時吸附能力隨著壓力的升高而變得先急劇升高，再開始大幅度下降，在平衡能力范圍內隨著溫度的升高而變得開始下降，此時CO的吸附能力顯示的是放熱。當CO在大氣壓下，且溫度分別在473K和273K中，Fe2O3表面的CO很快達到了吸附平衡，溫度在273K的時候出現吸附能力最大化。在化學鏈燃燒過程的前提下，載氧體還原、O-Fe逐漸斷裂、一氧化碳氧化過程三者息息相關。CO的氧化過程是，進行Fe2O3團簇向O-Fe斷裂轉變的計算勢能曲線，Fe2O3團簇頂點位置的鐵與CO進行優化吸附體制，CO在頂位的鐵中氧化比較活躍。當周圍顯示中間態和初始態時，電荷的轉移由團簇鐵原子向CO進行，并且電荷在鐵原子和一氧化碳原子之間進行轉移時顯示出具有方向性。當電荷由鐵原子上面富集到碳原子上面的時候，O-Fe開始破裂，這時團簇上面的CO分子與氧原子開始進行相互作用的發生，團簇中的氧原子和碳原子都在電荷密度過渡態中呈現出減少的趨勢。

CO2的減排已經成為全球能源策略中最為重要的一部分，而我國CO2減排需要解決的是氮氣把CO2在燃燒產物中給稀釋，石油燃燒中擁有巨大CO2量，傳統的CO2分離法存在急速降低動力系統效率以及消耗能源大的缺點，而化學鏈燃燒技術的出現，改變了火焰燃燒的傳統，使空氣不直接與燃料進行解除，形成了無火焰反應，真正意義上實現了CO2減排。

參考文獻：

[1]玄偉偉，張建勝.化學鏈燃燒鐵基載氧體還原反應積炭趨勢[J].中國電力，2012，（10）：104—109.

[2]晏水平，方夢祥，張衛風.煙氣中CO2化學吸收法脫除技術分析與進展[J].化工進展，2009，（12）：118—124.

[3]李振，韓海綿，蔡寧生.化學鏈燃燒的研究現狀及進展[J].動力工程，2011，（16）：238—243.

[4]王旭華，錢家盛，章于川.有序二氧化硅介孔固體材料制備的研究進展[J].過程工程學報，2008，（4）：38—43.

[5]劉行磊.化學鏈燃燒過程中鐵基載氧體與CO反應的特性研究[J].能源與環境，2010，（12）：166—170.

作者簡介：靳曉婷（1984.12-），女，山西汾陽人，助理講師，本科，主要研究化學教學。endprint