用于化学链制氧技术的铜基载氧体制氧性能研究
氧气是一种重要的化工原料，在工业生产以及日常生活中都有广泛的应用。传统的空气分离制氧方法在能耗、设备投资及生产运营方面存在着许多缺点。化学链空气分离制氧技术是基于化学链燃烧技术提出的一种新型制氧方法，其原理是利用载氧体的连续氧化还原反应来制取氧气。该技术理论能耗仅为传统深冷法能耗的26％，具有非常广阔的发展前景。 化学链空气分离制氧是一种新型的制氧技术，载氧体性能的好坏直接决定着系统运行性能和效率，因此载氧体性能的研究是关键。铜基载氧体具有载氧量大、放氧温度区间大、价格低、无毒性等优点。本文通过机械混合法，以CuO为活性成分，MgAl2O4、SiO2、 ZrO2为惰性载体制备了不同惰性载体添加比例的5种类型铜基载氧体，分别为CuO-(60wt.％)MgAl2O4、 CuO-(50wt.％)MgAl2O4、 CuO-(40wt.％)MgAl2O4、CuO-(60wt.％)ZrO2、CuO-(60wt.％)SiO2。对制得的载氧体的物理性能进行了表征，包括XRD物相组成分析，SEM-EDX表面形貌和能谱分析和BET比表面积分析。搭建了固定床反应器热态实验平台，通过热态实验对工业实际应用进行小型模拟，考察了温度、气体流量、装载量、惰性载体的种类和添加比例对铜基载氧体放氧反应和吸氧反应的影响。放氧过程中温度分别为950℃、975℃、985℃、1000℃、1015℃，气体流量分别为0.8L/min、0.9L/min、1.0L/min、1.1 L/min、1.2L/min。吸氧过程中温度分别为800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃，气体流量分别为0.7L/min、0.8L/min、0.9L/min、1.0L/min、1.1L/min。吸氧和放氧过程中装载量的考察参数都为50g、70g、90g。此外，本文还通过循环反应对制得的5种载氧体的循环稳定性进行了考察和分析，确定了5种载氧体的合理的使用温度，分析了铜基载氧体放氧性能降低的原因，结果如下: (1)载氧体XRD物相分析结果表明:制得的载氧体中的活性成分均没有与惰性载体发生反应;SEM表面形貌结果表明:制得的载氧体中活性成分与惰性载体交错分布;比表面积测量结果表明:CuO/MgAl2O4＞CuO/ZrO2＞CuO/SiO2，且惰性载体的添加比例越大，比表面积越大。 (2)热态实验结果表明:放氧反应过程中载氧体的放氧反应速率在950℃-1015℃范围内随反应温度的升高而增加，在0.8L/min-1.2L/min范围内随流量的增加而增大;吸氧反应过程中载氧体的吸氧反应速率在800℃-1000℃范围内随反应温度的升高而减小，在0.7L/min-1.1 L/min范围内随流量的增加而增大;载氧体的放氧反应和吸氧反应速率在一定范围内都随装载量的增加而增大;对于本实验采用的三种不同惰性载体，其对应的载氧体的放氧反应速率MgAl2O4＞ZrO2＞SiO2，吸氧反应速率相差不大;在保证载氧体循环稳定性能的前提下，吸氧反应和放氧反应速率都随惰性载体添加比例的减小而增加。 (3)循环实验结果表明:CuO-(50wt.％)MgAl2O4、 CuO-(60wt.％)SiO2载氧体在1000℃放氧和900℃吸氧条件下具有很好的循环稳定性。CuO-(40wt.％)MgAl2O4在985℃放氧和900℃吸氧条件下具有很好的循环稳定性;CuO-(40wt.％)MgAl2O4型载氧体在1000℃放氧和900℃吸氧条件下放氧反应速率出现下降的趋势，原因在于CuO/Cu2O晶体颗粒在高的反应温度下发生了表面迁移，导致载氧体颗粒发生了团聚现象。
制氧技术;化学链;铜基载氧体;放氧反应;吸氧反应
东北大学
硕士
热能工程
于庆波
2014
中文
TQ116.14
78
2015-08-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）