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ni/fe复合氧载体化学链耦合制氢与合成气实验研究

Ni/Fe复合氧载体化学链耦合制氢与合成气实验研究

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作者：付根深华中科技大学

学位级别：硕士

能源可持续性及污染等问题是当今世界经济社会发展面临的主要挑战,而生物质能源由于其资源广、碳中性,可再生,成为了世界未来能源发展主要方向。氢与合成气长期以来属于化工产业不可或缺的基础原料,但目前85%以上的氢与合成气的制备来... 详细信息

能源可持续性及污染等问题是当今世界经济社会发展面临的主要挑战,而生物质能源由于其资源广、碳中性,可再生,成为了世界未来能源发展主要方向。氢与合成气长期以来属于化工产业不可或缺的基础原料,但目前85%以上的氢与合成气的制备来源于甲烷的蒸汽重整,其高能耗,不可持续的缺点决定了开发新型工艺的必然性。化学链耦合制氢与合成气工艺可以在一个流程内实现氢与合成气的共制备,其能源的高效转化利用备受关注。因此,基于生物质基碳中性燃料-生物油进行化学链耦合制氢与合成气则更是绿色可持续的技术方案。氧载体是化学链技术的灵魂,fe基与ni基氧载体更是被誉为21世纪最具发展潜力的两种氧载体。因此本文基于ni/fe复合氧载体开展化学链耦合制氢与合成气的性能评估,工艺参数探索以及改性优化等研究。主要研究内容及结论如下:(1)基于不同niO修饰比例的ni/fe复合氧载体,以模拟生物油为燃料,进行固定床测试以及氧载体反应前后的XRD、H-TPR、SEM等相关表征分析。结果发现,nifeO结构的形成是氧载体反应活性大幅提升的关键,但niO的过量负载会导致团聚、烧结现象的发生,降低氧载体还原性能,同时影响制备的氢与合成气品质;此外niO的负载量与积碳种类的形成密切相关,适量的niO有助于减少石墨碳的形成,过量则会加剧石墨碳生成,影响载体活性。在本文中20%niO负载量为最佳。(2)针对20%niO负载量的ni20fe80氧载体进行氧供给系数、反应温度、水油比的工艺探索,并在最优工况下进行5次循环测试评估。结果发现,氧供给系数0.55,反应温度900℃,水油比为1.2的情况下耦合制备氢与合成气性能最佳,其合成气最大产率为1.78Nm/kg,合成气纯度接近80%,且H/CO恰好为2;氢气纯度为95.6%,氢气产率为0.69 Nm/kg。但是在5次循环中ni20fe80出现了明显的相分离,以及孔隙结构坍塌的消极现象,在5次循环后氢气产率跌落至0.45 Nm/kg,氢气纯度降至92%。(3)针对ni20fe80氧载体循环性能差等缺陷,选择CeO、ZrO、AlO三种改性金属进行掺杂优化研究。结果发现,CeO的高氧离子迁移特性,以及反应过程中与feO反应形成的CefeO,进一步提高了对合成气选择性并在5次循环中保持了性能的稳定,其合成气最大产率为2.01Nm/kg,最大合成气纯度接近81%;氢气纯度达96%以上,氢气产率为0.72 Nm/kg。ZrO的掺杂虽然提高了氧载体循环稳定性,但由于ZrO属于惰性载体不参与反应,导致氢气及合成气的品质受到影响。AlO的掺杂会在循环反应过程中夺取nifeO中的fe元素,大量形成feAlO与AlfeO结构,降低氧载体制氢性能,其最低氢气产率仅为0.3 Nm/kg。(4)通过对CeO、ZrO、AlO三种改性金属掺杂的改性氧载体进行fe离子迁移特性研究。结果发现ni15fe60Ce25氧载体相较于ni15fe60Zr25,ni15fe60Al25氧载体,其表面fe离子摩尔比在5次循环中由66.5%提升到72.84%.因此fe元素更易被还原及水蒸气氧化,从而更有利于氢气的制备。

关键词：氢与合成气化学链生物油 ni/fe复合氧载体改性优化

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