一種CuO和準東煤灰共同修飾鐵礦石的載氧體及其製備方法與流程
2023-04-26 19:48:31 3
本發明涉及一種CuO和準東煤灰共同修飾鐵礦石的載氧體及其製備方法，屬於化學鏈燃燒
技術領域：
。
背景技術：
：二氧化碳捕集與封存作為減少溫室氣體排放最直接最有效的技術，其應用的主要障礙在於CO2捕集過程中所需的巨大能耗。常規化石燃料燃燒中的CO2捕集方式主要分三種：燃燒前捕集、燃燒後捕集和富氧燃燒。對於燃燒前捕集方式，需要對化石燃料進行轉化和脫碳的複雜處理；對於燃燒後捕集方式，要面對煙氣中CO2濃度由於受大量N2稀釋而大幅下降(8％～15％)的問題；而對於富氧燃燒方式，則需要增加空氣分離系統。可見，不論是哪種方式CO2捕集都需要耗費巨大的能量，因此如何降低CO2捕集過程能耗就成為了研究的重點。化學鏈燃燒作為一種新型的燃燒技術，可以實現CO2的近零消耗捕集，還可以提高燃料的能源利用效率，同時抑制NOx等汙染物的生成，因而極具發展前景。化學鏈燃燒基本原理是將傳統的燃料與空氣直接接觸的燃燒藉助於載氧體的作用，由載氧體將空氣中的氧傳遞到燃料中，避免燃料與空氣的直接接觸。化學鏈燃燒通過載氧體實現化學氧的轉移。載氧體同時也是氧化還原反應的媒介，因而其性能對化學鏈燃燒技術非常關鍵。當前研究較多的載氧體有Ni、Fe、Cu等金屬氧化物以及CaSO4等鹼土金屬化合物。其中，Ni基載氧體因具有很高的活性、較強的抗高溫能力、較低的高溫揮發性和較大的載氧量，較早地受到了人們的關注，但Ni基載氧體也有價格相對昂貴和具有毒性的缺點。鈣基載氧體具有價格便宜和載氧率高的優勢，但其反應活性低，並且存在硫流失的問題。Fe基載氧體具有價格便宜、溶點高而不易燒結等優點，但和Ni基、Cu基載氧體相比，其反應活性稍差，並且在實際的還原反應中，Fe2O3通常只能被還原到FeO，因而實際的載氧量較低。富含Fe2O3的鐵礦石因廉價易得而受到廣泛的研究利用，但其同樣出現載氧率較低、反應活性較差的情況。Cu基載氧體具有較高的反應活性、較大的載氧率、而且不易與惰性載體發生反應，同時Cu基載氧體具有還原過程與氧化過程均為放熱過程的特有性質。其不足之處在於金屬Cu較低的熔點使得其在高溫下易發生團聚燒結，高溫下的使用因而受限。在能源，尤其是煤炭資源嚴重短缺的今天，準東煤田無疑是一個重大的發現。它是我國乃至世界上最大的整裝煤田。以我國現在煤炭年產量計算，一個準東煤田就夠全國使用100年。準東煤雖然灰分含量低，因其儲量大，仍能產生大量的準東煤灰。準東煤灰中富含的CaSO4、Fe2O3等活性成分同樣具有載氧體的作用，可以在化學鏈燃燒中加以利用，避免資源浪費。技術實現要素：技術問題：針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明提供一種CuO和準東煤灰共同修飾鐵礦石的載氧體及其製備方法。本發明的目的在於利用廉價易得的鐵礦石作為基礎，依次採用溼法浸漬和幹法煅燒製得的載氧體，既可以提高載氧體反應活性，還能降低載氧體製備成本，並實現準東煤灰的資源化利用。技術方案：本發明的一種CuO和準東煤灰共同修飾鐵礦石的載氧體，依次通過溼法浸漬和幹法煅燒製得，該載氧體由鐵礦石、CuO和準東煤灰組成，按最終載氧體的重量計，該載氧體中鐵礦石的質量分數為70％～90％，CuO的質量分數為5％～15％，準東煤灰的質量分數為5％～15％，所述載氧體依次通過溼法浸漬和幹法煅燒製得。本發明的CuO和準東煤灰共同修飾鐵礦石的載氧體的製備方法包括以下步驟：1)鐵礦石製備：首先將原始鐵礦石用破碎機進行破碎，並篩選出粒徑為0.1～1mm的鐵礦石顆粒；2)浸漬液製備：配製Cu(NO3)2溶液，並用玻璃棒攪拌至其完全溶解；3)浸漬處理：將步驟2)得到的浸漬液對步驟1)得到的鐵礦石顆粒進行等體積浸漬或者過體積浸漬；4)乾燥煅燒處理：將步驟3)得到的混合物進行水浴乾燥成糊後，置於鼓風乾燥箱中至糊狀時取出並置於馬弗爐內，升溫並維持在900～950℃煅燒1～3小時，製得CuO修飾的鐵礦石載氧體；5)準東煤灰製備：將準東煤破碎，放入馬弗爐中，升溫並維持在750～850℃灼燒2小時，最後篩分出粒徑≤0.3mm的灰；6)幹法煅燒處理：將步驟4)得到的CuO修飾的鐵礦石載氧體與步驟5)得到的準東煤灰放入器皿中攪拌均勻，將混合物放入馬弗爐中，升溫並維持在900～950℃煅燒1～3小時，提高載氧體的機械強度；7)破碎篩選：煅燒後篩選出粒徑範圍在0.1～1mm的載氧體，最終製備得到CuO和準東煤灰共同修飾的鐵礦石載氧體。浸漬處理步驟中，按原料的質量分數計，鐵礦石的質量分數為65％～86％，Cu(NO3)2·3H2O的質量分數為14％～35％。幹法煅燒處理步驟中，按原料的質量分數計，CuO修飾的鐵礦石載氧體的質量分數為85％～95％，準東煤灰的質量分數為5％～15％。有益效果：本發明提出一種CuO和準東煤灰共同修飾鐵礦石的載氧體，適用於化學鏈燃燒技術，對二氧化碳減排具有重要意義。(1)本發明以廉價易得的天然鐵礦石作為載氧體的主要成分，降低了載氧體的成本，為大規模生產製備化學鏈燃燒載氧體提供了經濟的主原料，具有良好的市場前景。(2)本發明涉及的載氧體顆粒均勻，機械強度高，反應活性優良，穩定性高，製備工藝性好，操作過程簡單，容易控制。(3)本發明涉及的基於鐵礦石的載氧體，結合了銅基和鐵基載氧體各自的優點，具有更佳的氧化還原反應活性，此種載氧體中含有CuFe2O4，其具有更高的晶格氧容量以及更少的吸熱量，提高了釋氧速率和釋氧質量，並且降低了能耗。(4)本發明涉及的基於鐵礦石的載氧體充分利用準東煤灰中的活性成分CaSO4、Fe2O3等，提高了鐵礦石載氧體的反應活性，提高了燃料的轉化率，同時實現了準東煤灰的資源化利用。附圖說明圖1為一種CuO和準東煤灰共同修飾鐵礦石的載氧體的製備方法流程圖。具體實施方式下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明，但這些實例並不限制本發明的保護範圍。實例中原料為分析純或工業純Cu(NO3)2·3H2O，一種鐵礦石和一種準東煤灰，配製溶液時使用去離子水。具體實施例中CuO和準東煤灰共同修飾鐵礦石的化學鏈燃燒載氧體的製備方法，參見圖1。表1為鐵礦石的化學組成成分。成分Fe2O3SiO2Al2O3其他含量(％)83.217.065.134.6表2為準東煤灰的化學組成成分。成分CaOFe2O3SO2SiO2Al2O3MgONa2O其他含量(％)24.2719.9113.7510.5812.608.207.502.45對比例1：該利用純鐵礦石製備化學鏈燃燒的載氧體的方法，具體包括以下步驟：(1)破碎篩選：首先將鐵礦石用破碎機進行破碎，並篩選出粒徑範圍在0.2～0.45mm的鐵礦石顆粒；(2)煅燒處理：將篩選後的鐵礦石置於馬弗爐內，升溫並維持在950℃煅燒3小時，提高載氧體的機械強度。(3)破碎篩選：煅燒後再次篩選出粒徑範圍在0.2～0.45mm的載氧體，最終製備得到純鐵礦石載氧體。將本對比例製備得到的載氧體應用於化學鏈燃燒過程中：常壓下，將60g上述對比例中所製備的載氧體置於單批次小型流化床布風板上，並通入氮氣2L/min，加熱至反應溫度900℃，通入水蒸氣0.1g/min，並加入0.5g的煤作為燃料，收集產生的氣體並通過煙氣分析儀進行測量分析，還原反應時間為30min。之後，用氮氣吹掃10min，通入合成氣(其中含氮氣95％，氧氣5％)對載氧體進行氧化，收集產生的氣體並通過煙氣分析儀進行測量分析，氧化反應時間為30min。經過分析，還原反應30min內，煤的碳轉化率僅為71.1％。實施例1：該利用鐵礦石製備化學鏈燃燒載氧體的方法，具體包括以下步驟：(1)鐵礦石製備：首先將原始鐵礦石用破碎機進行破碎，並篩選出粒徑為0.2～0.45mm的鐵礦石顆粒；(2)溶液製備：將28.74gCu(NO3)2·3H2O配製成Cu(NO3)2溶液，並用玻璃棒攪拌至其完全溶解；(3)浸漬處理：將步驟2)得到的浸漬液對步驟1)得到的鐵礦石顆粒85.5g進行過體積浸漬，浸漬時間為24小時；(4)乾燥煅燒處理：將步驟4)得到的混合物在水浴溫度為95℃的條件下進行水浴乾燥成糊後，置於105℃鼓風乾燥箱中，至糊狀時取出並置於馬弗爐內，升溫並維持在950℃煅燒3小時，製得CuO修飾的鐵礦石載氧體。(5)準東煤灰製備：將準東煤破碎，放入馬弗爐中，升溫並維持在815℃灼燒2小時，最後篩分出粒徑≤0.2mm的灰；(6)幹法煅燒處理：將步驟4)得到的CuO修飾的鐵礦石載氧體與步驟5)得到的準東煤灰5g放入器皿中攪拌均勻，將混合物放入馬弗爐中，升溫並維持在900～950℃煅燒1～3小時，提高載氧體的機械強度；(7)破碎篩選：煅燒後再次篩選出粒徑範圍在0.2-0.45mm的載氧體，最終製備得到CuO和準東煤灰共同修飾的鐵礦石載氧體。將本實施例製備得到的載氧體應用於化學鏈燃燒過程中：常壓下，將60g上述實施例中所製備的載氧體置於單批次小型流化床布風板上，並通入氮氣2L/min，加熱至反應溫度900℃，通入水蒸氣0.1g/min，並加入0.5g的煤作為燃料，收集產生的氣體並通過煙氣分析儀進行測量分析，還原反應時間為30min。之後，用氮氣吹掃10min，通入合成氣(其中含氮氣95％，氧氣5％)對載氧體進行氧化，收集產生的氣體並通過煙氣分析儀進行測量分析，氧化反應時間為30min。經過分析，還原反應30min內，煤的碳轉化率為89.5％。實施例2：該利用鐵礦石製備化學鏈燃燒載氧體的方法，具體包括以下步驟：(1)鐵礦石製備：首先將原始鐵礦石用破碎機進行破碎，並篩選出粒徑為0.2～0.45mm的鐵礦石顆粒；(2)溶液製備：將27.23gCu(NO3)2·3H2O配製成Cu(NO3)2溶液，並用玻璃棒攪拌至其完全溶解；(3)浸漬處理：將步驟2)得到的浸漬液對步驟1)得到的鐵礦石顆粒81g進行過體積浸漬，浸漬時間為24小時；(4)乾燥煅燒處理：將步驟4)得到的混合物在水浴溫度為95℃的條件下進行水浴乾燥成糊後，置於105℃鼓風乾燥箱中，至糊狀時取出並置於馬弗爐內，升溫並維持在950℃煅燒3小時，製得CuO修飾的鐵礦石載氧體。(5)準東煤灰製備：將準東煤破碎，放入馬弗爐中，升溫並維持在815℃灼燒2小時，最後篩分出粒徑≤0.2mm的灰；(6)幹法煅燒處理：將步驟4)得到的CuO修飾的鐵礦石載氧體與步驟5)得到的準東煤灰10g放入器皿中攪拌均勻，將混合物放入馬弗爐中，升溫並維持在900～950℃煅燒1～3小時，提高載氧體的機械強度；(7)破碎篩選：煅燒後再次篩選出粒徑範圍在0.2-0.45mm的載氧體，最終製備得到CuO和準東煤灰共同修飾的鐵礦石載氧體。將本實施例製備得到的載氧體應用於化學鏈燃燒過程中：常壓下，將60g上述實施例中所製備的載氧體置於單批次小型流化床布風板上，並通入氮氣2L/min，加熱至反應溫度900℃，通入水蒸氣0.1g/min，並加入0.5g的煤作為燃料，收集產生的氣體並通過煙氣分析儀進行測量分析，還原反應時間為30min。之後，用氮氣吹掃10min，通入合成氣(其中含氮氣95％，氧氣5％)對載氧體進行氧化，收集產生的氣體並通過煙氣分析儀進行測量分析，氧化反應時間為30min。經過分析，還原反應30min內，煤的碳轉化率提高至94.0％。綜上，本發明所述的基於鐵礦石的載氧體，CuO和準東煤灰的引入，可以提高載氧體的反應活性，顯著提高燃料的碳轉化率。特別說明，以上對本發明的具體實施方式做了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下對具體操作步驟作出各種變化以及各種反應物和反應條件進行更改替換，因此直接或間接運用本發明在其他相關領域均包含於本發明所涵範圍內。當前第1頁1 2 3