赤泥作为氧载体用于甲烷化学链燃烧：反应与循环性能

关键 词 化学 链 燃 烧 ；甲烷 ；赤 泥 ；氧 载 体 ；氧 化 还 原 循 环
中 图分 类 号 ０６４３；Ｏ６１４
文献 标 志码 Ａ
大气 中温室 气体 含量 的增 多加 剧 了 自然 温室 效 应 ，导 致 全 球气 候 变 化．通 常认 为 ，化石 燃 料燃 烧 释放 的 ＣＯ 是 导致 全球 气候 变暖 的主要 温 室气体 ．减 少 ＣＯ 排 放 的一个 有效 方法 是将 ＣＯ 与燃气 分离
９５０．ＲＭ）与 ＣＨ 的反应性 能发现 ，９００一ＲＭ 的反应 活性 和循 环性 能均优于其它样品 ，ＣＨ 转 化率和 ＣＯ：选择
性分别达 到了 ７１％和 ７９％，说明 ９００℃为最佳焙烧温度．在 ９Ｏ０ 下经 ３０次 ｒｅｄｏｘ循 环后 ，赤泥氧载体的反
应 性 能 和 物 相 结 构 未发 生 明 显变 化 ，表 明其 具 有 优 良 的循 环 稳 定 性 ．
Ｓ 并 储存 起来 ．化学链 燃 烧技 术 （Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｌｏｏｐｉｎｇ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ＣＬＣ）是 种 ｃＯ 分 离 与捕 集 的有 效 方
法 Ｊ．传统 的燃 烧 方式 进 行 ＣＯ 捕 集通 常是 从 富
氮烟气 中 分 离 ＣＯ ，不 仅 成 本 高 而 且 能 耗 大 Ｊ． Ｍ Ｏ
性能 的影 响．对赤泥氧载体的物理化学性质 的表 征结 果表 明 ，高温焙烧导致氧载体反应活性下 降，但有利 于
赤泥 中各组分之 间发生反应生成稳定 的复合物 （如 Ｎ Ａｌ Ｓｉ ０．，和 ｃａ Ａ１ ＳｉＯ ），从 而提高了赤泥氧载体 的热
稳定性．通过测试不 同温度 （８００，８５０，９００和 ９５０℃ ）下 制备 的赤 泥氧 载体 （８００．ＲＭ，８５０一ＲＭ，９００一ＲＭ 和
Ｍ ｏ
耗 ．在化 学 链 燃 烧 过 程 中 ，选 择 合适 的 固体 氧 化物 （氧载 体 ）代 替气 态氧 氧化 燃料 ，还 原后 的氧 载 体可 以 被 再 次 氧 化 实 现 循 环 利 用 ¨。。，其 原 理 如
Ｓｃｈｅｍｅ １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｏｏｐｉｎｇ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
考 虑 ，化 学链燃 烧 过程 的炯 损失 比传统 燃烧 方 式低得 多 ，有效 提 高 了系统 的净效 率 ¨ ’”Ｊ．
在化学 链燃 烧过 程 中氧载 体扮 演着 极其 重要 的角 色 ，反应 活性 高 和循环 稳定 性 好 的氧 载体 是 化学
链 燃烧 工艺 的关 键所 在 ¨ ．诸 多学者 对研 发不 同类 型 的氧 载体 （包括 人 工 合成 氧 载 体 、天 然 矿 物 和工 业废弃物等）进行了大量工作Ｌ１ ｊ．以往 的研究主要集中在人工合成氧载体 ｊ，合成氧载体通常是铁
基 、铜基 、镍 基 、锰 基 和钴基 的金 属氧 化物 ，这 些 氧 化 物一 般 由 Ａ１ Ｏ ，ＳｉＯ ，ＭｇＯ，ＴｉＯ ，ＺｒＯ：，水 泥
和海 泡石 等惰性 氧化 物作 为载 体 ．在 合成 氧载 体 中 ，铁 基氧 载体 被认 为是 最适 合 化学 链 燃烧 的氧 载 体 之 一 Ｉ２２］．铁基 氧载 体 中所有 含铁 物相 的熔 点都 较 高 ，因 此 在化 学 链 燃烧 过 程 中抗 烧 结 能 力 强．与 其
（１．昆 明 理 工 大 学 化 学 工 程 学 院 ，昆 明 ６５０５００； ２．昆 明 理 工 大 学 省 部 共 建 复 杂 有 色 金 属 资 源 清 洁 利 用 国家 重 点 实 验 室 ，
３．冶 金 与 能 源 工 程 学 院 ，昆 明 ６５００９３）
摘要 将拜耳法赤泥作 为氧 载体 用于甲烷 化学链燃 烧 ，研 究了不 同预 处理 条件 对赤泥 氧载体 的反应与循环
在 化学 链燃 烧 系统 中 ，燃 料 的燃烧 不 直 接利 用 空气 中 的分子 氧 ，而是 使用 氧 载体 中的 晶格 氧 ，避 免 了 燃 料 与空气 直 接接触 【 ，产 生 的 ＣＯ 纯度 很 高且不
会被 Ｎ 气稀 释 ，只需 经过 简单 的冷凝 即可 实 现 ＣＯ 的分离 与捕 集 ，大 大降 低 了分离 ＣＯ 所 需 的 能
（１） （２）
收稿 日期 ：２０１７—０６一Ｏ１．网络 出版 １３期 ：２０１８－０１—１１． 基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金 （批 准 号 ：５１６０４１３７）资 助 ． 联系人简介 ：李孔斋 ，男，博士 ，教授 ，主要从事化学链技术研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｋｏｎｇｚｈｍ．１ｉ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｅｏｍ
Ｖｏ１．３９ ２０１８年 ２月
高 等 学 校 化 学 学 报
ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩＮＥＳＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＩＥＳ
Ｎｏ．２
３２７—３３６
赤 泥 作 为 氧 载 体 用 于 甲烷 化 学 链 燃 烧 ： 反 应 与 循 环 性 能
邓贵 先 ，李孔斋 ，程显名 ，顾振 华 ，卢春 强 ，祝 星
Ｓｃｈｅｍｅ ｌ所示．燃料与氧载体在燃料反应器 中反应生成 ＣＯ 和 Ｈ Ｏ，还原后的氧载体在空气反应器中 氧化 再生 ．
燃料 与氧 载体 反应 ：
（２ｎ＋ｍ）Ｍ Ｏ ＋Ｃ Ｈ２ｍ （２凡＋ｍ）Ｍ Ｏ 一Ｉ＋ｍＨ２Ｏ ＋ｎＣＯ２ 氧载体氧化再生反应 ：
（２ｎ＋，ｎ）Ｍ ０ 一ｌ＋（ｒｔ＋ｍ／２）０２ （２ｎ＋ｍ）Ｍ Ｏ
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高 等 学 校 化 学 学 报
Ｖｏ１．３９
式 （１）与式 （２）合并 即为 传统 燃烧 反应 ：
Ｃ Ｈ２ ＋（ ＋ｍ／２）０２ ｍＨ２０ ＋ｎＣＯ２ 式 中 ，Ｍ Ｏ 和 Ｍ Ｏ 一 分 别 为氧 载体 的氧 化态 和还 原态 ．
（３）
燃料与氧载体的反应 （还原反应 ）为吸热反应或者放热反应 ，氧载体与空气发生的反应 （氧化反 应 ）为 放热 反应 ，２个反 应 的热量 总 和与燃 料 进 行 传统 燃 烧 所 释放 的热 量相 同＿ｌ ，但 是从 热 力 学 角度