生物质化学链气化中铁基氧载体的团聚机理及减缓失活研究

Biomass has characteristics of high content and difference in alkali and alkaline earth metal, which will easily cause the sintering and agglomeration of oxygen carrier during chemical looping gasification. This phenomena will reduce the activity and gasification performance and affect the equipment safety. However, agglomeration mechanism of oxygen carrier is still unclear in chemical looping gasification of biomass. Based on the previous studies of chemical looping gasification and oxygen carrier preparation, our team will study the evolving process of grain growth size, complex compounds, ash melting point and elemental composition in oxygen carrier from two dimensions of time and space. And then under the effect of alkali and alkaline earth metal, we will clarify the agglomeration mechanism of oxygen carrier in chemical looping gasification from two dimensions. Moreover, we intend to achieve the adjustable three-dimensionally ordered macroporous in Fe-based oxygen carrier through the regulation of emulsifier concentration, styrene monomer concentration, hydrothermal polymerization temperature and calcination conditions. In addition, we study the characteristics between pore size of oxygen carrier with deactivation slowdown and reaction performance in order to slow down the deactivation of oxygen carrier and improve the reaction performance of chemical looping gasification. This research intends to analyze the agglomeration mechanism of oxygen carrier under the effect of alkali and alkaline earth metal. Furthermore, we propose a new idea of the adjustable three-dimensionally ordered macroporous oxygen carrier to slow down the deactivation of oxygen carrier and improve the reaction performance. This research aims to provide theoretical guidance for promoting the development and application of chemical looping gasification in biomass.

生物质具有高碱(土)金属特性和差异性，在化学链气化中容易导致氧载体团聚结块而降低活性和气化反应性能，影响设备安全运行，然而生物质化学链气化的氧载体团聚结块机理尚不明确。本项目拟在前期化学链气化和氧载体制备的研究基础上，通过反应时间和空间两个维度研究氧载体颗粒受碱(土)金属作用的晶粒生长尺寸、复杂化合物成分、灰熔点、元素组成等随反应时间和纵向空间推进的演化过程，双维度阐明生物质碱(土)金属作用下化学链气化中氧载体的团聚结块机理。在此基础上，通过调控乳化剂浓度、苯乙烯单体浓度、水热聚合温度和煅烧条件等，构建三维有序可调大孔铁基氧载体，研究氧载体孔径与减缓失活、反应性能的特性，实现减缓氧载体失活同时提升气化反应性能的目的。本项目从时空双维度剖析受碱(土)金属作用的氧载体团聚机理，并提出三维有序可调大孔氧载体减缓失活和提升反应性能的新思路，为推动生物质化学链气化技术的发展与应用提供理论基础。

生物质具有高碱（土）金属特性和差异性，在化学链气化中容易导致载氧体团聚结块而降低活性和气化反应性能，影响设备安全运行，然而生物质化学链气化的载氧体团聚结块机理尚不明确。鉴于此，本项目通过调控复杂反应工况、载氧体制备过程、生物质内碱（土）金属种类含量等条件，研究了生物质化学链气化过程中铁基载氧体团聚结块时的晶粒尺寸、复杂化合物成分、灰熔融特性、元素组成等特性规律，探讨了载氧体的复杂演变过程，从反应时间和载氧体空间维度上阐明铁基载氧体受生物质碱（土）金属影响的团聚结块机理。在此基础上，通过调控多种制备途径，构建三维有序可调大孔铁基载氧体，实现载氧体孔径尺寸的可控调节，同时针对生物质进行洗脱和定量添加不同种类含量碱（土）金属，降低形成低熔点化合物的可能性，并定向增强碱（土）金属元素的催化作用，达到了显著减缓载氧体失活程度同时提升化学链反应性能的效果。与此同时，项目组进一步思考利用载氧体立体结构的优良反应性能，通过改性分子筛和天然矿石，构建了改性立体结构的铁基载氧体，并应用于木醋液、甲烷等生物质热解中间产物的化学链重整制氢过程，实现了高转化率和高氢气产率的效果。本研究工作丰富了载氧体团聚失活的理论基础，为减缓载氧体团聚失活、推动生物质化学链气化技术的发展与应用提供理论基础。在本项目资助下，课题组发表SCI论文9篇，申请发明专利3件，实用新型专利2件，其中获授权发明专利1件和实用新型专利2件，参加国内外学术会议6次，培养硕士研究生2名，指导本科生参加全国竞赛荣获国家级二等奖，项目执行期间，项目负责人入选2020年广州市科协青年人才托举工程。