原位催化气化条件下煤炭与铜基载氧体的化学链燃烧实验和反应动力学研究

载氧体与煤炭直接混合反应避免了独立的煤气化阶段，可以进一步提高了能源梯级利用效率，是固相燃料化学链燃烧技术（CLC）的新方向。本项目通过制备合成具有较高反应活性、稳定的循环特性的铜基载氧剂搭载煤气化催化剂，将其在热重分析仪与固定床反应器中与煤直接混合，以实现煤的原位气化。利用多种材料表征手段耦合热重分析和反应器出口气体分析的结果，研究煤炭、载氧体和催化剂三元混合体系的反应活性、相互作用机理，以及对化学链燃烧过程的影响。利用暂态动力学方法，基于气固相反应动力学，催化反应动力学等理论，构建适合温和原位催化气化条件下煤炭与铜基载氧体体系的反应模型，明确体系气固相多重耦合反应的控制因素和反应机理，为优化反应物配比和反应器设计提供基础，探索在单一还原段反应器中实现煤炭原位温和气化化学链燃烧的的最佳条件。

化学链燃烧（Chemical Looping Combustion, CLC)已经被公认为是一种可以提高燃料能量转换效率的技术。本课题需要重点研究的科学问题主要集中在三个尺度的问题上：一.研究构建的化学链系统的整体性能表现，通过流程模拟的方法予以实现。二.作为决定氧传递效率从而决定系统整体效率的载氧体的性能调控与反应机理的认识，并且其机械性能也是决定其系统经济性的重要方面。通过实验与搭建性能试验平台的方式予以研究。三.载氧体的氧化机理是决定载氧体反应动态特性的重要理论，在分子尺度本研究进行了探讨。因此本项目主要根据这三个方面的科学问题，选取具有代表性的载氧体在三个尺度下开展研究。.主要结论有：.1.本课题探讨的化学链燃烧系统低于1350℃下，无热力型、燃料型、快速型NOx产生；燃料反应器的主要生成是二氧化碳和水，分离水之后即可得到高纯度的二氧化碳，可以有效实现二氧化碳的分离和收集, 系统碳捕捉率是可达98%。.2.CuO基氧载体确实比Fe2O3基氧载体具有更高的反应性。通过CuO-Fe2O3复合氧载体与煤反应时不仅具有协同反应性，而且由于CuO与煤反应的放热特性，因此可以有效减少煤与氧载体反应时的能量供应。发现了在铜基载氧体氧化与还原过程中的三种氧化/还原模式，即一级反应、成核反应（Avrami-Erofeev模型），假性一级反应。.3.硅载氧体氧化反应放热为21.1 MJ/kg, Si–O到Si–O–Si的跃迁活化能为0.564eV，Si–O到O–3Si键型的跃迁活化能为0.970eV，此结果为本课题亮点，属国际上首次计算得到的两个键态演进的阶跃活化能。