一种圆柱形铁基载氧体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种圆柱形铁基载氧体及其制备方法和应用，该载氧体由活性组分Fe2O3和载体Al2O3组成，其中，Fe2O3在载氧体中的质量含量为30～70％，载氧体形状为圆柱形，直径3～20mm，高度为3～15mm。本发明专利技术还提供一种载氧体制备方法，将Fe2O3和Al2O3按照一定的质量比加入到球磨罐内，按一定的料球比和料水比分别加入磨球和蒸馏水，进行湿式球磨，得到的浆态物料干燥后转移到压片机内成型，成型片剂煅烧后得到的样品即为圆柱形铁基载氧体。本发明专利技术的载氧体在固定床化学链制氢过程中具有活性高、强度大、压降低的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化学链制氢领域，特别是涉及一种圆柱形铁基载氧体及其制备方法和应用。
技术介绍
随着经济社会的快速发展，能源需求日益增加。而以化石燃料为主的能源系统虽然可以满足当前的能源需求，但是也造成了严重的区域和全球性环境问题。其中化石能源系统排放的大量CO2，造成了全球平均气温升高，温室效应加剧。因此控制化石能源系统的CO2排放受到国际社会的广泛关注。碳捕集与封存(CCS)技术在控制化石能源系统的碳足迹、减缓全球变暖方面起到了明显的作用。但是CCS常用的三种捕集技术，燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧，都需要额外的能源消耗，降低了系统的能源效率，这限制了它们的发展和推广。化学链燃烧是一种新型的燃烧技术，可以实现燃烧过程CO2内分离，具有清洁、高效和低碳的特点。它借助于固体载氧体的循环得失氧作用，将传统的燃料与空气直接接触燃烧，在空间上分解为燃料反应器和空气反应器中的两步温和无焰反应。由于避免了空气和燃料的直接接触，燃烧产物不会被N2稀释，因此经简单冷却除水后，即可得到纯CO2，可以实现低成本的CO2捕集。此外，由于利用载氧体的晶格氧对燃料进行氧化燃烧，化学链燃烧还具有低NOx和低二噁英排放的特点。在化学链燃烧技术框架下，发展了多种衍生技术。其中化学链制氢技术因具有直接制备高纯氢气的特点，得到了广泛关注。一个典型的化学链制氢循环周期为：在燃料反应器中，铁基载氧体(Fe2O3)与燃料反应，提供氧将燃料氧化为CO2和H2O(g)，该产物经冷凝除水后可以获得纯的CO2；还原后的铁基载氧体(FeO/Fe)进入水蒸汽反应器中被水蒸汽氧化，冷凝除水后的产物为高纯H2；水蒸汽氧化后的铁基载氧体(Fe3O4)进入空气反应器中，与空气发生氧化反应进行再生，同时大量放热，高温烟气可以用于供热和发电。反应器是化学链制氢技术中的重要部分，它要保证燃料的完全转化，以实现CO2内分离；与此同时，还要实现铁基载氧体还原到低于Fe3O4的价态，进而能够在水蒸汽氧化时产生H2。固定床反应器可以同时满足这些要求，因此在化学链制氢领域广泛使用。与化学链燃烧领域广泛使用的流化床反应器不同，固定床反应器，特别是大规模固定床反应器，需要使用较大尺寸的载氧体(厘米级)，以避免过大的床层压降。球形和圆柱形载氧体是常用的两种大尺寸载氧体。而目前报道的载氧体主要是以破碎筛分或者喷雾干燥等方法制备的较小尺寸载氧体(微米级)，而大尺寸载氧体的规模化制备方法及其在固定床化学链制氢中的应用未见报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是，提供一种圆柱形铁基载氧体及其制备方法，该载氧体在固定床化学链制氢中具有活性高、压降小、强度高等优点。本专利技术所采用的技术方案如下：一种圆柱形铁基载氧体，该载氧体由活性组分Fe2O3和载体Al2O3均匀混合构成，所述载氧体中活性组分Fe2O3质量含量为30％～70％之间，所述载氧体为直径在3～20mm、高度在3～15mm的圆柱体。优选地，所述载氧体重的活性组分Fe2O3和载体Al2O3质量比为1:1。优选地，所述载氧体的直径为5mm、高度为4～6mm。基于本专利技术的另一方面，还提供一种制备圆柱形铁基载氧体的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：金属氧化物混合粉末的制备，将活性组分Fe2O3和载体Al2O3加入到球磨罐中，加入质量为物料质量5～10倍的磨球，搅拌均匀，再加入质量为物料质量0.5～1倍的蒸馏水，进行球磨然后干燥处理得到金属氧化物混合粉末，其中，活性组分Fe2O3和载体Al2O3的质量比为3:7～7:3；步骤二：碾压成型，将干燥的金属氧化物混合粉末压制成直径3～20mm、高度为3～15mm圆柱体；步骤三：煅烧，将成型后的片剂进行煅烧，得到圆柱形铁基载氧体。优选地，所述球磨在球磨罐中进行，球磨的转速设置为100～200rpm，球磨时间为2～4h。优选地，对球磨后的物料在90～130℃下干燥10～15h，制得金属氧化物混合粉末。优选地，对干燥后的金属氧化物的压制在压片机中进行，设定压片的压力为10～60kN，压片频率10～60Hz。优选地，所述煅烧在马弗炉内进行，其中，设定的煅烧温度为900～1400℃，煅烧时间为8～36h。优选地，活性组分Fe2O3和载体Al2O3的质量比为1:1；碾压成型后的圆柱体直径为5mm、高度为4～6mm。本专利技术还提供一种上述圆柱形铁基载氧体在化学链制氢中的应用，其中，所述圆柱形铁基载氧体在燃料反应器中的还原温度为700～1100℃，在水蒸汽反应器中的氧化温度为700～1100℃，在空气反应器中的燃烧温度为700～1100℃。相较于现有技术，本专利技术所公开的一种圆柱形载氧体及其制备方法主要的优点在于：1)铁基载氧体活性组分均匀分布，反应活性高，可以在保证固定床燃料反应器中燃料的完全转化的情况下，直接制备出高纯度的H2；2)圆柱形载氧体机械强度高，可以在高温循环得失氧的条件下维持其形状不变，进而保证床层压力始终处于较低的水平，确保固定床化学链制氢工艺的顺利进行；3)载氧体的制备方法简单，重现性高，易于规模化生产。附图说明图1为本专利技术实施例所制得的Fe2O3/Al2O3载氧体的X射线衍射示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明，但不作为对本专利技术的限定。取250gFe2O3和250gAl2O3放入2L的球磨罐中，选择直径16mm,12mm,10mm,8mm和4mm磨球的配球数为18,42,183,372,1508(即球料比6：1)，加入球磨罐中，搅拌至料球混合均匀。加入250g的蒸馏水，待蒸馏水被物料完全吸收后，盖上密封圈和罐盖。将球磨罐整体放置在球磨机上，固定锁紧装置，关上防护罩。接通球磨机电源，设定球磨转速为150rpm，球磨时间3h，启动球磨开关。待球磨结束后，关闭球磨开关，切断电源，打开防护罩，自然冷却1h后，取下球磨罐，将含磨球和物料的球磨罐放入到105℃烘箱内干燥12h，取出球磨罐，待冷却至室温时，倒出磨球和物料，用筛子将磨球和物料进行分离。铁基载氧体活性组分均匀分布，反应活性高，可以在保证固定床燃料反应器中燃料的完全转化的情况下，直接制备出高纯度的H2。将干燥后的物料转移至压片机料斗中，在20kN、18Hz的条件下，制得直径5mm、高4～6mm的圆柱形片剂。将圆柱形片剂放入到马弗炉内，以5℃/min的升温速率从室温升至1000℃，恒温煅烧10h，得到圆柱形铁基载氧体，其中Fe2O3和Al2O3的质量分数均为50％。圆柱形载氧体机械强度高，可以在高温循环得失氧的条件下维持其形状不变，进而保证床层压力始终处于较低的水平，确保固定床化学链制氢工艺的顺利进行。此外，当圆柱形铁基载氧体应用于化学链制氢中，其特征在于，所述圆柱形铁基载氧体在燃料反应器中的还原温度为700～1100℃，在水蒸汽反应器中的氧化温度为700～1100℃，在空气反应器中的燃烧温度为700～1100℃。所述载氧体在固定床化学链制氢过程中具有活性高、强度大、压降低的特点。上述实施例所制备的载氧体按如下方法进行性能评价。载氧体评价试验在连续流动的固定床反应中进行，取4kg载氧体。燃料气为CO，流量为15L/min，反应温度800℃，反应压力为常压。当燃料气开始穿透时，切换成15L/min的N2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆柱形铁基载氧体，其特征在于，该载氧体由活性组分Fe2O3和载体Al2O3均匀混合构成，所述载氧体中活性组分Fe2O3质量含量为30％～70％之间，所述载氧体为直径在3～20mm、高度在3～15mm的圆柱体。

【技术特征摘要】
1.一种圆柱形铁基载氧体，其特征在于，该载氧体由活性组分Fe2O3和载体Al2O3均匀混合构成，所述载氧体中活性组分Fe2O3质量含量为30％～70％之间，所述载氧体为直径在3～20mm、高度在3～15mm的圆柱体。2.如权利要求1所述的圆柱形铁基载氧体，其特征在于，所述载氧体重的活性组分Fe2O3和载体Al2O3质量比为1:1。3.如权利要求1所述的圆柱形铁基载氧体，其特征在于，所述载氧体的直径为5mm、高度为4～6mm。4.一种制备圆柱形铁基载氧体的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：金属氧化物混合粉末的制备，将活性组分Fe2O3和载体Al2O3加入到球磨罐中，加入质量为物料质量5～10倍的磨球，搅拌均匀，再加入质量为物料质量0.5～1倍的蒸馏水，进行球磨然后干燥处理得到金属氧化物混合粉末，其中，活性组分Fe2O3和载体Al2O3的质量比为3:7～7:3；步骤二：碾压成型，将干燥的金属氧化物混合粉末压制成直径3～20mm、高度为3～15mm圆柱体；步骤三：煅烧，将成型后的片剂进行煅烧，得到圆柱形铁基载氧体。5.如权利要求4所述的制备圆柱形铁基...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，花秀宁，夏洲，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11