穆麗穎， 肖慧霞， 張志豐， 蔡志陽， 王亦飛， 于廣鎖

（ 華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海市煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海 200237）

化學(xué)鏈燃燒（Chemical Looping Combustion,CLC）是一種具有CO2內(nèi)分離特性的高效無火焰燃燒技術(shù)，是減少化石燃料CO2排放的有效方法之一[1]。CLC技術(shù)中載氧體在兩個(gè)相互連通的燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器之間循環(huán)[2]，或在單個(gè)流化床內(nèi)間歇運(yùn)行循環(huán)[3]。載氧體在燃料反應(yīng)器中為燃料供氧，隨后進(jìn)入空氣反應(yīng)器中氧化再生[4]，如此循環(huán)以避免燃料與空氣直接接觸，提高尾氣中CO2的富集程度，并抑制NOx的生成，從而降低CO2捕集成本。

尋找具有載氧量高、熱穩(wěn)定性能好、氧化還原反應(yīng)性高和價(jià)廉易得、環(huán)境友好的載氧體是發(fā)展CLC技術(shù)的關(guān)鍵[5]。CaSO4因載氧量高、成本低和環(huán)境友好被廣泛關(guān)注，但應(yīng)用時(shí)存在機(jī)械強(qiáng)度弱、反應(yīng)活性差等問題[6]。研究表明，可通過添加惰性載體提高載氧體的機(jī)械強(qiáng)度，增加使用周期。惰性載體如膨潤土（Ben）[7]、海泡石[8]、Al2O3[9]、SiO2[10]等，其中膨潤土的添加能夠明顯提高CaSO4載氧體的機(jī)械強(qiáng)度[7]；引入活性組分如Fe2O3[11]、CuO[12]、CoO[13]和Mn2O3[14]可在一定程度上提高鈣基載氧體的反應(yīng)活性，其中Fe2O3修飾效果最佳。Fe2O3不僅是促進(jìn)煤氣化動力學(xué)的活性組分，而且對CaSO4載氧體的還原反應(yīng)具有催化作用[15]。但有關(guān)Fe2O3對添加惰性載體的CaSO4載氧體的催化作用和機(jī)理研究得較少。

本文在已添加Ben的CaSO4/Ben載氧體的基礎(chǔ)上，添加活性助劑Fe2O3制備了系列復(fù)合載氧體。在間歇式流化床反應(yīng)器中進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，評估Fe2O3修飾CaSO4/Ben載氧體的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性；利用熱重分析儀測試反應(yīng)活化能，從而驗(yàn)證Fe2O3對CaSO4/Ben與CO反應(yīng)的催化作用，為改善CaSO4/Ben載氧體性能提供了一種可行方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

硫酸鈣（CaSO4·2H2O），w≥99%，上海麥克林生化科技有限公司；膨潤土（Al2O3·4SiO2·H2O），w≥99%，上海阿拉丁生化科技有限公司；硝酸鐵（Fe(NO3)3·9H2O)，w≥99%，上海潤捷化學(xué)有限公司。磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司，B11-1型；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司，DHG-9140A型；手動粉末壓片機(jī)，上海精勝儀器公司，JSP-24S型；馬弗爐，德國Nabertherm公司，P330型；熱重分析儀（TGA），德國NETZSCH公司，STA2500 Regulus型；

1.2 載氧體制備

將硫酸鈣與Ben按照m（CaSO4）∶m(Al2O3·4SiO2)=6∶4進(jìn)行機(jī)械混合。將混合物CaSO4/Ben浸漬于不同濃度的硝酸鐵溶液中，經(jīng)攪拌（80 ℃）、烘干（105 ℃）、造粒（10 MPa）、煅燒（900 ℃）、粉碎篩分（粒徑180～250 μm），制得Fe2O3負(fù)載量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，下文提及的修飾劑含量均以此計(jì)）分別為0、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%、17.5%和20.0%的載氧體顆粒CaSO4/Ben-iFe（i表示Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)）用于流化床實(shí)驗(yàn)。將膨潤土浸漬于硝酸鐵溶液中，通過改變膨潤土和硝酸鐵比例，使載氧體中因硝酸鐵煅燒而生成的Fe2O3與Al2O3·4SiO2的質(zhì)量比控制為6∶4，混合物經(jīng)攪拌、烘干、造粒、煅燒、粉碎篩分后制得Fe2O3/Ben載氧體。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及性能測試方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置 間歇式流化床化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由配氣控制系統(tǒng)、間歇式流化床反應(yīng)器和氣體在線檢測系統(tǒng)三部分構(gòu)成。配氣控制系統(tǒng)中CO、N2以及空氣由鋼瓶供給，以質(zhì)量流量計(jì)控制氣體流量。流化床反應(yīng)器主體為不銹鋼管（310S， ? 32 mm×1050 mm），多孔陶瓷分布板設(shè)置于其底部515 mm處，通過加熱反應(yīng)器外部包覆的帶有溫控程序的電阻爐以提供反應(yīng)所需的熱量。氣態(tài)產(chǎn)物經(jīng)過冷卻、除塵和干燥后進(jìn)入西門子實(shí)驗(yàn)室在線分析系統(tǒng)（Ultramat 23，Calomat 6，Oxymat 61），檢測組分包括CO、CO2以及O2。

圖1 間歇式流化床化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)Fig. 1 Chemical looping combustion system of batch fluidized bed

1.3.2 循環(huán)性能測試 稱取30 g載氧體置于分布板上，檢測系統(tǒng)的氣密性后，在N2氣氛下將反應(yīng)器加熱至900 ℃進(jìn)行還原-吹掃-氧化-吹掃循環(huán)實(shí)驗(yàn)。還原階段反應(yīng)時(shí)間設(shè)置為20 min。吹掃時(shí)，通入N2直至完全置換系統(tǒng)內(nèi)的氣體，避免還原氣體與氧化氣體接觸。在氧化階段，由于載氧體的氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為維持反應(yīng)器內(nèi)溫度恒定，使用O2、N2體積比為9∶1的混合氣體替代空氣，氧化至尾氣中O2體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)至初始水平（10%）時(shí)停止。各載氧體分別進(jìn)行12次氧化還原循環(huán)，最后一次循環(huán)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，載氧體被氧化至氧化態(tài)。

1.3.3 反應(yīng)性能測試 稱取約20 mg載氧體置于氧化鋁坩堝中，利用熱重分析儀測試載氧體的反應(yīng)性能。在N2氣氛下，以30 ℃/min升溫速率升溫至設(shè)定溫度（800、850、900、950 ℃）后，以100 mL/min的速率通入CO與N2混合氣（體積比為1∶4）。當(dāng)載氧體質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)反應(yīng)結(jié)束，并在N2氣氛中冷卻至室溫。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以CO作為燃料，其與載氧體在還原階段發(fā)生1個(gè)主反應(yīng)（式（1））和3個(gè)副反應(yīng)（式（2）～式（4）），反應(yīng)后氣體流量增加。

因此根據(jù)N2質(zhì)量守恒[16]計(jì)算得到出口氣體的流量Qout：

定義反映載氧體反應(yīng)性能的重要指標(biāo)CO平均轉(zhuǎn)化率（XCO）為：

為量化多次循環(huán)（n）中載氧體反應(yīng)活性的衰減速率，定義CO平均轉(zhuǎn)化率衰減比δ，其與CO平均轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為：

載氧體還原度（R0）定義為：

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe2O3負(fù)載量對燃料轉(zhuǎn)化的影響

為探究Fe2O3負(fù)載量對CaSO4/Ben載氧體與CO反應(yīng)活性的影響，圖2示出了初次還原階段不同F(xiàn)e2O3負(fù)載量對CaSO4/Ben載氧體的CO平均轉(zhuǎn)化率的影響。由圖2可見，隨著Fe2O3負(fù)載量增加，CO平均轉(zhuǎn)化率顯著增加。當(dāng)Fe2O3負(fù)載量增加至15.0%時(shí)，CO平均轉(zhuǎn)化率由原來的0.83提高至0.97，表明Fe2O3對CaSO4/Ben載氧體與CO的還原反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用，可有效提高CO的燃燒效率；但當(dāng)Fe2O3負(fù)載量從15.0%增加至20.0%時(shí)，CO平均轉(zhuǎn)化率增幅僅為2.5%。因此，綜合考慮反應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性，在本文實(shí)驗(yàn)條件下，初次反應(yīng)時(shí)Fe2O3負(fù)載量為15.0%時(shí)最佳。主要原因有兩點(diǎn)：（1）Fe2O3在CaSO4與CO的還原反應(yīng)中起催化作用，F(xiàn)e2O3在反應(yīng)過程中先被CO還原生成單質(zhì)Fe，隨后與CaSO4結(jié)合形成中間體CaFeSO，中間體在與CO反應(yīng)時(shí)又重新生成Fe2O3[17-18]；（2）由于載氧體煅燒時(shí)前驅(qū)體Fe(NO3)3分解并釋放氣體，促進(jìn)了載氧體孔隙的發(fā)展。利用BET方法測試新制備的CaSO4/Ben和CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體顆粒孔徑特性，結(jié)果如表1所示，表明添加15.0%Fe2O3后的載氧體顆粒其比表面積（SBET）與孔容（VP）均有所增加，有利于氣固反應(yīng)的進(jìn)行。

圖2 Fe2O3負(fù)載量對CO平均轉(zhuǎn)化率的影響Fig. 2 Effect of Fe2O3 content on CO average conversion

表1 CaSO4/Ben和CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體顆?？讖教匦訲able 1 Pore size characteristics of CaSO4/Ben and CaSO4/Ben-15.0%Fe oxygen carriers

為驗(yàn)證Fe2O3對CaSO4/Ben載氧體與CO反應(yīng)的強(qiáng)化作用，對比CaSO4/Ben與CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體在初次還原過程中出口CO2和CO體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在CaSO4/Ben與CO反應(yīng)初期，由于成核和生長特征[19-20]，因此有約3 min的誘導(dǎo)期，隨后CO體積分?jǐn)?shù)持續(xù)升高；而CaSO4/Ben-15.0%Fe的誘導(dǎo)期縮短為2 min，且誘導(dǎo)期后CO體積分?jǐn)?shù)趨近于0。加入Fe2O3后，產(chǎn)生的CO2體積分?jǐn)?shù)峰值也從CaSO4/Ben的16.70%增至CaSO4/Ben-15%Fe的18.70%。說明Fe2O3的添加提高了CaSO4/Ben載氧體與CO反應(yīng)速率，使通入反應(yīng)器的CO氣體充分反應(yīng)，因而CO2濃度持續(xù)升高。

圖3 反應(yīng)器出口氣體濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship of reactor outlet gas concentration with reaction time

2.2 載氧體循環(huán)特性

為了研究Fe2O3修飾的CaSO4/Ben載氧體與CO的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性，對各載氧體進(jìn)行12次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。CaSO4/Ben載氧體在多次循環(huán)反應(yīng)（圖中虛線表示不同循環(huán)次數(shù)的間隔）過程中，CO2體積分?jǐn)?shù)峰值在15.0%～16.6%范圍內(nèi)變化較為穩(wěn)定，但達(dá)到峰值后的衰減速率增加；CO體積分?jǐn)?shù)的峰值則在前6次循環(huán)過程中逐漸增加，后趨于平緩。CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體從第2次循環(huán)起CO和CO2體積分?jǐn)?shù)的峰值就比較穩(wěn)定。由此可見，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%的Fe2O3后，載氧體與CO反應(yīng)的穩(wěn)定性得到了提高。

圖4 載氧體化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)物及產(chǎn)物濃度曲線Fig. 4 Concentration curves of reactants and products in CLC of oxygen carriers

12次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中各載氧體的CO平均轉(zhuǎn)化率如圖5所示，可見各載氧體CO平均轉(zhuǎn)化率總體呈下降趨勢，且前2次循環(huán)時(shí)下降趨勢顯著，原因是副反應(yīng)式（2）～（4）的發(fā)生，使CaSO4轉(zhuǎn)化為CaO時(shí)釋放含硫氣體，從而導(dǎo)致載氧體中的有效組分減少，載氧體顆粒的可回收性降低。在第2次循環(huán)后，CO平均轉(zhuǎn)化率衰減速率變緩，副反應(yīng)產(chǎn)生的CaO在反應(yīng)器中累積，從而抑制副反應(yīng)的發(fā)生[21]，且Fe2O3可抑制副反應(yīng)式（4）的發(fā)生[18]?？v向?qū)Ρ瓤芍?，CO平均轉(zhuǎn)化率基本上隨Fe2O3負(fù)載量的增加而增加。CaSO4/Ben與CaSO4/Ben-15.0%Fe經(jīng)12次循環(huán)反應(yīng)后，CO平均轉(zhuǎn)化率分別由原來的0.83下降至0.66，以及由原來的0.97下降至0.87。由此可見，F(xiàn)e2O3可顯著提高載氧體的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性。當(dāng)Fe2O3負(fù)載量為15.0%～20.0%時(shí)，F(xiàn)e2O3對CaSO4/Ben載氧體反應(yīng)活性及穩(wěn)定性的改善程度相近。

圖5 CO平均轉(zhuǎn)化率隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 5 CO average conversion rate varies with the cycle numbers

為了研究載氧體反應(yīng)性能下降的原因，對比了CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體12次循環(huán)反應(yīng)前后的微觀形貌，如圖6所示?？梢娫?2次循環(huán)反應(yīng)后，CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體顆粒表面由于循環(huán)過程中發(fā)生放熱反應(yīng)導(dǎo)致輕微的熔融團(tuán)聚現(xiàn)象，從而使CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體表面孔隙與比表面積減少，阻礙CO向載氧體內(nèi)部擴(kuò)散，并會導(dǎo)致CO平均轉(zhuǎn)化率下降，這與圖5結(jié)果一致。

圖6 CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體12次循環(huán)反應(yīng)前后的SEM分析Fig. 6 SEM analysis of CaSO4/Ben-15.0%Fe oxygen carriers before and after the 12 th cycles

通過BET測試得到CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體顆粒反應(yīng)前后孔徑分布情況及孔徑特性，分別如圖7和表2所示。經(jīng)過12次循環(huán)反應(yīng)后，CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體孔徑與孔容均有所減小。在2～10 nm段反應(yīng)前后孔徑分布變化不大；在10～70 nm段的40 nm左右處，反應(yīng)后孔容的峰值強(qiáng)度減弱，主要是CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體顆粒表面發(fā)生了輕微的燒結(jié)團(tuán)聚所致。

圖7 CaSO4/Ben-15%Fe載氧體顆粒在12次循環(huán)反應(yīng)前后孔徑分布情況Fig. 7 Pore size distribution of CaSO4/Ben-15%Fe oxygen carrier particles before and after the 12th cycles

表2 CaSO4/Ben-15.0%Fe載氧體顆粒在12次循環(huán)反應(yīng)前后孔徑特性Table 2 Pore size characteristics of CaSO4/Ben-15.0%Fe oxygen carriers before and after the 12th cycles

為了衡量多次循環(huán)化學(xué)鏈燃燒過程中各載氧體反應(yīng)的穩(wěn)定性，借助CO平均轉(zhuǎn)化率的衰減比進(jìn)行對比，其變化曲線如圖8所示。由圖8可以看出，隨著Fe2O3負(fù)載量的增加，CO轉(zhuǎn)化率的平均衰減比總體呈下降趨勢，CaSO4/Ben載氧體反應(yīng)的穩(wěn)定性也隨之得到改善。因此在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)載氧體中Fe2O3的負(fù)載量為15.0%時(shí)，載氧體即可維持良好的循環(huán)反應(yīng)活性和穩(wěn)定性。

圖8 CO平均轉(zhuǎn)化率的衰減比Fig. 8 Attenuation ratio of CO average conversion

2.3 Fe2O3對反應(yīng)活化能的影響

圖9示出了不同載氧體在800 ℃下的熱重（TG）和微分熱重（DTG）曲線。圖9(a)反映了CaSO4在載氧量上的顯著優(yōu)勢。Fe2O3/Ben樣品的質(zhì)量損失約為18%，與樣品中Fe2O3完全還原成Fe的質(zhì)量損失一致，表明樣品中的Fe2O3與CO反應(yīng)時(shí)最終被還原為單質(zhì)Fe。CaSO4/Ben-5.0%Fe樣品的質(zhì)量損失約為30%，其中Fe2O3被還原后造成的質(zhì)量損失僅為2.2%，CaSO4的還原則是造成樣品失重的主要原因。由圖9(b)的DTG曲線可以看出，與CaSO4/Ben和Fe2O3/Ben相比，添加Fe2O3修飾的CaSO4/Ben載氧體反應(yīng)性得到顯著改善。此外，由圖9(a)還可以看出，CaSO4/Ben樣品反應(yīng)90 min時(shí)仍未完全還原，而Fe2O3/Ben僅在20 min內(nèi)即完全還原，其反應(yīng)性優(yōu)于CaSO4/Ben。添加的Fe2O3加速了CaSO4的還原，F(xiàn)e2O3負(fù)載量為5.0%、10.0%、20.0%的CaSO4/Ben載氧體分別在26 min、21 min、14 min內(nèi)完全轉(zhuǎn)化。CaSO4/Ben-5.0%Fe的最高還原反應(yīng)速率約為CaSO4/Ben和Fe2O3/Ben的兩倍；隨著Fe2O3負(fù)載量的增加，反應(yīng)速率雖然沒有明顯變化，卻可相對縮短完全反應(yīng)所需的時(shí)間。因此，F(xiàn)e2O3對CaSO4具有良好的協(xié)同促進(jìn)作用。

圖9 不同載氧體在800 °C下的TG和DTG曲線Fig. 9 TG and DTG curves of different oxygen carriers at 800 °C

2.3.1 反應(yīng)動力學(xué)模型驗(yàn)證 如前所述，F(xiàn)e2O3修飾劑對CaSO4和CO的反應(yīng)具有催化作用。基于特征分析，進(jìn)行以下假設(shè)[22]：（1）忽略載氧體樣品顆粒的孔隙率；（2）忽略副反應(yīng)；（3）忽略外部傳質(zhì)；（4）不考慮結(jié)構(gòu)變化及燒結(jié)；（5）熱效應(yīng)最小化，假定為等溫反應(yīng)；（6）反應(yīng)處于偽穩(wěn)狀態(tài)。

反應(yīng)初期CaSO4與CO經(jīng)誘導(dǎo)期后進(jìn)入快速反應(yīng)期，體現(xiàn)出成核和生長過程的特征。反應(yīng)時(shí)CO吸附在CaSO4表面活性點(diǎn)位，高溫下部分原子核分散在CaSO4表面。因此在假設(shè)條件下，結(jié)合TGA分析，采用縮合模型模擬載氧體轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。恒定溫度下的動力學(xué)方程為：

其中kapp是表觀反應(yīng)速率常數(shù)，如式（11）所示：

考慮到反應(yīng)式（1）產(chǎn)生CaS后，發(fā)生固固反應(yīng)（式（3））對b沒有影響，因此根據(jù)反應(yīng)式（1），取b=0.25。CO還原CaSO4可以認(rèn)為是一階反應(yīng)，取n=1[22]。

化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k隨溫度的變化遵循Arrhenius表達(dá)式：

2.3.2 活化能擬合 借助TGA分析Fe2O3負(fù)載量不同的載氧體在不同溫度下的轉(zhuǎn)化率變化。由式9可看出ln[?ln(1?Xr)]和lnt的曲線是以m為斜率的線性曲線，且當(dāng)lnt=0時(shí)的截距為mlnkapp。表3所示為不同反應(yīng)溫度對應(yīng)的最佳擬合值，由表可見在不同反應(yīng)溫度下CaSO4/Ben顆粒的最佳擬合值為1.711～1.756，數(shù)據(jù)擬合的線性因子在0.946～0.991之間變化。對同一材料使用單一的m值，這與使用的形核與生長動力學(xué)模型的解釋是一致的。因此，所有的擬合曲線以平均值m=1.734進(jìn)行繪制。

表3 不同反應(yīng)溫度對應(yīng)的最佳擬合值mTable 3 Best fitting value m corresponding to different reaction temperatures

圖10示出了CaSO4/Ben轉(zhuǎn)化率的動力學(xué)模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，可見二者吻合較好，主要在800 ℃和850 ℃中的低轉(zhuǎn)化率時(shí)存在一定的偏差。

圖10 不同反應(yīng)條件下CaSO4/Ben載氧體轉(zhuǎn)化率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)比較Fig. 10 Comparison of experimental and model data of conversion of CaSO4/Ben oxygen carrier with different reaction conditions

由式（10）分別求得對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k值，并根據(jù)式（11）變式（lnk=lnk0?E/RT）線性化擬合得到對應(yīng)的活化能E。圖11所示為溫度與CaSO4/Ben載氧體化學(xué)反應(yīng)速常數(shù)關(guān)系曲線，擬合的線性相關(guān)系數(shù)為0.992，計(jì)算得到反應(yīng)活化能為88.27 kJ/mol。

圖11 ln k與1/T的Arrhenius圖Fig. 11 Arrhenius diagram of ln k and 1/T

圖12示出了不同F(xiàn)e2O3負(fù)載量的CaSO4/Ben載氧體與CO反應(yīng)活化能的變化曲線。結(jié)果表明，與CaSO4/Ben載氧體相比，添加Fe2O3后載氧體的反應(yīng)活化能均有所降低，即Fe2O3對CaSO4/Ben載氧體的催化作用隨Fe2O3負(fù)載量的增加而增強(qiáng)，這與圖2結(jié)果一致，Zhang等[23]也獲得了相似的結(jié)果，證實(shí)Fe2O3對CaSO4/Ben載氧體反應(yīng)具有催化作用，可降低CaSO4與CO反應(yīng)的活化能，提高CaSO4晶格氧釋放速率，從而提高載氧體轉(zhuǎn)化率。

圖12 活化能隨Fe2O3負(fù)載量的變化曲線Fig. 12 Change curve of activation energy with Fe2O3 content

3 結(jié) 論

通過在CaSO4/Ben載氧體中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Fe2O3，借助間歇式流化床反應(yīng)器與TGA分析儀，研究Fe2O3修飾CaSO4/Ben載氧體的化學(xué)鏈燃燒特性，得到以下結(jié)論：

（1）Fe2O3的添加可增加載氧體的比表面積和孔容，有利于提高載氧體反應(yīng)活性，但導(dǎo)致載氧體表面輕微燒結(jié)團(tuán)聚，從而影響燃料氣體向載氧體內(nèi)部擴(kuò)散的過程，不利于燃料轉(zhuǎn)化。

（2）載氧體在多次循環(huán)反應(yīng)中，部分CaSO4生成CaO與含硫氣體，導(dǎo)致其有效組分減少，在最初2次循環(huán)時(shí)的穩(wěn)定性較差。當(dāng)Fe2O3負(fù)載量為15.0%～20.0%時(shí)載氧體反應(yīng)穩(wěn)定性最佳，有利于維持化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行。

（3）Fe2O3對CaSO4/Ben載氧體與CO反應(yīng)起催化作用，能顯著提高其反應(yīng)速率，提高CO燃燒效率。通過計(jì)算反應(yīng)活化能，并對比各載氧體中CO平均轉(zhuǎn)化率，發(fā)現(xiàn)Fe2O3的最佳負(fù)載量為15.0%。

符號說明：

b——還原的化學(xué)計(jì)量系數(shù)

D——孔徑, nm

E——化學(xué)反應(yīng)的活化能，J/mol

G(Xr)——載氧體積分函數(shù)

kapp——表觀反應(yīng)速率常數(shù)

k——化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)

k0——為指前因子，m/s

m0——反應(yīng)前反應(yīng)物質(zhì)量，g

mt——t時(shí)刻反應(yīng)物質(zhì)量，g

mre——反應(yīng)后殘留質(zhì)量，g

m——阿夫拉米指數(shù)

n——反應(yīng)級數(shù)

pCO——?dú)怏w中的CO分壓，kPa

Qin——進(jìn)口氣體流量，L/min

Qout——出口氣體流量，L/min

R0——載氧體還原度

R——理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)

SBET——BET比表面積, m2/g

t——反應(yīng)時(shí)間，min

T——反應(yīng)溫度，K

Vp——孔容, cm3/g

XCO——CO平均轉(zhuǎn)化率

XCO,n——第n次循環(huán)反應(yīng)的CO平均轉(zhuǎn)化率

φi,in——還原階段流入系統(tǒng)的i氣體的體積分?jǐn)?shù)，%

φi,out——還原階段流出系統(tǒng)的i氣體的體積分?jǐn)?shù)，%

δ——衰減比