固体原料化学链技术研究进展与展望
结晶技术的现状与未来趋势
结晶技术的现状与未来趋势
结晶技术是一种将溶液或气体中的物质通过结晶过程分离和纯化的方法。
它在化学、医药、食品等领域具有广泛的应用。
下面是结晶技术的现状和未来趋势：
1. 现状：
- 结晶技术在化学合成中广泛应用，用于提取和纯化有机化合物。
它可以通过控制结晶条件来获得高纯度的化合物。
- 在药物制造中，结晶技术被用于纯化和分离药物成分，确保药物的质量和纯度。
- 在食品加工中，结晶技术可以用于提取和纯化食品成分，如糖类、盐类等。
- 结晶技术也在材料科学和电子工业中得到应用，用于制备纯度高的材料和晶体。
2. 未来趋势：
- 精准控制结晶过程是未来的发展趋势。
通过调整溶液的温度、浓度和搅拌速度等因素，可以实现对晶体形态、大小和分布的精确控制，提高产品的性能和质量。
- 高通量结晶技术的发展。
高通量结晶技术可以同时处理多个样品，加快结晶过程，并提高结晶的成功率。
这对于高效的药物筛选和材料研究具有重要意义。
- 结晶过程的机理研究。
通过深入研究结晶过程的原理和机理，可以更好地理解结晶的规律，并开发新的结晶技术和方法。
- 结晶过程的模拟和计算。
借助计算机模拟和建模的方法，可以预测和优化结晶过程，提高结晶的效率和产率。
总的来说，结晶技术在化学、医药、食品等领域的应用前景广阔。
随着科学技术
的不断进步，结晶技术将更加精确、高效和可控，为各个行业提供更好的解决方案。
固体润滑技术的研究现状及展望
固体润滑技术的研究现状及展望摘要：固体润滑是将固体物质涂或镀于摩擦界面，以降低摩擦，减少磨损的措施。
当前，可以作为固体润滑剂的物质有石墨和二硫化钼等层状物质、塑料和树脂等高分子材料、软金属及其各种化合物等。
在分析固体润滑机理的基础上，对常用的固体润滑材料，金属基润滑材料和高分子润滑材料的基本性质及使用特性进行了简要分析；简要说明了固体润滑技术的实际应用的基本常识；分析了各种状况下应该使用何种固体润滑剂；展望了固体润滑剂的发展方向。
Abstract: Solid lubricating is a technical method, with which a solid substance is smeared or plated on the friction surfaces and friction and abrasion are therefore reduced. Currently, lamellar substances (e. g. graphite and MoS2 ), macromolecular materials (e .g.plastics and colophony), and flexible metals and related compounds etc. are generally used for solid lubrication. Based on an analysis of the mechanisms of solid lubricating, physiochemical properties and performance characteristics of common solid lubricating materials, metallic lubricating materials and macromolecular lubricating materials are discussed in this paper. Fundamentals for the usage of solid lubricants are briefly described. In addition, future prospects on the development of solid lubricats are presented.关键词 : 固体润滑剂 ; 金属基润滑材料 ; 高分子润滑材料 ; 润滑剂 ; 边界润滑Key words: solid lubricant; metallic lubricating material; macromolecular lubricating material; lubricant; verge-lubricating1 固体润滑机理固体润滑的主要目的是用镀、涂等方法将固体润滑剂粘着在摩擦表面上形成固体润滑膜，摩擦时在对偶材料表面形成转移膜，使摩擦发生在润滑剂内部，从而减少摩擦，降低磨损。
固态化学的研究与应用
固态化学的研究与应用固态化学是材料科学和化学中重要的分支之一，研究的内容包括材料的结构、性质和反应。
它与其他化学领域的不同之处在于，它主要研究固体状态下的物质，而其他化学研究更加注重液体和气体状态下的反应，因此固态化学的研究对于材料科学和化学领域的发展具有重要的作用。
固态化学的研究对象包括无机物、有机物和生物分子等，涉及的领域广泛。
在无机材料领域，固态化学主要研究各种无机材料的制备、结构和性质，例如晶体的合成、单晶的生长和晶体的结构分析等。
在有机化学领域，固态化学主要研究有机材料的结构和物理性质，例如聚合物和晶态有机分子材料等。
在生物化学领域，固态化学主要研究生物分子的结构和生物大分子的自组装等。
固态化学的研究方法也比较多样化，其中最重要的一种方法是X射线衍射。
X射线衍射是一种非常常见的物理方法。
它可以通过研究物质所散射的X射线的方向和强度，来推测出物质的晶体结构和分子结构等信息。
除此之外，还有密度泛函理论、核磁共振、电子学等多种方法。
固态化学的应用非常广泛。
在环境保护领域，固态化学被广泛应用于空气和水的污染控制。
例如，利用吸附剂去除废水中重金属离子等污染物，或者使用催化剂降低废气中污染物的排放。
在新能源领域，太阳能电池、LED、高性能电池等都需要材料学、电子学和固态化学所提供的技术支持。
此外，固态化学的应用还涉及到药物研究、材料加工、新材料设计、纳米技术等多个领域。
例如在药物研究方面，固态化学研究可以帮助科学家快速解析新药的成分、稳定性和储存条件等参数；在材料加工方面，通过固态化学研究不同的材料组成和晶体结构，可以优化材料的机械性能和耐腐蚀性；在新材料设计方面，固态化学可以帮助科学家研究新型材料的储能性、理化性质等。
固态化学对于纳米领域的发展也具有重要的作用，例如分析纳米结构材料的成分，制备纳米粒子的方法等。
总之，固态化学的研究和应用是广泛而重要的，只有通过深入探究固态化学的学科，理解其理论和应用，才能取得更加丰富的科研成果和实践成果。
锂离子电池用固态电解质的研究现状与展望
锂离子电池用固态电解质的研究现状与展望摘要：本文探讨了锂离子电池用固态电解质的研究现状与展望。
首先，介绍了锂离子电池固态电解质的特点及研究现状，详细探讨了氧化物、硫化物、聚合物和凝胶聚合物等不同类型的固态电解质及其应用场景。
随后，深入分析了提升固态电解质性能的关键问题，包括离子导电率、电化学窗口、固固界面和两相相容性等方面。
在最后，展望了固态电解质在未来的发展趋势，特别关注了新型材料设计、纳米技术应用、环保可持续性和大规模商业化等方面的挑战和机遇。
关键词：锂离子电池；固态电解质；运用现状；发展展望前言锂离子电池作为当今最为普遍应用的电池之一，其性能的提升一直是科研领域的热点之一，固态电解质作为锂离子电池的重要组成部分，在提高电池安全性、循环寿命以及能量密度方面具有巨大潜力。
本文旨在系统性地总结锂离子电池固态电解质的研究现状，深入探讨其分类、性能优化和未来发展方向，为相关研究提供全面的参考。
一、锂离子电池固态电解质特点及研究现状锂离子电池作为一种高能量密度和轻量化的电池系统，在现代电子设备和电动汽车等领域得到广泛应用，然而传统液态电解质在高温、高压等条件下存在安全隐患，限制了锂离子电池的进一步发展，因此固态电解质作为一种潜在的替代方案受到了广泛关注。
固态电解质具有多种引人注目的特点，其中包括较高的化学稳定性、更宽的工作温度范围以及更好的安全性能，这些特性使得固态电解质能够应对传统液态电解质所面临的一系列挑战，如极端工作条件下的电池性能退化和安全问题。
目前，关于锂离子电池固态电解质的研究正处于积极发展的阶段。
在研究现状方面，学术界和工业界正在集中力量解决固态电解质的关键问题，包括提高电导率、解决与电极的界面问题以及改善材料的加工性能，通过设计新型固态电解质材料，优化结构，调控界面特性，以及采用先进的制备技术，取得了一系列显著的研究成果。
此外，一些新型固态电解质材料，如硫化物、氧化物、磷酸盐等，因其在电导率、稳定性和安全性方面的优越性能而备受关注，纳米技术的引入也为固态电解质的改性和性能提升提供了新的途径[1]。
固体酸催化剂的研究进展
固体酸催化剂的研究进展固体酸催化剂是一种具有固体酸特性的材料，具有催化反应的能力。
相比于液体酸催化剂，固体酸催化剂具有结构稳定、可重复使用、废气处理效果好等优点，因此在各个领域得到了广泛的应用。
本文将重点介绍固体酸催化剂的研究进展。
固体酸催化剂的种类很多，常见的有氧化铝、分子筛、硼氢化钠、钨酸等。
这些材料都具有高度离子化的氧化物表面，能够吸附和活化反应物，在反应中起到催化剂的作用。
其中，分子筛是最常用的固体酸催化剂之一，具有孔道结构和可调变的酸性等特点，广泛应用于转化反应、酸碱中和反应、环氧化反应、酯化反应等。
催化剂结构的设计与调控是指通过合成方法和表面改性来控制催化剂的结构特征，以优化其催化性能。
例如，可以通过调控分子筛孔道结构的孔径大小和酸性位点的浓度，来控制反应物分子在孔道内的扩散和反应速率，从而提高催化剂的选择性和活性。
此外，还可以通过改变催化剂的掺杂元素、控制晶格缺陷和表面缺陷等方法，来调控催化剂的酸性和还原性，进一步提高催化剂的活性。
催化剂活性的提高是指通过合理设计催化剂的物理化学性质和表面活性位点，以提高催化剂在特定反应中的催化性能。
例如，可以通过增加催化剂的表面酸性位点、提高活性位点的分布均匀性、调控催化剂的空间电子结构等方法，来增加催化剂与反应物之间的相互作用，提高反应速率和选择性。
此外，还可以通过金属掺杂、负载等手段，来提高催化剂的稳定性和抗中毒性，延长催化剂的使用寿命。
除了催化剂的结构设计和活性提高，固体酸催化剂的研究还涉及到反应机理的探索和反应条件的优化。
通过对催化反应的原位表征、理论模拟和实验研究，可以揭示反应的微观机理和关键步骤，为催化剂的设计和优化提供理论依据。
而通过对反应条件的优化，可以调节反应物浓度、反应温度、反应时间等参数，以提高反应的转化率和选择性。
综上所述，固体酸催化剂的研究进展主要包括催化剂结构的设计与调控、催化剂活性的提高、反应机理的探索和反应条件的优化等方面。
固体酸催化剂的研究进展
固体酸催化剂的研究进展基于氧化物的固体酸催化剂包括铝酸盐、硅酸盐、锡酸盐、钛酸盐等。
这类催化剂在油脂加氢、异构化、酯交换等反应中表现出良好的活性和选择性。
基于有机酸或离子的固体酸催化剂包括离子交换树脂、功能化SO42-团的SiO2等。
这类催化剂可以通过选择合适的有机酸或离子来调控其酸性，从而实现对不同反应的催化。
1.新型固体酸催化剂的合成和性能调控：研究人员通过改变催化剂的成分、结构和形貌等因素来提升其催化性能。
例如，将不同金属掺杂到氧化物催化剂中可以增强其酸性和抗齿型能力；采用纳米材料可以提高催化剂的比表面积和催化活性。
2.固体酸催化剂在有机合成中的应用：固体酸催化剂在有机合成中有着广泛的应用。
例如，通过固体酸催化剂可以实现简单、高效的醇醚化反应、酯化反应、甘氨酸催化羰基垂直三聚化反应等。
3.固体酸催化剂的工业应用：固体酸催化剂在化学工业中有很大的应用潜力。
例如，ZSM-5型分子筛催化剂在石油加氢和秋冬菜籽原料酯化反应中具有广泛的工业应用。
随着工业化生产的需求，研究人员还在努力提高固体酸催化剂的稳定性、降低成本以及开发新的催化反应。
4.固体酸催化剂的表征和反应机制研究：为了更好地理解固体酸催化剂的性能和反应机制，研究人员也在进行催化剂的表征和反应机制研究。
例如，通过催化剂表面酸性的测试，研究催化剂表面酸性位点的分布和性质；通过理论计算和反应动力学模拟，研究催化反应的速率控制步骤和反应途径。
总之，固体酸催化剂作为一类重要的催化剂，在有机合成、化学工业以及环境保护等领域都有着广泛的应用前景。
未来的研究还需进一步提高固体酸催化剂的活性和稳定性，并且深入理解其反应机制，以满足不同领域的应用需求。
全固态锂电池技术的研究现状与展望
全固态锂电池技术的研究现状与展望第2卷第4期 2019年7月储能科学与技术 Energy Storage Science and Technology V ol.2 No.4Jul. 2019特约评述全固态锂电池技术的研究现状与展望许晓雄，邱志军，官亦标，黄祯，金翼（1中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江宁波 315201；2中国电力科学研究院，北京 100192）11212摘要：现有电化学储能锂离子电池系统采用液体电解质，易泄露、易腐蚀、服役寿命短，具有安全隐患。
薄膜型全固态锂电池、大容量聚合物全固态锂电池和大容量无机全固态锂电池是一类以非可燃性固体电解质取代传统锂离子电池中液态电解质，锂离子通过在正负极间嵌入-脱出并与电子发生电荷交换后实现电能与化学能转换的新型高安全性锂二次电池。
作者综述了各种全固态锂电池的研究和开发现状，包括固态锂电池的构造、工作原理和性能特征，锂离子固体电解质材料与电极/电解质界面调控，固态整电池技术等方面，提出并详细分析了该技术面临的主要科学与技术问题，最后指出了全固态锂电池技术未来的发展趋势。
关键词：储能；全固态锂离子电池；固体电解质；界面调控 doi ：10.3969/j.issn.2095-4239.2019.04.001中图分类号：TM 911 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2019）04-331-11All-solid-state lithium-ion batteries：State-of-the-artdevelopment and perspectiveXU Xiaoxiong1，QIU Zhijun1，GUAN Yibiao2，HUANG Zhen1，JIN Yi2（1Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo 315201，Zhejiang ，China ；2China Electric Power Research Institute，State Grid，Beijing 100192，China ）Abstract ：Conventional lithium-ion secondary batteries have been widely used in portable electronic devices and are now developed for large-scale applications in hybrid-type electric vehicles and stationary-type distributed power sources. However, there are inherent safety issues associated with thermal management and combustible organic electrolytes in such battery systems. The demands for batteries with high energy and power densities make these issues increasingly important. All-solid-state lithium batteries basedon solid-state polymer and inorganic electrolytes are leak-proof and have been shown to exhibit excellent safety performance, making them a suitablecandidate for the large-scale applications. This paper presents a brief review of the state-of-the-art development of all-solid-state lithium batteries including working principles, design and construction, and electrochemical properties and performance. Major issues associated with solid-state battery technologies are then evaluated. Finally, remarks are made on the further development of all-solid-state lithium cells.Key words：energy storage；all-solid-state lithium-ion cell；solid electrolyte；interface modification大规模储能系统已经成为未来智能电网的重系统的利用效率、电力质量和促进可再生能源广泛要组成部分，开发高效储能技术对于提高现有发电应用具有重大社会与经济效益。
我国化工新材料发展趋势及展望
目录
1 我国化工新材料产业现状 2 我国化工新材料产业发展面临的机遇及挑战 3 我国化工新材料产业发展重点及方向
我国化工新材料产业发展重点及方向
高端聚烯烃发展现状
高端聚烯烃主要包括两大类：大宗品种的高端牌号；特殊品种的聚烯烃。 LDPE：高端产品主要有MFR小于1的薄膜料，如大棚膜料、重包装料、热收缩膜料等，涂层料，高压或超高压电缆料、 高熔指的注塑料，如塑料花料。 EVA：高附加值产品主要集中在VA含量在25%以上的产品中，主要包括高档鞋材、热熔胶、太阳能膜及电线电缆产品 等产品领域。 HDPE：高附加值产品主要集中在吹塑产品中的200L以上的大中空料，管材领域中获得PE80或PE100及以上认证的产 品、熔指超过20(190℃/2.16kg)的注塑料和超高分子量产品等。 LLDPE：高端牌号主要主要集中在茂金属和C6、C8共聚产品上，其应用主要集中在大棚膜、缠绕膜、热封膜、滚塑 产品及改性料(POE)等领域。 PP：高附加值产品主要集中薄膜的热封料，熔喷无纺布料、MFR(一般大于15)较高的嵌段共聚物、PP-r管材料、发泡 聚丙烯料。
通过催化剂和关键配套原料技术的突破，降低生产成本，提高国内产品竞争力，推动己烯-1/辛烯-1等高碳α烯烃共聚聚乙 烯、茂金属聚乙烯等已有一定产业化基础的高端聚烯烃产品进一步提升规模、提高国内自给率，推动茂金属聚丙烯实现工 业化批量生产供应，增强在茂金属聚丙烯领域的国际影响力。
大力提升超高分子量聚乙烯、聚丁烯-1等国内产能规模较大，但国内开工率显著不足而产品仍大量进口，结构性矛盾较为 突出的特种聚烯烃工艺水平和产品质量，争取产品质量稳定性和关键参数接近或达到进口同类产品水平。
COC/COP基本没有实现工业化生产。 与国际先进水平仍有较为明显的差距：
全固态锂电池技术的研究现状与展望
全固态锂电池技术的研究现状与展望一、本文概述随着全球能源需求的日益增长和环境保护压力的持续增大，新型高能量密度、长寿命、高安全性的电池技术已成为研究热点。
全固态锂电池（SSLIBs）因其具备高能量密度、快速充电、长寿命和低安全风险等优势，成为了电池技术领域的一颗新星。
本文旨在对全固态锂电池技术的研究现状进行全面的综述，并展望其未来的发展趋势。
我们将从全固态锂电池的基本原理、关键材料、制造工艺、性能评估以及应用前景等方面进行深入探讨，以期为相关研究和产业化提供有价值的参考。
我们也将关注全固态锂电池技术面临的挑战和可能的解决方案，以期推动这一领域的持续发展和进步。
二、全固态锂电池技术的研究现状近年来，全固态锂电池技术的研究取得了显著的进展，成为了电池科技领域的研究热点。
固态电解质作为全固态锂电池的核心组件，其材料选择和性能优化成为了研究的重点。
目前，固态电解质主要分为硫化物、氯化物和氧化物三大类。
硫化物电解质具有较高的离子电导率，但机械强度较低；氯化物电解质离子电导率高且稳定性好，但制备工艺复杂；氧化物电解质则以其高机械强度和化学稳定性受到广泛关注。
在电池结构方面，全固态锂电池采用了多层结构和纳米结构设计，以提高电池的性能和安全性。
多层结构通过在电解质和正负极之间引入额外的隔离层，防止了锂枝晶的形成和电解质的降解。
纳米结构设计则通过减小电解质和正负极的粒径，增加活性物质的接触面积，从而提高电池的容量和能量密度。
在制备工艺方面，研究者们不断探索新的制备技术，如高温固相法、溶液法、熔融盐法等，以制备出性能优异的固态电解质和全固态锂电池。
同时，研究者们还关注于提高电池的生产效率和降低成本，以实现全固态锂电池的商业化应用。
然而，尽管全固态锂电池技术取得了显著的进展，但仍面临一些挑战和问题。
固态电解质的离子电导率相比液态电解质仍较低，影响了电池的倍率性能。
固态电解质与正负极之间的界面电阻较大，降低了电池的能量效率。
固体无机化学的发展及应用
固体无机化学的发展及应用固体无机化学是研究无机固体的合成、结构、性质和应用的一门学科。
它主要包括固体无机化合物的合成方法、晶体结构解析、固体性质研究以及固体材料在能源、光电、催化等领域的应用等内容。
在过去的几十年里，固体无机化学在理论研究、实验技术和材料应用等方面取得了重要进展。
固体无机化学在合成方法方面发展迅速。
近年来，先进的合成技术如溶胶-凝胶法、水热法、气相沉积法、高温固相法等被广泛应用于无机材料的制备。
这些方法可以精确控制材料的形貌、尺寸和组成，并可制备出具有特殊结构和性能的材料，为材料制备领域带来了革命性的变化。
晶体结构解析技术是固体无机化学的重要组成部分。
X射线衍射、中子衍射和电子显微镜等技术的发展，为确定无机材料的晶体结构提供了有力的工具。
通过晶体结构解析，可以深入了解无机材料的原子排列方式、键合特性以及结构与性能之间的关系，为材料的性能优化和设计提供了理论依据。
固体无机化合物的性质研究是固体无机化学的核心内容之一。
利用各种表征手段如X射线衍射、热重分析、电化学性质测试等，可以对材料的晶体结构、磁性、光学、电化学和电子传输等性质进行系统研究。
这些研究为材料的性能调控和材料应用提供了理论指导。
固体无机化学在能源、光电和催化等领域的应用广泛。
无机材料在能源领域中的应用主要包括锂离子电池、燃料电池、光催化、光电催化等。
通过合理设计和改进材料结构，可以提高能源转化效率、储能性能和光电转换效率等重要指标。
此外，固体无机化合物还可用于制备光电材料、传感器和电子器件，并在环境保护和催化反应中发挥重要作用。
总之，固体无机化学作为一门学科在合成方法、晶体结构解析、性质研究和应用等方面取得了重要进展。
随着技术的不断发展，人们对固体无机材料的研究和应用将会更加深入，这将对材料科学与应用领域带来更高的效益和更广阔的发展空间。
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固体原料化学链技术研究进展与展望罗四维;李军;张然;王芳杰;崔龙鹏【摘要】化学链技术是一种清洁高效的新型技术.煤、石油焦、生物质等固体原料的化学链技术处于初步研发阶段.氧载体的研发、反应器的研制和工艺性验证试验是核心研究方向.双组分化学链氧解耦(CLOU)材料可以在反应条件下解离出气相氧,提高反应速率,是未来氧载体的研发方向.流化床燃料反应器反应速率高、易于放大,移动床燃料反应器原料转化率高、气体产物纯度高.这2种燃料反应器模式都将继续发展、完善,并会长期共存.催化气化技术可以提高焦炭的气化速率,有望解决固体原料转化率低、反应速率慢等难题,从而促进固体原料化学链技术的发展,而化学链部分氧化技术也有望发展成为先进的固体原料气化技术,并且拥有十分广阔的应用前景.【期刊名称】《石油学报（石油加工）》【年(卷),期】2015(031)002【总页数】10页(P426-435)【关键词】化学链;氧载体;反应器;工艺开发【作者】罗四维;李军;张然;王芳杰;崔龙鹏【作者单位】中国石化石油化工科学研究院,北京100083;中国石化石油化工科学研究院,北京100083;中国石化石油化工科学研究院,北京100083;中国石化石油化工科学研究院,北京100083;中国石化石油化工科学研究院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TQ083化学链技术(Chemical looping technology)又称化学环技术,是通过使用某种化学介质将一个特定的化学反应分解为若干个次级化学反应,从而达到优化流程、便于分离等目的的技术[1]。
广义上的化学链技术涵盖了所有符合此原理的技术手段,如目前仍在过氧化氢生产工艺中广泛使用的蒽醌法等[2-3]。
狭义上的化学链技术则主要是指与碳基原料转化相关的化学链技术。
其中的反应介质将氧从空气传递到碳基原料中,因此又称为氧载体(Oxygen carrier),或者载氧体。
根据燃料反应器中产物的不同,化学链技术可分为化学链燃烧技术(Chemical looping combustion)与化学链部分氧化技术(Chemical looping partial oxidation)[4],其原理如图1所示。
在化学链燃烧技术中,碳基原料中的化学能被转化为热能,进而用以推动蒸汽轮机做功发电[5-6]。
热力学分析表明,相比于原料在空气中的直接燃烧技术,化学链燃烧技术可显著降低过程的不可逆性,减少发电系统中的可用功损失,因而提供了获得更高能量转化效率的可能性[7-10]。
化学链燃烧技术另外一个备受关注的优点是其燃烧产物中CO2分离的便易性。
在化学链燃烧技术中,氧载体将氧从空气传递到原料中,避免了燃烧产物CO2与N2等的混合,从而大大降低了CO2的捕集分离难度。
据估算,使用化学链燃烧法不但可将燃烧产生的CO2全部捕集,而且与常规火电厂复合单乙醇胺(MEA)法捕集90%的CO2流程相比,其效率还要高出23.5%[11]。
由此可见,化学链燃烧技术兼具提高能效的高效性和CO2捕集分离的环保性,因此近年来在学术界引起了浓厚兴趣。
图2为碳基原料化学链燃烧技术的论文发表情况。
化学链制氢技术(Chemical looping hydrogen generation)是在化学链燃烧技术基础上衍生而来,其原理如图3所示[12-15]。
在铁基化学链燃烧技术的基础上,化学链制氢技术在燃料反应器与空气反应器之间增加了蒸汽反应器,从而可以从蒸汽反应器中获取氢气。
通过调节蒸汽与空气的通入量,还可以实现不同比例的氢能与电能的联产[16-17]。
化学链制氢技术在发展早期曾被称为化学链气化技术(Chemical looping gasification),但由于此技术路径并不真正涉及原料的气化过程,因此近年来较少再对其进行如此指代。
化学链部分氧化技术的概念近年来才被明确提出。
在化学链部分氧化技术中,碳基原料与氧载体反应,生成合成气等部分氧化产物,而非CO2和H2O等燃烧产物。
根据碳基原料不同,在蒸汽作用下将天然气转化为合成气的技术称为化学链重整技术(Chemical looping reforming),将煤、生物质或石油焦转化为合成气的技术称为化学链气化技术(Chemical looping gasification),这些都属于化学链部分氧化技术的具体应用。
由于合成气是众多化工过程都需要的重要中间物质,可生产氢气、甲醇或合成油,因此,化学链部分氧化技术的发展大大扩展了化学链技术的应用范围,具体如图4所示。
根据碳基原料的不同,化学链技术可分为气体原料化学链技术与固体原料化学链技术。
迄今为止,使用天然气等气体原料的化学链技术,包括化学链燃烧技术与化学链部分氧化技术都已在验证放大装置上获得成功。
系统连续稳定运行可达数百小时,原料转化率可在99%以上[18-22]。
固体原料化学链技术的研究目前主要集中在化学链燃烧技术(包括化学链制氢技术)上。
根据固体原料的进料方式,又可分为间接进料技术(合成气化学链技术)与直接进料技术(固体原料直接化学链技术)。
在间接进料技术中,固体原料首先在气化炉中进行气化,生成合成气,进而以合成气为原料,进行化学链燃烧[13,16]。
本质上,这种方法回避了直接使用固体原料的多种问题,所以不存在额外的技术障碍,但是需要额外引入气化炉,因此大大提高了设备与操作成本。
在直接进料技术中,通过外加CO2/蒸汽作为气化剂,或者使用在反应温度下能够解离出气相氧的氧载体材料,可以在燃料反应器中同时完成固体原料的脱挥发分、气化、气体与氧载体的反应等多个阶段。
流程模拟的计算结果表明,与常规空气燃煤系统相比,煤直接化学链燃烧系统在热效率、可用功效率、碳捕捉率、NOx与CO2排放等方面均具有显著优势,是目前化学链技术领域的研究热点[27]。
Lyngfelt等[23-26]对固体原料化学链燃烧技术在串行流化床体系中的实验结果作了相关简述,但由于固体原料化学链技术在载氧体和移动床燃料反应器研发方面的进展也十分迅速,故笔者以一个更全面的视角对此一并总结评论,并就适合我国能源化工现状的发展展望其前景。
在直接进料化学链技术中,氧载体、反应器以及工艺验证试验是3个核心研究方向。
1.1 氧载体1.1.1 新型氧载体材料在化学链技术中,开发出性质优良的氧载体是化学链技术成功的关键。
用于化学链技术的碳基固体原料包括煤、石油焦、生物质等。
在这些固体原料中,固定碳气化速率低是其共同特点[28-33]。
由于有气相氧的存在,双组分化学链氧解耦(Chemical looping oxygen uncoupling,CLOU)类材料的反应活性很高,可将固定碳有效转化。
氧化铜和氧化锰是CLOU类材料的典型代表。
不过,单活性组分的CLOU类材料无论是循环稳定性还是机械强度等方面都不够完美。
性质优异的氧载体是那些在长达数百个还原氧化循环反应之后仍保持稳定的高反应活性的氧载体。
单活性组分由于烧结现象失活明显,因此不适于直接用作氧载体[34]。
由于目前没有任何一种单活性材料可以成为完美的氧载体,因此近年来新开发的氧载体材料多为含有双活性组分的复合材料。
将少量的氧化铜加到氧化铁中可以获得良好的协同效应,既能显著地促进固体原料的转化率,又能避免单独使用氧化铜时严重的烧结问题[35]。
Shulman等[36-38]考察了锰与铁、铜、镍、钙、镁等形成的复合材料,发现其在反应温度下均有解离气相氧的作用,尤其是锰-铁双活性氧载体,表现出了在短时间内迅速解离大量气相氧的优良性能。
Zhao等[39-41]研究了铜矿石、铁矿石,以及铜修饰的铁矿石等天然或半天然物质,铜修饰的Fe2O3/Al2O3等人工合成材料,以及NiFe2O4、MnFe2O4、CoFe2O4和CuFe2O4等双活性组分材料。
结果表明,这些新型材料与目前应用于气体化学链技术的单活性负载型材料相比,无论是反应活性还是稳定性,均更加适用于固体进料的化学链技术。
1.1.2 氧载体的释氧机理近年来,一些研究人员进一步深入探索了CLOU类氧载体的释氧机理。
梅道锋等[43]提出,氧化铝负载的铜基、钴基和锰基氧载体材料的释氧过程都符合核-核生长模型。
将成核过程和核生长过程结合起来,可以描述氧载体释氧过程中的成分变化以及内部结构变化过程。
鲍金花等[44]研究了在铁基氧载体的再生氧化过程中,氧化时间、反应温度和氧气浓度对产物氧化铁层生长机理的影响,结果表明,产物层呈现分散的三维岛状分布。
在反应初期,产物层以高密度的小岛形态存在,随着反应程度的加深,产物小岛的半径变大,并降低了表观反应速率。
Li等[45]则认为,化学反应本身主要影响氧载体在单次还原氧化反应中的活性,氧载体中的离子扩散形式则对还原氧化反应循环稳定性起关键作用。
基于密度泛函理论计算以及惰性标记物的实验方法,对氧载体中载体材料作用的研究表明,载体材料是显著改善氧载体循环稳定性的根本原因。
不仅仅为活性组分提供了稳定的表面积、孔体积等,更在于引入了可以显著提高氧离子固相扩散率的缺陷结构,并显著提高了氧离子的固相扩散率[46]。
1.1.3 大规模合成方法虽然氧载体的化学组成对其性质有决定作用,但适宜的合成方法对化学链技术的经济性同样至关重要。
因此,Guo等[47]比较了冷冻造粒、喷雾干燥、浸渍和机械干燥等多种方法制备的氧载体的性质,结果表明,冷冻造粒和喷雾干燥法最适合大规模批量制备氧化铝负载的氧化铁。
此外,还不断提出了许多新的氧载体材料合成方法。
比如,马琎晨等[48]探索了使用喷动床间歇法合成负载型铁基氧载体,认为此法具有造粒时间短、收率高、颗粒尺寸可控度高、球型度好、成本低等诸多优点。
1.2 反应器化学链燃烧体系主要由空气反应器和燃料反应器2个单元组成。
空气反应器一般采用流化床模式操作,且结构比较简单。
燃料反应器决定产物组成,且结构比较复杂,是反应器设计方面的研究重点。
根据燃料反应器的操作状态,其可分为流化床反应器和移动床反应器。
1.2.1 流化床燃料反应器在现有的大多数化学链技术中,均采用流化床燃料反应器。
典型的流化床燃料反应器分为反应区与分离区[49]。
分离区位于反应区上部,在此区域管径变大,气体流速降低。
理想情况下,将气速控制在氧载体的终端速率与灰分的终端速率之间,可以使灰分排出反应器,而将氧载体送回反应区,从而实现氧载体与灰分的分离。
反应区往往在鼓泡床状态下操作,并有气体分布板等内构件保障颗粒物停留时间的均匀分布。
固体原料进入反应器后,在高温条件下,首先经历快速脱挥发分和热解过程,释放出挥发分,同时产生固体残留物。
挥发分是以CO、H2、CH4为主的还原性气体混合物,而残留物是以未转化的碳和灰分为主的固体混合物。
在化学链燃烧技术中,为了实现固体原料的充分利用,需要将气态的挥发分和固态残留物中的碳均完全转化为CO2和H2O。