Performance and kinetics of iron-based oxygen carriers reduced by carbon monoxide for chemical looping combustion

Abstract

Chemical looping combustion is a promising technology for energy conversion due to its low-carbon, high-efficiency, and environmental-friendly feature. A vital issue for CLC process is the development of oxygen carrier, since it must have sufficient reactivity. The mechanism and kinetics of CO reduction on iron-based oxygen carriers namely pure Fe₂O₃ and Fe₂O₃ supported by alumina (Fe₂O₃/Al₂O₃) were investigated using thermo-gravimetric analysis. Fe₂O₃/Al₂O₃ showed better reactivity over bare Fe₂O₃ toward CO reduction. This was well supported by the observed higher rate constant for Fe₂O₃/Al₂O₃ over pure Fe₂O₃ with respective activation energy of 41.1±2.0 and 33.3±0.8 kJ·mol⁻¹. The proposed models were compared via statistical approach comprising Akaike information criterion with correction coupled with F-test. The phase-boundary reaction and diffusion control models approximated to 95% confidence level along with scanning electron microscopy results; revealed the promising reduction reactions of pure Fe₂O₃ and Fe₂O₃/Al₂O₃. The boosting recital of iron-based oxygen carrier support toward efficient chemical looping combustion could be explained accurately through the present study.

Keywords

chemical looping combustion / iron-based oxygen carriers / reduction kinetics / carbon monoxide / statistics

References

[1] IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2013

[2] Cabello A, Abad A, García-Labiano F, Gayán P, de Diego L F, Adánez J. Kinetic determination of a highly reactive impregnated Fe₂O₃/Al₂O₃ oxygen carrier for use in gas-fueled Chemical Looping Combustion. Chemical Engineering Journal, 2014, 258(0): 265–280

[3] Chen Z, Deng S, Wei H, Wang B, Huang J, Yu G. Activated carbons and amine-modified materials for carbon dioxide capture—a review. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2013, 7(3): 326–340

[4] IPCC. Carbon Dioxide Capture and Storage. Working group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2005

[5] Xie J, Yan N, Liu F, Qu Z, Yang S, Liu P. CO₂ adsorption performance of ZIF-7 and its endurance in flue gas components. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2014, 8(2): 162–168

[6] Lewis W K. Newton, Gilliland E R Production of pure carbon dioxide. US Patent 2665972 A, 1954

[7] Richter H J, Knoche K F. Reversibility of combustion processes. ACS Symposium Series, 1983, 235(1): 71–86

[8] Ishida M, Jin H. A new advanced power-generation system using chemical-looping combustion. Energy, 1994, 19(4): 415–422

[9] Lyngfelt A, Leckner B, Mattisson T. A fluidized-bed combustion process with inherent CO₂ separation; application of chemical-looping combustion. Chemical Engineering Science, 2001, 56(10): 3101–3113

[10] Ishida M, Jin H. A novel chemical-looping combustor without NO_x formation. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1996, 35(7): 2469–2472

[11] Hua X, Wang W. Chemical looping combustion: a new low-dioxin energy conversion technology. Journal of Environmental Sciences- China, 2015, 32(0): 135–145

[12] Adanez J, Abad A, Garcia-Labiano F, Gayan P, de Diego L F. Progress in chemical-looping combustion and reforming technologies. Progress in Energy and Combustion Science, 2012, 38(2): 215–282

[13] Hua X, Wang W, Hu Y, Zhu J. Analysis of reduction stage of chemical looping packed bed reactor based on the reaction front distribution. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2014, 16(4): 583–590

[14] Lyngfelt A, Johansson M, Mattisson T. Chemical-looping combustion- status of development. In: 9th International Conference on Circulating Fluidized Beds, Hamburg. Chalmers Publication Library: Goteborg, 2008

[15] Abad A, Mattisson T, Lyngfelt A, Johansson M. The use of iron oxide as oxygen carrier in a chemical-looping reactor. Fuel, 2007, 86(7−8): 1021–1035

[16] Huang Z, He F, Feng Y, Zhao K, Zheng A, Chang S, Li H. Synthesis gas production through biomass direct chemical looping conversion with natural hematite as an oxygen carrier. Bioresource Technology, 2013, 140(0): 138–145

[17] Mattisson T, García-Labiano F, Kronberger B, Lyngfelt A, Adánez J, Hofbauer H. Chemical-looping combustion using syngas as fuel. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2007, 1(2): 158–169

[18] Li F, Zeng L, Velazquez-Vargas L G, Yoscovits Z, Fan L S. Syngas chemical looping gasification process: Bench-scale studies and reactor simulations. AIChE Journal. American Institute of Chemical Engineers, 2010, 56(8): 2186–2199

[19] Burnham K P, Anderson D R. Model Selection and Multimodel Inference: A Practical Information—Theoretic Approach. New York: Springer, 2002

[20] Ott R L, Longnecker M T. An Introduction to Statistical Methods and Data Analysis. Canada: Cengage Learning, 2010

[21] de Diego L F, García-Labiano F, Adánez J, Gayán P, Abad A, Corbella B M, María Palacios J. Development of Cu-based oxygen carriers for chemical-looping combustion. Fuel, 2004, 83(13): 1749–1757

[22] Gayán P, Adánez-Rubio I, Abad A, de Diego L F, García-Labiano F, Adánez J. Development of Cu-based oxygen carriers for Chemical-Looping with Oxygen Uncoupling (CLOU) process. Fuel, 2012, 96(0): 226–238

[23] Tong A, Sridhar D, Sun Z, Kim H R, Zeng L, Wang F, Wang D, Kathe M V, Luo S, Sun Y, Fan L S. Continuous high purity hydrogen generation from a syngas chemical looping 25kW_th sub-pilot unit with 100% carbon capture. Fuel, 2013, 103(0): 495–505

[24] Liu F, Zhang Y, Chen L, Qian D, Neathery J K, Kozo S, Liu K. Investigation of a canadian ilmenite as an oxygen carrier for chemical looping combustion. Energy & Fuels, 2013, 27(10): 5987–5995

[25] Monazam E R, Breault R W, Siriwardane R, Miller D D. Thermogravimetric analysis of modified hematite by methane (CH₄) for chemical-looping combustion: a global kinetics mechanism. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(42): 14808–14816

[26] Monazam E R, Breault R W, Siriwardane R. Kinetics of hematite to Wüstite by hydrogen for chemical looping combustion. Energy & Fuels, 2014, 28(8): 5406–5414

[27] Monazam E R, Breault R W, Siriwardane R, Richards G, Carpenter S. Kinetics of the reduction of hematite (Fe₂O₃) by methane (CH₄) during chemical looping combustion: a global mechanism. Chemical Engineering Journal, 2013, 232(0): 478–487

[28] Cho P, Mattisson T, Lyngfelt A. Carbon formation on nickel and iron oxide-containing oxygen carriers for chemical-looping combustion. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2005, 44(4): 668–676

[29] Monazam E R, Breault R W, Siriwardane R. Reduction of hematite (Fe₂O₃) to wüstite (FeO) by carbon monoxide (CO) for chemical looping combustion. Chemical Engineering Journal, 2014, 242(0): 204–210

[30] Khawam A, Flanagan D R. Solid-state kinetic models: basics and mathematical fundamentals. Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(35): 17315–17328

[31] Luo M, Wang S, Wang L, Lv M. Reduction kinetics of iron-based oxygen carriers using methane for chemical-looping combustion. Journal of Power Sources, 2014, 270(0): 434–440

[32] SahaB, KhanA, IbrahimH, IdemR. Evaluating the performance of non-precious metal based catalysts for sulfur-tolerance during the dry reforming of biogas. Fuel, 2014, 120(0): 202–217

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg