[发明专利]化学链燃烧中载氧体反应活性的表征方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学链燃烧中载氧体的表征方法，尤其涉及载氧体反应活性的表征方法。

技术背景

化学链燃烧(Chemical-Looping Combustion)是一种具有CO₂内分离特性的新型燃烧方式，且不需要额外的能量消耗。在化学链燃烧过程中，燃料不与空气直接接触，而是通过载氧体在两个反应器之间进行交替循环反应，以实现氧的传递。在完全反应的条件下，燃料反应器出口只有CO₂和H₂O(蒸汽)，经过简单的冷凝和干燥，便可以得到高浓度的CO₂，从而实现了CO₂的内分离。

在化学链燃烧过程中，载氧体是连接两个反应器的枢纽，充当着热和氧的载体，是制约化学链燃烧的关键因素。载氧体需要具有良好的反应活性，对燃料有较高的反应速率和转化率以及良好的载氧能力。目前对于载氧体反应活性的判断一般是通过氧化还原实验来进行，比如利用CO等还原性气体与载氧体反应时还原性气体的转化率以及多次循环反应后载氧体与还原性气体的反应速率和程度等来定性判断载氧体反应活性的高低。但是通过实验的方法一方面只是对比不同反应条件下载氧体的两种状态来定性反映活性的高低，另一方面实验操作需要花费大量的时间、人力、物力和财力，不利于快速定量地给出载氧体反应活性的差别。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种化学链燃烧中载氧体反应活性的表征方法，可以简单且直接明了地反映化学链燃烧中载氧体在特定反应条件下的反应活性，为载氧体反应活性的定量表征提供了一种可行方法。

技术方案：本发明所述的化学链燃烧中载氧体反应活性的表征方法包括以下步骤：(1)获取载氧体在当前状态下的表面形态图像；(2)对所述表面形态图像进行预处理以获得黑白位图；(3)计算所述黑白位图的分形计盒维数；(4)用所述分形计盒维数来表征所述载氧体在所述当前状态下的反应活性。

进一步地，在步骤(1)中，所述载氧体包括：CuO、Fe₂O₃、NiO、CaSO₄、赤铁矿、钛铁矿或其混合物。

进一步地，在步骤(1)中，所述表面形态图像包括SEM图像。

进一步地，步骤(2)进一步包括：(21)从所述表面形态图像中提取包含孔隙和/或裂纹结构的区域作为关注区；(22)将所述关注区转化为灰度图像，并对所述灰度图像进行灰度调整、区域识别、特征检测和图像增强的处理；(23)通过选取阈值对经处理的灰度图像进行二值化处理，获得像素值仅为“0”或“1”的黑白位图。

进一步地，步骤(3)包括：(31)设置正方形分形盒子的初始边长ε₀，用所述分形盒子平铺覆盖所述黑白位图，记录非空盒子的数目N_ε0，得到数据点(ε0，N_ε0)，其中非空盒子是指所覆盖的像素点中包含值为“1”的分形盒子；(32)将步骤(33)中所述分形盒子的边长缩小一倍得到边长为ε1＝1/2ε0的正方形盒子，用所述分形盒子平铺覆盖所述黑白位图，记录非空盒子的数目N_ε1，得到数据点(ε1，N_ε1)，以此类推，将正方形盒子的边长逐次减半，直到盒子边长达到一个像素点的尺寸，记录用边长减半后的分形盒子覆盖所述黑白位图时非空盒子的数目，得到边长ε与非空盒子的数目N_ε的数据组，在以logε为横坐标，logN_ε为纵坐标的平面直角坐标系中，利用最小二乘法用直线拟合数据点logε和logN_ε，所得直线斜率的负值即为所述黑白位图的计盒分形维数。

进一步地，在步骤(4)中，所述分形计盒维数越大指示所述载氧体在所述状态下的反应活性越高。

进一步地，步骤(1)到(3)是在Matlab中完成的。

有益效果：本发明相对现有技术具备如下有益效果：

(1)本发明提出的化学链燃烧中载氧体反应活性的表征方法，与通过氧化还原实验方法判断载氧体反应活性的方法相比，节省了时间、人力、物力和财力，简单快捷，同时可为实验结果提供进一步的理论和数据支持。

(2)通过采用Matlab程序进行计算，避免了大量数据的人工处理，极大地提高了计算效率。

附图说明

图1为基于分形维数的化学链载氧体表征方法的流程图；