CAREER: Controlled Copper Oxide Reduction Using Inverse Dust Flames for Improved Chemical Looping Combustion

职业:使用逆粉尘火焰控制氧化铜还原以改善化学循环燃烧

基本信息

项目摘要

Clean energy and carbon capture technologies are being developed to reduce environmental impact in an efficient manner. Chemical looping combustion is one promising approach where metal oxide particles (i.e., oxygen carriers) are used to oxidize fuel without nitrogen present to reduce nitrogen oxide emissions and improve efficiency of capturing and sequestering carbon dioxide. However, the longevity of the oxygen carrier particles limits the technologies widespread use. An approach is needed where the combustion process is used to oxidize fuel while controlling the structure of the particles. Control of the particle structure will extend particle longevity and reduce attrition. Metal oxide nanoparticles are synthesized in a similar aerosol process but have not been extended to reduce metal oxide particles to metal. Thus, this project seeks to identify the physical and chemical processes that will enable control of copper oxide, a common oxygen carrier, reduction. In addition, research will be introduced to community college students pretransfer to improve student goals that will reduce gaps in postgraduate engineering degrees for students that start post-secondary education at community colleges. These efforts will improve the ability to produce power while decreasing environmental impact and increase the diversity of the technical workforce.The goal of this project is to use self-sustaining dust flames, whose structure dictates the particle time-temperature history, to control the reduction process of CuO, a common oxygen carrier, to overcome agglomeration and attrition issues present in chemical looping combustion. This idea seeks to determine the physics that will enable reduction process to be controlled under the fast heating conditions, about 0.1-1.0 million degrees Kelvin per second, rather than the traditional isothermal conditions in chemical looping combustion. Constant volume dust flame experiments will quantify the flame structure and limiting processes of CuO-gaseous fuel flames, while providing a link between time-temperature history and product particle (i.e., Cu, Cu2O, or mixture) structure. Quasi-1D dusty flames will be used to the refine time-temperature history to control the product particle structure (e.g., particle size, grain size and orientation, etc.) such that the cause for the formation of particle morphology and size, preferred crystal faces, and grain size is determined. Experimental work will be complemented by implementing detailed surface chemistry and a constant-N Monte Carlo models to understand the interplay between combustion chemistry, aerosol physics, and particle structure. This approach will accelerate chemical looping combustion technology development to improve clean energy and carbon capture capabilities.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
正在开发清洁能源和碳捕获技术以有效地减少环境影响。化学环燃烧是一种有前途的方法,其中金属氧化物颗粒(即氧载体)用于氧化燃料而不存在氮,以减少氮氧化物的排放并提高捕获和隔离二氧化碳的效率。但是,氧载体颗粒的寿命限制了技术的广泛使用。需要一种方法,其中使用燃烧过程在控制颗粒的结构时氧化燃料。控制粒子结构将延长颗粒的寿命并减少损耗。金属氧化物纳米颗粒在类似的气溶胶过程中合成,但尚未扩展以将金属氧化物颗粒减少到金属。因此,该项目试图确定可以控制氧化铜(一种常见的氧载体)减少的物理和化学过程。此外,将向社区大学的学生介绍研究,以改善学生的目标,以减少在社区学院开始大专教育的学生的研究生工程学位的差距。这些努力将提高产生动力的能力,同时降低环境影响并增加技术劳动力的多样性。该项目的目的是使用自我维持的防尘火焰,其结构决定了粒子时间温度的历史,以控制CUO的降低过程,即一种常见的氧气载体,以克服化学效果中的氧化载体,以克服化学效果。这个想法旨在确定将在快速加热条件下控制减少过程的物理学,每秒约0.1-1-10万度开尔文,而不是化学循环燃烧中传统的等温条件。恒定的体积尘埃试验将量化Cuo循环燃料火焰的火焰结构和限制过程,同时提供时间温度的历史和产品粒子(即Cu,Cu2O或混合物)结构之间的联系。准-1D尘土飞扬的火焰将用于改进时间温度的历史,以控制产物颗粒结构(例如粒径,晶粒尺寸和方向等),从而确定形成颗粒形态和尺寸的原因,首选的晶体面,并确定晶粒尺寸。实验工作将通过实施详细的表面化学和恒定的N蒙特卡洛模型来了解,以了解燃烧化学,气溶胶物理和颗粒结构之间的相互作用。这种方法将加速化学循环燃烧技术开发,以提高清洁能源和碳捕获能力。该奖项反映了NSF的法定任务,并认为使用基金会的知识分子优点和更广泛的影响评估标准,认为值得通过评估来获得支持。

项目成果

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