Effects of Support on the Performance of NiO-Based Oxygen Carriers

Effets du support sur les performances de matériaux transporteurs d’oxygène à base d’oxyde de nickel

J.-I. Baek^1,3, J.-W. Kim¹, J.B. Lee¹, T.H. Eom¹, J. Ryu², C.K. Ryu^1** and J. Yi^3*

¹ KEPCO Research Institute, Munji-ro 65, Yuseong-gu, Daejeon 305-380 - Republic of Korea
² Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Gwahang-no 92, Yuseong-gu, Daejeon 305-350 - Republic of Korea
³ School of Chemical and Biological Engineering, Institute of Chemical Process, Seoul National University, San 56-1, Shillim, Kwanak, Seoul 151-742 - Republic of Korea
e-mail: perbaek@kepco.co.kr - landbear@daum.net - jblee7@kepri.re.kr - pantyeom@kepco.co.kr - jryu@kigam.re.kr - ckryu@kepri.re.kr - jyi@snu.ac.kr

^* Corresponding author
^** Co-corresponding author

Abstract

The performance of an oxygen carrier for Chemical Looping Combustion varies with the support material used. NiO oxygen carriers were prepared using 60 or 70 wt% NiO and different raw support materials (γ-Al₂O₃, pseudoboehmite, α-Al₂O₃, γ-Al₂O₃ mixed with MgO, hydrotalcite, MgAl₂O₄, and γ-Al₂O₃ with added graphite) by the mechanical mixing method. Reactivity tests were conducted using a thermogravimetric analyzer (TGA) at 950˚C. The oxygen carriers prepared using γ-Al₂O₃, γ-Al₂O₃ mixed with a small amount of MgO, hydrotalcite, and MgAl₂O₄ showed high oxygen transfer capacity, high oxygen utilization, and a high oxygen transfer rate. Graphite addition to γ-Al₂O₃ did not increase the surface area or reactivity. The use of pseudoboehmite as a support led to a significant decrease in oxygen transfer capacity and severe agglomeration of the oxygen carriers during the redox reaction. The increase in MgO content in the raw support materials decreased the reduction reactivity. The oxygen carriers prepared with α-Al₂O₃ showed less oxygen transfer capacity than the other oxygen carriers. The differences in the reactivity according to the support type were explained by the relative strength of NiO-support interaction obtained from the temperature-programmed reduction analysis. The reactivity test results in this work indicate that γ-Al₂O₃ and hydrotalcite could be desirable raw support materials to prepare highly reactive NiO oxygen carriers with high NiO content.

Résumé

Les performances des materiaux transporteurs d’oxygene varient en fonction du support utilise dans le procede de combustion en boucle chimique. Differents materiaux a base d’oxyde de Nickel ont ete synthetises avec des concentrations elevees en NiO, comprises entre 60 et 70 %, sur differents supports (γ-Al₂O₃, pseudobohemite, α-Al₂O₃, γ-Al₂O₃ melangee avec MgO, hydrotalcite, MgAl₂O₄ et γ-Al₂O₃ additivees avec du graphite) par melange mecanique. Des tests de reactivite ont ete conduits dans une thermobalance (ATG) a 950˚C. Les materiaux supportes avec γ-Al₂O₃, γ-Al₂O₃ melangee avec MgO, l’hydrotalcite et MgAl₂O₄ ont une capacite de transfert d’oxygene elevee et une reactivite elevee. L’addition de graphite dans l’alumine γ n’ameliore ni la surface specifique ni la reactivite. Avec la pseudo-bohemite, on observe une decroissance de la capacite de transfert d’oxygene et l’agglomeration du materiau pendant la phase de reduction. L’ajout de MgO conduit a une baisse de la reactivite en reduction. Avec l’alumine α, la capacite de transfert est reduite. Les differences de reactivite peuvent etre expliquees par les interactions entre NiO et le support, a partir d’analyses en reduction par temperature programmee. Les tests de reactivite conduits dans cette etude suggerent que les supports a base de γ-Al₂O₃ et d’hydrotalcite sont les plus appropries pour preparer les transporteurs d’oxygene contenant de l’oxyde de Nickel a haute concentration pour la combustion en boucle chimique.