Oxidation and Reduction of Iron-Titanium Oxides in Chemical Looping Combustion: A Phase-Chemical Description

Oxydation et réduction des minerais de fer-titane dans la combustion en boucle chimique

¹ Anglo Research, 8 Schonland Street, Theta 2091, Johannesburg - South Africa
² Sasol Technology, Sasolburg - South Africa
e-mail: pdenhoed@angloresearch.com - adam.luckos@sasol.com

^⋆ Corresponding author

Abstract

Ilmenite (FeTiO₃) is being explored as an oxygen carrier in chemical looping processes. Its reduction and oxidation are described by the system Fe-Fe₂O₃-TiO₂-Ti₂O₃. The phase diagram at 1 000°C, presented here, offers a useful tool for predicting reactions and their products. We see that Fe₂TiO₅ (pseudobrookite) and TiO₂ (rutile) form a stable phase assemblage following the oxidation of FeTiO₃ (ilmenite) in air. The subsequent reduction of Fe₂TiO₅ at oxygen partial pressures of 10^-15.5atm stabilizes Fe_1.02Ti_0.98O₃, a solid solution of ilmenite. Further reduction will produce metallic iron, which compromises the integrity of the oxygen carrier for chemical looping processes. We speculate that the reduction of Fe-Ti oxides in several practical instances does not reach completion (and equilibrium) under the imposed atmospheres operating in fuel reactors.

Résumé

L’ilménite (FeTiO₃) est considéré comme un transporteur d’oxygène potentiel pour les procédés en boucle chimique. Ses mécanismes de réduction et d’oxydation sont décrits à travers le système Fe-Fe₂O₃-TiO₂-TiO₃. Le diagramme de phase à 1 000°C, présenté ici, est un outil utile pour prédire les réactions et les produits. Nous constatons que Fe₂TiO₅ (pseudobrookite) et TiO₂ (rutile) forment un assemblage de phase stable après oxydation de l’ilménite (FeTiO₃) dans l’air. La réduction subséquente de Fe₂TiO₅ à la pression partielle de 10^−15,5atm stabilise vers Fe_1.02Ti_0.98O₃, une solution solide d’ilménite. Une réduction plus poussée va produire du fer métallique et compromettre l’intégrité du transporteur d’oxygène dans la boucle chimique. Il est probable que la réduction des oxydes Fe-Ti ne soit pas, en pratique, complète et n’atteigne pas l’équilibre dans les conditions rencontrées en opération dans les réacteurs de réduction.