串行流化床中固體燃料化學鏈燃燒過程機理研究.pdf

1、以煤為主的化石燃料燃燒排放的CO2是導致全球變暖的主要原因，燃煤CO2減排的關鍵是從燃燒產物中將CO2分離出來?，F(xiàn)有的煤炭利用方式主要是以空氣為氧化劑進行燃燒，生成煙氣中的CO2被大量的氮氣所稀釋，致使CO2的后續(xù)處理(分離和壓縮)成本很高，發(fā)電系統(tǒng)效率降低?；瘜W鏈燃燒是一種具有CO2內分離性質的新型燃燒技術，燃料不直接與空氣接觸燃燒，而是以載氧體在兩個反應器(空氣反應器和燃料反應器)之間的循環(huán)交替反應來實現(xiàn)燃料的化學能釋放過程。與傳統(tǒng)

2、燃燒方式相比，化學鏈燃燒能以較低的能耗實現(xiàn)CO2的高濃度捕集，并同時抑制NOx的生成排放，是一種潔凈的燃燒方式。自化學鏈燃燒概念提出以來，國內外對該技術的研究主要集中在氣體燃料上。與氣體燃料相比，固體燃料儲量更為豐富，且價格低廉，尤其對于我國，煤炭在能源結構中占主導地位，這使得研究與發(fā)展煤化學鏈燃燒技術對于我國CO2減排以及煤炭的高效利用具有重要的意義。本文依據化學鏈燃燒的基本原理，先后設計并建立了熱輸入功率為10kW和1kW的串行流化

3、床化學鏈燃燒反應器，對基于NiO/Al2O3、Fe2O3、鐵礦石以及雙組份金屬載氧體的煤化學鏈燃燒過程機理進行了研究，對研究過程中所發(fā)現(xiàn)的問題和難點進行了分析和討論，并提出了相應的解決方案。主要研究內容與成果如下：
　　 分析了煤化學鏈燃燒過程中煤氣化反應和鎳基、鐵基載氧體還原反應的熱力學特性，并利用Aspen Plus軟件對基于鎳基載氧體的煤化學鏈燃燒分離CO2過程進行了模擬。結果表明，NiO、Fe2O3與煤氣化產物CO、H2

4、反應的親和性非常好，Ni、Fe基載氧體可用于煤化學鏈燃燒；Fe基載氧體的主要還原形態(tài)為Fe3O4，在燃料反應器內存在較強的還原性氣氛的情況下，F(xiàn)e3O4還將繼續(xù)被還原為FeO和Fe；在煤化學鏈燃燒過程中，載氧體的循環(huán)速率是由載氧體向燃料反應器所需要提供的熱量來決定的，為了維持整個化學鏈燃燒系統(tǒng)的正常運行，載氧體的實際循環(huán)速率不得低于維持燃料反應器溫度所需的載氧體理論循環(huán)速率。
　　 研究了串行流化床內氣體串混特性，考察了反應器流

5、化風速度對氣體串混量以及串混比例的影響，通過對兩種不同結構形式的串行流化床的實驗結果進行了比較，來確定合適的化學鏈燃燒反應器類型。
　　 提出了用于評價煤化學鏈燃燒過程的性能指標參數，即燃料反應器內煤氣化產物的轉換效率、煤中碳的轉換效率、煤的燃燒效率以及碳的捕集效率。以NiO/Al2O3為載氧體，利用串行流化床反應器，對煤化學鏈燃燒過程機理進行了深入的研究，考察了燃料反應器溫度、煤的粒度、蒸汽量和給煤量等多種操作參數對性能指標的

6、影響，獲得了煤化學鏈燃燒CO2分離的最佳反應條件和系統(tǒng)參數。此外，還研究燃料反應器溫度、煤灰以及煤中的硫成分對載氧體反應性能的影響，結果表明載氧體反應性能下降主要是由載氧體顆粒表面燒結所致，與之相比，煤灰以及煤中的硫成分對載氧體反應性能的影響可以忽略不計。
　　 利用串行流化床反應器，對基于鎳基載氧體的煤化學鏈燃燒過程中含硫和含氮氣體污染物的生成情況進行了研究，考察了燃料反應器溫度對兩個反應器出口含硫和含氮氣體產物組成的影響，對

7、Ni基載氧體與煤中硫的相互作用機理進行了分析和討論。結果表明，燃料反應器出口的含硫氣體主要由SO2、COS和H2S組成，隨著燃料反應器溫度的升高，SO2和COS濃度逐漸增加，H2S濃度逐漸降低；空氣反應器出口的含硫氣體為SO2，它由兩部分組成：隨載氧體進入空氣反應器的焦炭中的硫燃燒所產生的SO2以及空氣反應器內鎳的硫化物被空氣氧化生成的SO2；較高的燃料反應器溫度有助于降低煤中的硫和氮在空氣反應器內的反應份額，從而可以減少空氣反應器出口

8、SO2和NOx的排放量。
　　 鑒于Fe基載氧體具有反應活性高、對環(huán)境友好以及價格低廉等優(yōu)點，利用串行流化床反應器，對以高純度的Fe2O3為載氧體的煤化學鏈燃燒過程進行了實驗研究。結果表明，該載氧體容易發(fā)生燒結以及團聚結塊，其使用壽命很低，不適合作為煤化學鏈燃燒的載氧體材料。在固體燃料的化學鏈燃燒過程中，載氧體的燒結是無法避免的，但是可以通過某些方法(例如調節(jié)載氧體的循環(huán)速率以及對空氣反應器采用分級送風)來緩解載氧體的燒結程度，

9、從而延長載氧體的使用壽命。此外，還可以從制備工藝入手來提高載氧體的抗燒結能力。
　　 最后在串行流化床反應器上，進行了赤鐵礦載氧體反應性能持久性實驗，考察載氧體在循環(huán)流動、交替反應過程中的物理性能和化學性能隨時間變化情況，對載氧體的反應活性、抗磨損能力以及抗燒結能力進行了探討。此外，為了解決鐵礦石載氧體單獨使用時燃料轉換效率不高的問題，提出了雙組份金屬載氧體(鐵礦石+NiO/Al2O3)，利用串行流化床反應器對該載氧體的煤化學鏈

10、燃燒特性以及NiO/A12O3與赤鐵礦石這兩種載氧體之間的協(xié)同效應進行了研究。結果表明，赤鐵礦具有反應活性高、熱穩(wěn)定性好以及抗燒結能力強等優(yōu)點，是實現(xiàn)煤化學鏈燃燒工業(yè)化應用的理想載氧體材料。向鐵礦石床料中摻入少量的鎳基載氧體，形成雙組份金屬載氧體，兩種載氧體之間的協(xié)同作用既解決了鐵礦石載氧體單獨使用過程中燃料轉換效率以及碳捕集效率不高的缺點，又解決了鎳基載氧體單獨使用時成本過高的問題，從而極大的提高了載氧體的使用能力和經濟性。