串行流化床中固體燃料化學(xué)鏈燃燒過(guò)程機(jī)理研究.pdf

1、以煤為主的化石燃料燃燒排放的CO2是導(dǎo)致全球變暖的主要原因，燃煤CO2減排的關(guān)鍵是從燃燒產(chǎn)物中將CO2分離出來(lái)?，F(xiàn)有的煤炭利用方式主要是以空氣為氧化劑進(jìn)行燃燒，生成煙氣中的CO2被大量的氮?dú)馑♂?，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。化學(xué)鏈燃燒是一種具有CO2內(nèi)分離性質(zhì)的新型燃燒技術(shù)，燃料不直接與空氣接觸燃燒，而是以載氧體在兩個(gè)反應(yīng)器(空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器)之間的循環(huán)交替反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料的化學(xué)能釋放過(guò)程。與傳統(tǒng)

2、燃燒方式相比，化學(xué)鏈燃燒能以較低的能耗實(shí)現(xiàn)CO2的高濃度捕集，并同時(shí)抑制NOx的生成排放，是一種潔凈的燃燒方式。自化學(xué)鏈燃燒概念提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)該技術(shù)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(chǔ)量更為豐富，且價(jià)格低廉，尤其對(duì)于我國(guó)，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，這使得研究與發(fā)展煤化學(xué)鏈燃燒技術(shù)對(duì)于我國(guó)CO2減排以及煤炭的高效利用具有重要的意義。本文依據(jù)化學(xué)鏈燃燒的基本原理，先后設(shè)計(jì)并建立了熱輸入功率為10kW和1kW的串行流化

3、床化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器，對(duì)基于NiO/Al2O3、Fe2O3、鐵礦石以及雙組份金屬載氧體的煤化學(xué)鏈燃燒過(guò)程機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)研究過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和難點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論，并提出了相應(yīng)的解決方案。主要研究?jī)?nèi)容與成果如下：
　　 分析了煤化學(xué)鏈燃燒過(guò)程中煤氣化反應(yīng)和鎳基、鐵基載氧體還原反應(yīng)的熱力學(xué)特性，并利用Aspen Plus軟件對(duì)基于鎳基載氧體的煤化學(xué)鏈燃燒分離CO2過(guò)程進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，NiO、Fe2O3與煤氣化產(chǎn)物CO、H2

4、反應(yīng)的親和性非常好，Ni、Fe基載氧體可用于煤化學(xué)鏈燃燒；Fe基載氧體的主要還原形態(tài)為Fe3O4，在燃料反應(yīng)器內(nèi)存在較強(qiáng)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(xué)鏈燃燒過(guò)程中，載氧體的循環(huán)速率是由載氧體向燃料反應(yīng)器所需要提供的熱量來(lái)決定的，為了維持整個(gè)化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)的正常運(yùn)行，載氧體的實(shí)際循環(huán)速率不得低于維持燃料反應(yīng)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(nèi)氣體串混特性，考察了反應(yīng)器流

5、化風(fēng)速度對(duì)氣體串混量以及串混比例的影響，通過(guò)對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的串行流化床的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，來(lái)確定合適的化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器類型。
　　 提出了用于評(píng)價(jià)煤化學(xué)鏈燃燒過(guò)程的性能指標(biāo)參數(shù)，即燃料反應(yīng)器內(nèi)煤氣化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)換效率、煤中碳的轉(zhuǎn)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(yīng)器，對(duì)煤化學(xué)鏈燃燒過(guò)程機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，考察了燃料反應(yīng)器溫度、煤的粒度、蒸汽量和給煤量等多種操作參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的

6、影響，獲得了煤化學(xué)鏈燃燒CO2分離的最佳反應(yīng)條件和系統(tǒng)參數(shù)。此外，還研究燃料反應(yīng)器溫度、煤灰以及煤中的硫成分對(duì)載氧體反應(yīng)性能的影響，結(jié)果表明載氧體反應(yīng)性能下降主要是由載氧體顆粒表面燒結(jié)所致，與之相比，煤灰以及煤中的硫成分對(duì)載氧體反應(yīng)性能的影響可以忽略不計(jì)。
　　 利用串行流化床反應(yīng)器，對(duì)基于鎳基載氧體的煤化學(xué)鏈燃燒過(guò)程中含硫和含氮?dú)怏w污染物的生成情況進(jìn)行了研究，考察了燃料反應(yīng)器溫度對(duì)兩個(gè)反應(yīng)器出口含硫和含氮?dú)怏w產(chǎn)物組成的影響，對(duì)

7、Ni基載氧體與煤中硫的相互作用機(jī)理進(jìn)行了分析和討論。結(jié)果表明，燃料反應(yīng)器出口的含硫氣體主要由SO2、COS和H2S組成，隨著燃料反應(yīng)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(yīng)器出口的含硫氣體為SO2，它由兩部分組成：隨載氧體進(jìn)入空氣反應(yīng)器的焦炭中的硫燃燒所產(chǎn)生的SO2以及空氣反應(yīng)器內(nèi)鎳的硫化物被空氣氧化生成的SO2；較高的燃料反應(yīng)器溫度有助于降低煤中的硫和氮在空氣反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)份額，從而可以減少空氣反應(yīng)器出口

8、SO2和NOx的排放量。
　　 鑒于Fe基載氧體具有反應(yīng)活性高、對(duì)環(huán)境友好以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，利用串行流化床反應(yīng)器，對(duì)以高純度的Fe2O3為載氧體的煤化學(xué)鏈燃燒過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該載氧體容易發(fā)生燒結(jié)以及團(tuán)聚結(jié)塊，其使用壽命很低，不適合作為煤化學(xué)鏈燃燒的載氧體材料。在固體燃料的化學(xué)鏈燃燒過(guò)程中，載氧體的燒結(jié)是無(wú)法避免的，但是可以通過(guò)某些方法(例如調(diào)節(jié)載氧體的循環(huán)速率以及對(duì)空氣反應(yīng)器采用分級(jí)送風(fēng))來(lái)緩解載氧體的燒結(jié)程度，

9、從而延長(zhǎng)載氧體的使用壽命。此外，還可以從制備工藝入手來(lái)提高載氧體的抗燒結(jié)能力。
　　 最后在串行流化床反應(yīng)器上，進(jìn)行了赤鐵礦載氧體反應(yīng)性能持久性實(shí)驗(yàn)，考察載氧體在循環(huán)流動(dòng)、交替反應(yīng)過(guò)程中的物理性能和化學(xué)性能隨時(shí)間變化情況，對(duì)載氧體的反應(yīng)活性、抗磨損能力以及抗燒結(jié)能力進(jìn)行了探討。此外，為了解決鐵礦石載氧體單獨(dú)使用時(shí)燃料轉(zhuǎn)換效率不高的問(wèn)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(yīng)器對(duì)該載氧體的煤化學(xué)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(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，赤鐵礦具有反應(yīng)活性高、熱穩(wěn)定性好以及抗燒結(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)煤化學(xué)鏈燃燒工業(yè)化應(yīng)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(dú)使用過(guò)程中燃料轉(zhuǎn)換效率以及碳捕集效率不高的缺點(diǎn)，又解決了鎳基載氧體單獨(dú)使用時(shí)成本過(guò)高的問(wèn)題，從而極大的提高了載氧體的使用能力和經(jīng)濟(jì)性。