基于鐵基載氧體燃煤加壓化學(xué)鏈燃燒研究.pdf

1、隨著人們對(duì)全球交暖認(rèn)識(shí)的深入，減少溫室氣體二氧化碳(C02)排放已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效低能耗的進(jìn)行燃煤CO2分離捕獲，目前氣體燃料化學(xué)鏈燃燒已經(jīng)得到中試驗(yàn)證，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向固體燃料化學(xué)鏈燃燒。我國以煤為主要能源，亟需研發(fā)控制燃煤C02減排的新技術(shù)。本論文主要針對(duì)廉價(jià)鐵礦石載氧體進(jìn)行了燃煤加壓化學(xué)鏈燃燒研究，研究了廉價(jià)鐵礦石載氧體在煤加壓化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)過程中的還原反應(yīng)特性和持續(xù)循環(huán)能力，并對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了初步研

2、究。
　　 首先利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)固體燃料化學(xué)鏈燃燒化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分析，基于Gibbs自由能最小原理對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了模擬，獲得化學(xué)反應(yīng)達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，得到還原溫度、載氧體/燃料比、氧化溫度、氧氣/載氧體摩爾比等操作參數(shù)對(duì)氣體平衡組成和產(chǎn)物分布的影響，模擬結(jié)果獲得化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)最優(yōu)運(yùn)行工況區(qū)間，其最優(yōu)溫度區(qū)間為900-1000℃。
　　 在熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，采用加壓熱重裝置研究了基于鐵基載氧體煤加壓化學(xué)鏈燃燒。研究結(jié)果表明

3、，增加反應(yīng)器的壓力可以促進(jìn)水蒸氣及還原性氣體向焦炭和載氧體顆粒表面擴(kuò)散，促進(jìn)焦炭氣化及載氧體的還原反應(yīng)，增加了燃料及載氧體的轉(zhuǎn)化率。確定了煤加壓化學(xué)鏈燃燒過程在900～950℃溫度段的反應(yīng)模型為擴(kuò)散控制反應(yīng)的Jander模型，并利用該模型獲得了煤加壓化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)活化能和頻率因子。
　　 在加壓化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)系統(tǒng)中，分別在流化床及固定床流型內(nèi)研究了基于廉價(jià)鐵基載氧體煤加壓化學(xué)鏈燃燒的還原反應(yīng)特性，壓力對(duì)出口干氣體中CO2的濃度、

4、CO2累積濃度、CO2捕獲效率、燃料轉(zhuǎn)化率、載氧體轉(zhuǎn)化率等影響。流化床反應(yīng)器中CO2最大捕獲率在0.5MPa時(shí)為92.8％，當(dāng)壓力由0.1MPa增加到0.5MPa，碳的轉(zhuǎn)化率由75.4％增加到89.9％，在0.5MPa時(shí)載氧體的轉(zhuǎn)化率最大為0.497；固定床反應(yīng)CO2最大捕獲率在0.5MPa時(shí)為71.5％，當(dāng)壓力由0.1MPa增加到0.5MPa，碳的轉(zhuǎn)化率由68.5％增加到79.6％，在0.5MPa時(shí)載氧體的轉(zhuǎn)化率最大為0.563；主要

5、由于流化床反應(yīng)系統(tǒng)較之固定床系統(tǒng)，還原性氣體與載氧體接觸時(shí)間短，而且混合效果差，導(dǎo)致流化床系統(tǒng)CO2的捕獲效率較低，其反應(yīng)器結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步改進(jìn)。通過XRD及SEM分析，發(fā)現(xiàn)載氧體晶相沒有發(fā)生變化但顆粒變?yōu)槎嗫谞罱Y(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)研究過程中，沒有發(fā)現(xiàn)載氧體顆粒破碎及團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生。
　　 在流化床及固定床流型內(nèi)研究基于廉價(jià)鐵基載氧體煤加壓化學(xué)鏈燃燒的循環(huán)反應(yīng)特性。在溫度為970℃，壓力為0.1MPa、0.5MPa時(shí)分別進(jìn)行載氧體的還原/氧化

6、循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究，研究了二十個(gè)循環(huán)過程出口干氣體產(chǎn)物濃度、出口氣體累積濃度、燃料轉(zhuǎn)化率、載氧體轉(zhuǎn)化率、載氧體微觀孔結(jié)構(gòu)及表征分析變化情況。在二十個(gè)還原/氧化循環(huán)過程中，流化床反應(yīng)器中，反應(yīng)器壓力為0.1MPa,0.5MPa時(shí)，CO2出口累積濃度分別在55％-60％、65％-70％之間波動(dòng)，碳的轉(zhuǎn)化率分別在75％、80％之間波動(dòng)，載氧體的轉(zhuǎn)化率分別在0.4-0.5、0.5-0.6之間波動(dòng)；固定床反應(yīng)器中，反應(yīng)器壓力為0.1MPa、0.5MPa