高通量循環(huán)流化床燃煤化學(xué)鏈燃燒試驗及數(shù)值模擬研究.pdf

1、大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，化石燃料燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)是導(dǎo)致溫室效應(yīng)及全球變暖的主要原因。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)(CLC)是一項非常有前景的新型燃燒技術(shù)，它能在基本沒有能量損失的前提下，于燃燒過程中實現(xiàn)CO2的分離。迄今為止，氣體燃料化學(xué)鏈燃燒已經(jīng)得到廣泛研究，當(dāng)前研究的重點是以煤為主的固體燃料化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，主要涉及反應(yīng)器的設(shè)計與運行、載氧體的基礎(chǔ)性能研究、反應(yīng)器內(nèi)流動與反應(yīng)的數(shù)值模擬等方面。本文采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對燃煤化學(xué)鏈燃

2、燒技術(shù)的以上幾個研究內(nèi)容進行了系統(tǒng)深入的研究。
　　構(gòu)建了一套基于高通量循環(huán)流化床的燃煤化學(xué)鏈燃燒分離CO2的新方法系統(tǒng)。該方法的主要思路是:燃料反應(yīng)器為高通量循環(huán)流化床上升管，可以確保整個反應(yīng)器高度上都有較高的顆粒濃度和良好的氣固接觸，極大地促進反應(yīng)及傳熱效率?？諝夥磻?yīng)器為錯流移動床，具有壓降低、顆粒流動平穩(wěn)以及結(jié)構(gòu)簡潔等優(yōu)點，它直接嫁接于循環(huán)流化床下降管中部，增加了系統(tǒng)的簡潔性與可控性。此外，一個特殊設(shè)計的兩級分離系統(tǒng)可以實現(xiàn)

3、燃料反應(yīng)器出口處粗粒徑載氧體顆粒和細的殘?zhí)款w粒的選擇性分離，從而提高碳的捕集效率和燃料轉(zhuǎn)化率。具體來講，第一級分離器為低效率的慣性分離器，在其中絕大部分粗粒徑載氧體顆粒被分離進空氣反應(yīng)器進行氧化再生，而細殘?zhí)款w粒則繼續(xù)進入第二級分離器;第二級分離器為高效率的旋風(fēng)分離器，可以將絕大部分的細可燃顆粒分離并送回至燃料反應(yīng)器進行進一步的反應(yīng)。
　　創(chuàng)新性地以一種天然的貧鐵礦石作為載氧體，在熱重分析儀(TGA)反應(yīng)器上開展了基于該載氧體的基

4、礎(chǔ)性能研究。通過長時間的還原/氧化循環(huán)試驗，考察了載氧體的循環(huán)穩(wěn)定性及抗團聚能力。重點研究了反應(yīng)溫度、燃料氣濃度以及反應(yīng)氣種類等因素對載氧體還原反應(yīng)特性的影響?；跓嶂卦囼灲Y(jié)果，采用集成還原速率法和縮核模型建立載氧體的整體還原反應(yīng)動力學(xué)模型，獲得了后期系統(tǒng)模擬所必需的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。
　　建立了基于新方法的燃煤化學(xué)鏈燃燒冷態(tài)試驗裝置，實現(xiàn)了全系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和操作參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)，初步驗證了此新方法系統(tǒng)的可行性。循環(huán)流化床上升管為燃料

5、反應(yīng)器，實現(xiàn)了最大通量達500kg/m2s的高通量循環(huán)流態(tài)化，大大提升了燃料反應(yīng)器內(nèi)的顆粒濃度以及氣固接觸效率。錯流移動床空氣反應(yīng)器展現(xiàn)出壓降低、顆粒流動平穩(wěn)、氣固接觸面積大等優(yōu)點。兩級分離系統(tǒng)展示出高的選擇性分離效率和整體分離效率，由此可以確保熱態(tài)試驗中燃料反應(yīng)器出口載氧體顆粒、殘?zhí)款w粒以及煙氣三者之間的高效分離。通過調(diào)節(jié)兩反應(yīng)器之間的壓比，可以有效地控制兩反應(yīng)器的氣流方向并抑制氣體旁路，從而確保熱態(tài)試驗中獲得高的CO2濃度和捕集效率

6、。
　　在冷態(tài)試驗的基礎(chǔ)上，進一步建立了基于新方法的燃煤化學(xué)鏈燃燒熱態(tài)中試試驗裝置，以神華煙煤為燃料，以貧鐵礦為載氧體開展熱態(tài)試驗。經(jīng)過調(diào)試，整個裝置成功運行了超過50小時，實現(xiàn)了熱態(tài)條件下的運行穩(wěn)定性以及良好的反應(yīng)性能，證明了所構(gòu)建的燃煤化學(xué)鏈燃燒新方法系統(tǒng)的可行性與應(yīng)用潛力。重點測試了燃料反應(yīng)器溫度對CO2體積率、碳的捕集效率以及燃料轉(zhuǎn)化率的影響。貧鐵礦載氧體在高溫、高通量連續(xù)運行中，展現(xiàn)出充分的反應(yīng)活性和氧氣輸運能力，良好的

7、循環(huán)穩(wěn)定性，較高的耐磨性與抗團聚能力，證明了此貧鐵礦在未來的燃煤CLC電站中有著良好的應(yīng)用前景。
　　基于前期獲得的動力學(xué)參數(shù)及熱態(tài)試驗結(jié)果，在數(shù)值實驗基礎(chǔ)平臺上，建立了耦合氣固流動和化學(xué)反應(yīng)的新方法系統(tǒng)燃煤化學(xué)鏈燃燒三維數(shù)值模型。模擬對象為所搭建的熱態(tài)裝置的燃料反應(yīng)器，模擬了反應(yīng)器內(nèi)的氣固流動，組分分布，燃料轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率等重要參數(shù)的特性規(guī)律。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相比較，驗證了模型的合理性。在此基礎(chǔ)上，揭示了一些重要操作參數(shù)對反