化學鏈制氫與CO2捕集系統(tǒng)集成與實驗研究.pdf

1、CO2是一種溫室氣體，人類活動產(chǎn)生的CO2排放是導致全球氣候變化的主要原因。為了維持人類的生存和可持續(xù)發(fā)展，避免未來全球氣候性災難，CO2減排勢在必行?；瘜W鏈作為一種新型的分離含碳能源轉化過程中CO2的技術，可以在能量釋放與轉換過程中有效實現(xiàn)CO2的分離和捕集，具有廣闊的發(fā)展應用前景。化學鏈技術包括化學鏈燃燒、化學鏈制氫和鈣基鏈式制氫等一系列化學鏈式反應過程?；瘜W鏈技術可以結合燃料電池以及燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術，實現(xiàn)含碳能源高效清潔發(fā)電和

2、制氫。
　　本文圍繞化學鏈技術，選擇煤作為燃料，采用煤氣化、固體氧化物燃料電池和燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)，構建新型煤氣化化學鏈聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，協(xié)同制氫與CO2捕集。利用Aspen軟件對系統(tǒng)進行模擬;在熱重和小型流化床實驗臺上對鐵基載氧體的化學鏈制氫特性進行考察;設計建造基于疊式流化床燃料反應器的化學鏈制氫三聯(lián)床反應器，并在三聯(lián)床反應器上進行初步實驗。
　　鐵基化學鏈制氫耦合鎳基化學鏈燃燒聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)利用鐵基載氧體鏈式制氫，鎳基載氧

3、體化學鏈燃燒，實現(xiàn)CO2分離富集。系統(tǒng)無補燃時，當量效率為57.95％，CO2捕集效率為～100％。提高補燃溫度，系統(tǒng)發(fā)電效率增加，制氫效率下降，CO2排放量升高。改變鐵氧化物的循環(huán)流率可以調節(jié)氫電比。NiO載氧體中隋性載體的質量分數(shù)、Ni-FR溫度、Ni-AR溫度、Fe-FR溫度和Fe-SR的溫度對系統(tǒng)發(fā)電效率、制氫效率和CO2捕集效率有顯著影響。
　　鐵基載氧體化學鏈制氫結合固體氧化物燃料電池聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)通過鐵基載氧體三反應器

4、化學鏈過程制取氫氣并分離CO2，氫氣進入燃料電池發(fā)電，對燃料電池排氣補燃并進行燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)。系統(tǒng)可以獲得43.5％的發(fā)電效率，同時實現(xiàn)CO2近零排放。較高的燃料電池溫度、壓力和燃料利用系數(shù)有利于增加系統(tǒng)發(fā)電效率。CO2透平的最佳排氣壓力取決于系統(tǒng)工作壓力。蒸汽反應器溫度、燃料電池進口氣體預熱方式對系統(tǒng)效率影響甚微。
　　固體氧化物燃料電池耦合化學鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)通過煤氣化獲得合成氣，進入固體氧化物燃料電池發(fā)電，燃料電池排氣進入化

5、學鏈燃燒反應器，實現(xiàn)燃料氣體完全轉化，分離CO2。采用NiO作為載氧體時，發(fā)電效率高達49.8％。較高的固體氧化物燃料電池溫度和燃料利用系數(shù)可以提高整個系統(tǒng)的發(fā)電效率。系統(tǒng)發(fā)電效率隨壓力升高先增加后減少。提高空氣反應器溫度可以增加系統(tǒng)發(fā)電效率，提高燃料反應器溫度則會降低系統(tǒng)發(fā)電效率。燃料利用系數(shù)、燃料電池溫度和壓力對整個系統(tǒng)發(fā)電效率的影響較小，主要是后續(xù)的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)對燃料電池起互補作用。系統(tǒng)的最大(炯)損失在氣化爐，其次在CO2壓

6、縮存儲，第三在燃料電池。
　　鈣基煤氣化疊式流化床制氫協(xié)同二氧化碳捕集，通過疊式流化床反應器的提升管對氣化反應器的產(chǎn)物氣體進行CO2二次吸收，可以進一步提高氫氣濃度。在典型工況下，系統(tǒng)的制氫效率可以達到58.5％，直接離開反應器的氫氣濃度高達93.7％。氫氣的產(chǎn)量和濃度隨蒸汽流量和CaO循環(huán)流量增加而提高。提高系統(tǒng)壓力會增加氣體中甲烷的產(chǎn)量，并導致CaO再生溫度升高。氣化反應器中最高的碳轉化率為0.65。
　　煤氣化耦合鈣基

7、富氫脫碳聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)使用CaO吸收煤氣化合成氣中的CO2，促進水汽變換反應，獲得富氫氣體進入燃氣輪機發(fā)電，系統(tǒng)發(fā)電效率和CO2捕集效率相比其它煤基發(fā)電碳捕集系統(tǒng)沒有優(yōu)勢?；赟hell干法氣化技術的系統(tǒng)效率略高于基于GE水煤漿氣化技術的系統(tǒng)。提高水汽變換吸收反應器溫度和H2O/CO摩爾比可以增加系統(tǒng)發(fā)電效率，降低CO2捕集效率。提高水汽變換吸收反應器的壓力可以同時增加系統(tǒng)發(fā)電效率和CO2捕集效率，但會導致CaO再生溫度過高。
　　

8、采用機械混合法制備了基于Al2O3和TiO2惰性載體的Fe2O3載氧體，在熱重分析儀和流化床實驗臺上，載氧體在多次還原、蒸汽氧化和空氣氧化循環(huán)中保持良好的反應活性。隨著Al2O3惰性載體質量分數(shù)增加，載氧體活性增加?；贏l2O3的載氧體活性優(yōu)于基于TiO2的載氧體?；赥iO2惰性載體的Fe2O3在多次循環(huán)后會形成FeTiO3。載氧體隨溫度升高還原程度越深，氫氣產(chǎn)量越多。較低的鐵氧化物還原溫度易導致還原過程積碳，影響蒸汽氧化過程中氫氣