基于鐵礦石載氧體的煤化學(xué)鏈燃燒技術(shù)研究.pdf

1、作為一次能源，煤炭的利用方式主要是燃燒，燃煤產(chǎn)生大量的CO2直接排放到大氣中，在大氣層集聚，導(dǎo)致溫室效應(yīng)。減排CO2已經(jīng)成為今后人類可持續(xù)發(fā)展的主要內(nèi)容之一。常規(guī)的煤燃燒技術(shù)均以空氣為氧化劑，生成的煙氣中CO2只占10～14％，CO2的后續(xù)處理（濃縮提純）成本高，CO2分離、壓縮技術(shù)需要消耗大量的能源。因此，燃煤CO2減排的關(guān)鍵是從燃燒產(chǎn)物中分離出CO2。在燃燒過程中生成高濃度的CO2或便于CO2分離的氣相混合物（如CO2+H2O），在

2、技術(shù)上最易實(shí)現(xiàn)?；瘜W(xué)鏈燃燒(ChemicalLoopingCombustion)是一種嶄新的燃燒技術(shù)，不僅能夠在燃燒過程中實(shí)現(xiàn)CO2內(nèi)分離，而且比傳統(tǒng)燃燒技術(shù)具有更高的能源利用效率。論文針對(duì)基于鐵礦石載氧體的固體燃料（煤、生物質(zhì)）化學(xué)鏈燃燒技術(shù)展開研究。
　　首先，采用HSCChemistry軟件平臺(tái)對(duì)煤化學(xué)鏈燃燒過程中煤氣化反應(yīng)、鐵基載氧體的氧化-還原反應(yīng)性能進(jìn)行熱力學(xué)分析，證明了Fe2O3-Fe3O4之間的交替轉(zhuǎn)化是鐵基載氧體

3、氧遷移的主導(dǎo)過程，F(xiàn)e2O3在燃料反應(yīng)器中與燃料發(fā)生還原反應(yīng)生成Fe3O4，將Fe2O3中晶格氧傳遞給燃料，實(shí)現(xiàn)碳?xì)淙剂匣瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化過程中CO2的富集。燃料反應(yīng)器內(nèi)氣體燃料的完全轉(zhuǎn)化受到Fe2O3-Fe3O4-FeO化學(xué)熱力學(xué)的限制，燃料反應(yīng)器出口的煙氣仍會(huì)存在少量的未完全轉(zhuǎn)化的可燃性氣體。在煤化學(xué)鏈燃燒過程中，碳的轉(zhuǎn)換率以及捕集效率主要受到燃料反應(yīng)器內(nèi)煤氣化速率的影響，燃料反應(yīng)器內(nèi)煤氣化反應(yīng)速率是整個(gè)煤化學(xué)鏈燃燒過程的控制步驟，燃料反應(yīng)

4、器溫度的選取主要考慮煤氣化反應(yīng)速率的要求。以煤氣化產(chǎn)物為燃料，基于平衡組分計(jì)算模塊，研究反應(yīng)溫度、載氧體與燃料氣體的摩爾比等參數(shù)對(duì)燃料反應(yīng)器內(nèi)氣固化學(xué)反應(yīng)平衡組份的影響;結(jié)果表明，鐵基載氧體在燃料反應(yīng)器內(nèi)相位組成(Fe2O3-Fe3O4-FeO-Fe)受還原氣氛的控制，在較強(qiáng)的還原氣氛下還原態(tài)的鐵基載氧體仍然會(huì)有部分FeO物相存在。
　　基于單流化床反應(yīng)器，研究了鐵礦石作為載氧體的無煙煤化學(xué)鏈燃燒特性，考察了常規(guī)煤氣化條件下和煤化

5、學(xué)鏈燃燒條件下，燃料反應(yīng)器內(nèi)煤氣化速率的差異，燃料反應(yīng)器內(nèi)載氧體的存在大大加快了煤氣化反應(yīng)的進(jìn)行，從而使得煤顆粒迅速轉(zhuǎn)化。基于1kWth串行流化床化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)裝置，研究了基于鐵礦石載氧體的無煙煤化學(xué)鏈燃燒特性，結(jié)果表明，隨著燃料反應(yīng)器溫度的升高，燃料反應(yīng)器煤氣化速率加快，載氧體與煤氣化產(chǎn)物的還原作用變強(qiáng)，被還原的載氧體數(shù)量增多，進(jìn)入空氣反應(yīng)器氧化再生的載氧體的數(shù)量增多，空氣反應(yīng)器兩個(gè)反應(yīng)器溫差變大;另一方面，隨著燃料反應(yīng)器溫度的升高，

6、隨載氧體顆粒進(jìn)入空氣反應(yīng)器的焦炭燃燒生成的CO2量逐漸減少，整個(gè)串行流化床內(nèi)煤化學(xué)鏈燃燒的碳轉(zhuǎn)化率和CO2捕集效率逐漸升高。在950℃溫度條件下，采用無煙煤作為固體燃料，燃料反應(yīng)器出口CO2濃度可達(dá)90％，燃料反應(yīng)器出口未檢測(cè)到C2-C4型碳?xì)浠衔?，表明鐵礦石對(duì)煤氣化產(chǎn)物具有較高的氧化反應(yīng)性能，鐵礦石作為一種廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的載氧體可以應(yīng)用于煤化學(xué)鏈燃燒過程。
　　最后，基于1kWth串行流化床化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)裝置，獲得了燃料反應(yīng)器溫度對(duì)

7、生物質(zhì)以及生物質(zhì)/煤混燃的燃燒特性，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。對(duì)生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒后的載氧體進(jìn)行表征分析(XRD，SEM-EDX)，得到了生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒過程中的生物質(zhì)堿金屬對(duì)載氧體反應(yīng)性能的影響機(jī)理。生物質(zhì)揮發(fā)份含量高，燃料反應(yīng)器出口氣體產(chǎn)物受生物質(zhì)熱解氣化速度、氣化產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間，以及載氧體還原反應(yīng)速率的共同影響。
　　在8h的串行流化床生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)后，鐵礦石載氧體表面呈現(xiàn)不規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙變大、相互連接，出現(xiàn)明顯

8、的裂紋，導(dǎo)致載氧體顆粒在空氣反應(yīng)器內(nèi)磨損加劇;部分生物質(zhì)堿金屬K沉積在鐵礦石載氧體表面上，盡管K元素沉積有利于燃料反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)焦的氣化轉(zhuǎn)化，但隨著更長時(shí)間的運(yùn)行，載氧體表面堿金屬的沉積量將呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而堿金屬元素一般熔點(diǎn)較低，會(huì)引起載氧體顆粒表面燒結(jié)，這對(duì)維持載氧體的反應(yīng)活性是不利的。生物質(zhì)化學(xué)鏈燃燒過程中，必須采用有效措施降低生物質(zhì)堿金屬K在載氧體顆粒的沉積。由于煤中堿金屬元素含量較低，煤灰中SiO2、Al2O3等惰性物質(zhì)含量較