鈣基載氧體在化學(xué)鏈燃燒技術(shù)中的應(yīng)用研究.pdf

1、包含CO2在內(nèi)的溫室氣體的排放是人類目前所必須面臨的嚴(yán)峻問題之一。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是一種新型的、具有鮮明節(jié)能減排特色的燃燒技術(shù)，它具有CO2內(nèi)分離性質(zhì)，無需外加CO2分離裝置即可捕獲得到高純度的CO2氣體。在化學(xué)鏈燃燒中，燃料不直接與空氣接觸，而是通過載氧體顆粒在空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器之間的循環(huán)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)氧和熱量的傳遞，完成燃料和空氣的無火焰燃燒過程。這種新型的燃燒方式基于兩步化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，具有更高的能量利用效率，同時(shí)，也

2、抑制了反應(yīng)中NOx氣體的生成。
　　 載氧體的應(yīng)用是化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，用于化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)中的傳統(tǒng)載氧體主要是Ni、Fe、Cu和Co等金屬的氧化物。這些載氧體顆粒具有良好的反應(yīng)活性和循環(huán)特性，但單位質(zhì)量載氧能力弱，價(jià)格昂貴且破碎后的顆粒物對(duì)環(huán)境存在二次污染。硫酸鈣由于價(jià)格便宜，單位質(zhì)量載氧能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，被視為很有發(fā)展前景的載氧體材料。
　　 本文采用Gibbs自由能最小化原理，探討多種操作參數(shù)對(duì)

3、CaSO4向CaS的轉(zhuǎn)化率、含硫氣體的釋放量和含碳產(chǎn)物沉積量的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度的增大會(huì)抑制積碳的發(fā)生，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致H2S氣體向SO2氣體的轉(zhuǎn)化，給煙氣脫硫過程增加了困難。操作壓力的增加不僅會(huì)促進(jìn)積碳的發(fā)生，破壞高溫對(duì)積碳的抑制作用，也會(huì)導(dǎo)致高溫區(qū)間內(nèi)含硫氣體釋放量的增加，所以反應(yīng)器內(nèi)高壓條件應(yīng)盡量避免。對(duì)于氧原子過量系數(shù)，處在0.2～0.8范圍內(nèi)時(shí)，氧原子過量系數(shù)減小會(huì)使含硫氣體釋放量得到有效抑制，但對(duì)于0.9～1.4的區(qū)

4、間，在溫度低于700℃時(shí)，減小氧原子過量系數(shù)對(duì)含硫氣體釋放量影響很小。氧化反應(yīng)器內(nèi)，較高的反應(yīng)溫度會(huì)降低CaS向CaSO4的轉(zhuǎn)化率，尤其在氧原子過量系數(shù)較小時(shí)這種現(xiàn)象更為明顯；反應(yīng)器內(nèi)的O2應(yīng)保持略有過量，較大的氧原子過量系數(shù)會(huì)促進(jìn)CaS向CaSO4的轉(zhuǎn)化率。
　　 采用浸漬法實(shí)現(xiàn)了Ni、Fe離子在CaSO4載氧體顆粒表面的分散，浸漬后的載氧體同氣體燃料和固體燃料的反應(yīng)性能同浸漬前相比明顯改善；CaSO4載氧體對(duì)Ni、Fe離子的

5、浸漬量越大，同氣體燃料和固體燃料的反應(yīng)性能越好。復(fù)合型載氧體同污泥半焦顆粒和玉米秸稈半焦顆粒的反應(yīng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于它同煤焦顆粒的反應(yīng)性能，說明了污泥半焦顆粒尤其是玉米秸稈半焦顆粒更適合應(yīng)用于固體燃料直接使用的化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)。通過向采用強(qiáng)酸處理過的CaSO4載氧體中加入CaCO3納米顆粒作為固硫劑，可大大改善鈣基載氧體的循環(huán)性能。
　　 氮?dú)鈿夥障?，CaSO4載氧體顆粒在反應(yīng)溫度為1250℃時(shí)呈現(xiàn)緩慢分解，在溫度達(dá)到1300℃時(shí)分解速

6、率明顯加快?？諝夥磻?yīng)器中控制反應(yīng)溫度在1300℃以下可使CaSO4載氧體的熱分解反應(yīng)被避免；在CaSO4載氧體顆粒的熱分解過程中，產(chǎn)物CaO的生長(zhǎng)活化能低于成核活化能，產(chǎn)物核一經(jīng)形成便可迅速成長(zhǎng)，反應(yīng)對(duì)應(yīng)的活化能值隨CaSO4轉(zhuǎn)化率的增大而單調(diào)減小。采用雙外推法和Popescu法計(jì)算得到無任何副反應(yīng)干擾、CaSO4顆粒處于原始狀態(tài)下的活化能值為992.15kJ/mol，推導(dǎo)得CaSO4顆粒的熱分解機(jī)理最可能是成核與生長(zhǎng)機(jī)理，其最概然機(jī)理

7、函數(shù)為[-lri(1-X)]2。
　　 還原性氣體分壓對(duì)鈣基載氧體還原過程中含硫氣體釋放量的影響很大，還原性氣體分壓越大，反應(yīng)過程中含硫氣體釋放量越小。即使在1000℃或更高的反應(yīng)溫度，只要保持CO或H2的氣體分壓在50kPa以上，可充分抑制反應(yīng)過程中含硫氣體的釋放，甚至可使CaSO4向CaS的轉(zhuǎn)化率達(dá)到100％。
　　 CaSO4載氧體的循環(huán)流量對(duì)系統(tǒng)熱效率、還原反應(yīng)器出口氣體中CO2與水蒸汽體積濃度和系統(tǒng)自給熱影響較