基于鐵基載氧體燃煤加壓化學鏈燃燒研究.pdf

1、隨著人們對全球交暖認識的深入，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。化學鏈燃燒技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效低能耗的進行燃煤CO2分離捕獲，目前氣體燃料化學鏈燃燒已經(jīng)得到中試驗證，研究重點轉(zhuǎn)向固體燃料化學鏈燃燒。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)。本論文主要針對廉價鐵礦石載氧體進行了燃煤加壓化學鏈燃燒研究，研究了廉價鐵礦石載氧體在煤加壓化學鏈燃燒反應(yīng)過程中的還原反應(yīng)特性和持續(xù)循環(huán)能力，并對反應(yīng)動力學進行了初步研

2、究。
　　 首先利用熱力學數(shù)據(jù)對固體燃料化學鏈燃燒化學反應(yīng)進行分析，基于Gibbs自由能最小原理對化學反應(yīng)進行了模擬，獲得化學反應(yīng)達到熱力學平衡時，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)對氣體平衡組成和產(chǎn)物分布的影響，模擬結(jié)果獲得化學鏈燃燒反應(yīng)最優(yōu)運行工況區(qū)間，其最優(yōu)溫度區(qū)間為900-1000℃。
　　 在熱力學研究的基礎(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鏈燃燒。研究結(jié)果表明

3、，增加反應(yīng)器的壓力可以促進水蒸氣及還原性氣體向焦炭和載氧體顆粒表面擴散，促進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。確定了煤加壓化學鏈燃燒過程在900～950℃溫度段的反應(yīng)模型為擴散控制反應(yīng)的Jander模型，并利用該模型獲得了煤加壓化學鏈燃燒反應(yīng)活化能和頻率因子。
　　 在加壓化學鏈燃燒反應(yīng)系統(tǒng)中，分別在流化床及固定床流型內(nèi)研究了基于廉價鐵基載氧體煤加壓化學鏈燃燒的還原反應(yīng)特性，壓力對出口干氣體中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時為92.8％，當壓力由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時為71.5％，當壓力由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間短，而且混合效果差，導致流化床系統(tǒng)CO2的捕獲效率較低，其反應(yīng)器結(jié)構(gòu)需進一步改進。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)。在實驗研究過程中，沒有發(fā)現(xiàn)載氧體顆粒破碎及團聚現(xiàn)象發(fā)生。
　　 在流化床及固定床流型內(nèi)研究基于廉價鐵基載氧體煤加壓化學鏈燃燒的循環(huán)反應(yīng)特性。在溫度為970℃，壓力為0.1MPa、0.5MPa時分別進行載氧體的還原/氧化

6、循環(huán)實驗研究，研究了二十個循環(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，CO2出口累積濃度分別在55％-60％、65％-70％之間波動，碳的轉(zhuǎn)化率分別在75％、80％之間波動，載氧體的轉(zhuǎn)化率分別在0.4-0.5、0.5-0.6之間波動；固定床反應(yīng)器中，反應(yīng)器壓力為0.1MPa、0.5MPa