作为一次能源，煤炭的利用方式主要是燃烧，燃煤产生大量的CO2直接排放到大气中，在大气层集聚，导致温室效应。减排CO2已经成为今后人类可持续发展的主要内容之一。常规的煤燃烧技术均以空气为氧化剂，生成的烟气中CO2只占10～14％，CO2的后续处理（浓缩提纯）成本高，CO2分离、压缩技术需要消耗大量的能源。因此，燃煤CO2减排的关键是从燃烧产物中分离出CO2。在燃烧过程中生成高浓度的CO2或便于CO2分离的气相混合物（如CO2+H2O），在技术上最易实现。化学链燃烧(ChemicalLoopingCombustion)是一种崭新的燃烧技术，不仅能够在燃烧过程中实现CO2内分离，而且比传统燃烧技术具有更高的能源利用效率。论文针对基于铁矿石载氧体的固体燃料（煤、生物质）化学链燃烧技术展开研究。
首先，采用HSCChemistry软件平台对煤化学链燃烧过程中煤气化反应、铁基载氧体的氧化-还原反应性能进行热力学分析，证明了Fe2O3-Fe3O4之间的交替转化是铁基载氧体氧迁移的主导过程，Fe2O3在燃料反应器中与燃料发生还原反应生成Fe3O4，将Fe2O3中晶格氧传递给燃料，实现碳氢燃料化学能转化过程中CO2的富集。燃料反应器内气体燃料的完全转化受到Fe2O3-Fe3O4-FeO化学热力学的限制，燃料反应器出口的烟气仍会存在少量的未完全转化的可燃性气体。在煤化学链燃烧过程中，碳的转换率以及捕集效率主要受到燃料反应器内煤气化速率的影响，燃料反应器内煤气化反应速率是整个煤化学链燃烧过程的控制步骤，燃料反应器温度的选取主要考虑煤气化反应速率的要求。以煤气化产物为燃料，基于平衡组分计算模块，研究反应温度、载氧体与燃料气体的摩尔比等参数对燃料反应器内气固化学反应平衡组份的影响;结果表明，铁基载氧体在燃料反应器内相位组成(Fe2O3-Fe3O4-FeO-Fe)受还原气氛的控制，在较强的还原气氛下还原态的铁基载氧体仍然会有部分FeO物相存在。
基于单流化床反应器，研究了铁矿石作为载氧体的无烟煤化学链燃烧特性，考察了常规煤气化条件下和煤化学链燃烧条件下，燃料反应器内煤气化速率的差异，燃料反应器内载氧体的存在大大加快了煤气化反应的进行，从而使得煤颗粒迅速转化。基于1kWth串行流化床化学链燃烧反应装置，研究了基于铁矿石载氧体的无烟煤化学链燃烧特性，结果表明，随着燃料反应器温度的升高，燃料反应器煤气化速率加快，载氧体与煤气化产物的还原作用变强，被还原的载氧体数量增多，进入空气反应器氧化再生的载氧体的数量增多，空气反应器两个反应器温差变大;另一方面，随着燃料反应器温度的升高，随载氧体颗粒进入空气反应器的焦炭燃烧生成的CO2量逐渐减少，整个串行流化床内煤化学链燃烧的碳转化率和CO2捕集效率逐渐升高。在950℃温度条件下，采用无烟煤作为固体燃料，燃料反应器出口CO2浓度可达90％，燃料反应器出口未检测到C2-C4型碳氢化合物，表明铁矿石对煤气化产物具有较高的氧化反应性能，铁矿石作为一种廉价优质的载氧体可以应用于煤化学链燃烧过程。
最后，基于1kWth串行流化床化学链燃烧反应装置，获得了燃料反应器温度对生物质以及生物质/煤混燃的燃烧特性，并对其进行评价分析。对生物质化学链燃烧后的载氧体进行表征分析(XRD，SEM-EDX)，得到了生物质化学链燃烧过程中的生物质碱金属对载氧体反应性能的影响机理。生物质挥发份含量高，燃料反应器出口气体产物受生物质热解气化速度、气化产物在反应器内停留时间，以及载氧体还原反应速率的共同影响。
在8h的串行流化床生物质化学链燃烧实验后，铁矿石载氧体表面呈现不规则的孔隙结构，孔隙变大、相互连接，出现明显的裂纹，导致载氧体颗粒在空气反应器内磨损加剧;部分生物质碱金属K沉积在铁矿石载氧体表面上，尽管K元素沉积有利于燃料反应器内生物质焦的气化转化，但随着更长时间的运行，载氧体表面碱金属的沉积量将呈现增加的趋势，而碱金属元素一般熔点较低，会引起载氧体颗粒表面烧结，这对维持载氧体的反应活性是不利的。生物质化学链燃烧过程中，必须采用有效措施降低生物质碱金属K在载氧体颗粒的沉积。由于煤中碱金属元素含量较低，煤灰中SiO2、Al2O3等惰性物质含量较高，生物质与煤混燃时，生物质中碱金属可以与煤灰中SiO2、Al2O3形成高熔点物质，有效避免生物质碱金属在载氧体颗粒的沉积造成载氧体颗粒烧结。串行流化床化学链燃烧实验表明，50％生物质+50％煤的混合燃料的化学链燃烧过程特性与相应煤种的化学链燃烧相近。
- 作 者：
- 张海峰
- 学科专业：
- 动力工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 东南大学
- 导师姓名：
- 沈来宏王斌
- 学位年度：
- 2013
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
