基于鈣基載氧體化學(xué)鏈燃燒還原特性研究.pdf

1、工業(yè)革命以來，由化石燃料的大量使用，人類向大氣中排入的二氧化碳等溫室氣體劇增，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)已引起全球氣候變暖、海平面上升等一系列嚴(yán)重環(huán)境問題，直接威脅到人類生存空間。因此，減排CO2已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)燃燒方式產(chǎn)生的煙氣中CO2濃度只占10％-14％，目前主流的CO2減排技術(shù)，如燃后捕獲和富氧燃燒，在CO2分離過程需要消耗大量的能源，導(dǎo)致減排成本太高?；瘜W(xué)鏈燃燒是一種基于零排放理念的新犁燃燒方式，它能在基本沒有能量損失的

2、前提下，在燃燒過程中將CO2分離。載氧體一直是化學(xué)鏈燃燒中的研究重點(diǎn)，當(dāng)前普遍使用的金屬載氧體如NiO等雖然反應(yīng)活性高、機(jī)械強(qiáng)度好，但價(jià)格昂貴，使用中存在重金屬等二次污染。在化學(xué)鏈燃燒走向使用固體燃料如煤這樣的大背景下，具有廉價(jià)和高載氧能力的CaSO4載氧體是較佳選擇。
　　 論文主要針對(duì)CaSO4載氧體化學(xué)鏈燃燒還原反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究了鈣基載氧體與多種煤氣化產(chǎn)物的還原反應(yīng)特性，采用縮核模型描述并獲得了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)?；陔p

3、歐拉氣固流體動(dòng)力學(xué)模型，導(dǎo)入化學(xué)反應(yīng)模塊，構(gòu)建了化學(xué)鏈燃燒燃料反應(yīng)器的整體模型。具體研究過程如下：
　　 采用Gibbs自由能最小原理對(duì)煤氣成分還原CaSO4進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算和分析，獲得還原溫度、載氧體/燃料比等操作參數(shù)對(duì)氣體平衡組成和產(chǎn)物分布的影響。同時(shí)，建立了以CaSO4為載氧體，基于質(zhì)量平衡、化學(xué)平衡和能量平衡的煤化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)系統(tǒng)模型，研究了燃料反應(yīng)器溫度、空氣反應(yīng)器溫度、水煤比對(duì)平衡產(chǎn)物組份、載氧體循環(huán)倍率的影響。計(jì)算

4、結(jié)果初步表明CaSO4載氧體應(yīng)用于化學(xué)鏈燃燒是可行的，并確定了基于CaSO4載氧體的化學(xué)鏈燃燒合適試驗(yàn)區(qū)間和操作參數(shù)。
　　 在自行設(shè)計(jì)的固定床試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了基于鈣基載氧體甲烷化學(xué)鏈燃燒試驗(yàn)研究。重點(diǎn)考察了溫度，載氧體質(zhì)量，反應(yīng)氣體進(jìn)氣流量和載氧體粒徑對(duì)化學(xué)鏈燃燒的影響。研究表明反應(yīng)溫度對(duì)CH4還原CaSO4載氧體特別明顯，高溫下CH4基本上全部與載氧體反應(yīng)，但高溫下競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)也得到加強(qiáng)，會(huì)釋放大量的SO2。氣體流量、載氧體的質(zhì)量

5、和載氧體顆粒粒徑等對(duì)于還原反應(yīng)的影響也比較明顯。證實(shí)了CaSO4作為載氧體的可行性。同時(shí)也進(jìn)行了CaSO4載氧體與模擬煤氣的還原反應(yīng)特性試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)：在還原反應(yīng)初期獲得高濃度的CO2，提高溫度可顯著增加氣體的轉(zhuǎn)化率和CO2的收率，溫度還顯著影響CaSO4載氧體的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化速率，隨著溫度的升高，載氧體的轉(zhuǎn)化速率顯著增加。試驗(yàn)還對(duì)硫的遷移和釋放規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示SO2主要是在反應(yīng)的前期釋放，H2S主要是在后期釋放。XRD分析

6、直接證明了CaSO4載氧體在模擬煤氣還原條件下直接產(chǎn)物是CaS，高溫下有少量的CaO生成。ESEM表明還原后CaSO4載氧體變得疏松多孔。EDS分析驗(yàn)證了載氧體表面元素的遷移和變化規(guī)律。
　　 在對(duì)載氧體所進(jìn)行表征分析所得到的有益結(jié)論基礎(chǔ)上，運(yùn)用未反應(yīng)收縮核模型研究了CH4、H2、CO與CaSO4載氧體的表觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，并獲得了相關(guān)的表觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)，擬合得到的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)比較吻合。
　　 針對(duì)鈣基載氧體化學(xué)鏈燃燒燃料反應(yīng)器

7、內(nèi)氣固流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)特性，采用歐拉雙流體模型描述反應(yīng)器的稠密氣固流動(dòng)，結(jié)合縮核反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)建了包含流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)的燃料反應(yīng)器三維數(shù)學(xué)模型。利用該模型對(duì)Ф25mm實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對(duì)溫度、流量、載氧體質(zhì)量和粒徑等因素對(duì)甲烷化學(xué)鏈燃燒的影響進(jìn)行了模擬研究，同時(shí)還模擬了CaSO4載氧體與模擬煤氣的還原反應(yīng)，分析了溫度的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。利用該模型，結(jié)合煤氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，建立了基于