基于CaSO4载氧体的煤化学链燃烧还原反应实验研究

基于CaSO4载氧体的煤化学链燃烧技术,采用小型流化床模拟燃料反应器,对煤气化–CaSO4还原反应展开实验研究。水蒸气作为气化及流化介质,煤气化气体产物(CO、CH4、H2)与CaSO4发生还原反应。结果表明,煤气化是煤气化–CaSO4还原反应过程的控制步骤;CH4、H2累积量随温度升高呈减少趋势,高于950 ℃时反应产物中无CH4、H2,温度低于950 ℃时CO累积量随温度增高亦呈减少趋势, 但高于950 ℃时CO累积量随温度升高反而略有增加;煤气化反应的碳气化效率以及煤气化–CaSO4还原反应的C–CO2转化率均随温度而增大,最大值分别达95.9%、91.5%。CaSO4在CH4、H2气氛的反应活性随温度升高而显著提高,而在CO气氛下其反应活性较弱;煤气化–CaSO4还原反应后的载氧体颗粒出现轻微磨损,扫描电镜分析表明反应后载氧体颗粒的比表面积增大,950 ℃时存在轻微烧结现象,但对载氧体反应活性影响不大。     

基于赤铁矿载氧体的串行流化床煤化学链燃烧试验

建立1kW级串行流化床反应器系统,以赤铁矿为载氧体进行了煤化学链燃烧试验。验证载氧体的持续循环能力,讨论燃料反应器温度对气体产物组成及CO2捕集效率的影响。在连续10h的试验中,载氧体展现出良好的稳定性和反应活性;随着温度由900℃升到985℃,燃料反应器中CO和CO2浓度迅速增加,空气反应器中CO2浓度则呈线性下降;较高的温度有利于提高CO2捕集效率。用BET比表面积、扫描电子显微镜和X-射线衍射对使用前后的载氧体进行表征,结果表明:表面轻微的烧结导致使用过的载氧体比表面积和空隙容积都有所下降;载氧体仍保持多孔结构,这有利于其与气体之间的反应。由于喷动床高速射流的存在,载氧体颗粒之间没有团聚现象。该种赤铁矿是实现煤化学链燃烧比较理想的载氧体。     

碱土金属Ca对铁矿石载氧体煤化学链燃烧的影响

在流化床上利用碱土金属Ca对铁矿石载氧体进行修饰,研究了Ca负载量、反应温度和循环次数对煤化学链催化燃烧的影响。结果表明:随着Ca负载量的增加,煤化学链燃烧的反应速率加快,碳转化率有效提高,气体产物浓度达到峰值的时间提前,反应后期气体产物的衰减速率变大,整个反应期间CO浓度明显减少,CO2、H2浓度增大。在800～960℃区间内,6%Ca-铁矿石的碳转化率和CO2体积份额均先增大后减小,920℃时对煤化学链催化燃烧效果最为显著,碳转化率和CO2体积份额高达91.2%和95%。19次循环实验后Ca对煤化学链燃烧仍有较好的催化效果,说明Ca-铁矿石具有较强的持续循环能力。扫描电镜表明Ca-铁矿石颗粒表面轻微烧结,表面晶粒存在较多裂纹和缝隙。     

基于Fe基载氧体模拟煤气化学链燃烧分离CO_2技术

对基于Fe2O3载氧体模拟煤气化学链燃烧的各反应进行了热力学分析研究,获得了Fe2O3在模拟煤气的氛围中各还原反应的热力学参数随温度的变化关系。基于Gibbs自由能最小化方法建立了基于Fe2O3载氧体化学链燃烧反应模型,模拟了载氧体与燃料的摩尔比、温度对燃料应器中各平衡产物的影响。     

碳酸钙直接硫化反应产物层固态离子扩散机理研究

循环流化床富氧燃烧因其可对再循环烟气温度有效控制，被称为最有工业前景的控制温室气体技术之一。在该燃烧方式下，煤燃烧产生的SO2仍采用石灰石除掉，但该过程属于石灰石的直接硫化反应。此反应目前争议较多的为硫化反应产物层中的扩散物质种类问题。文中采用向石灰石中添加Na2CO3的方法，对其循环流化床富氧燃烧工况下的硫化特性进行研究，目的在于探讨硫化反应产物层中的扩散机理及添加剂对石灰石硫化反应的作用。结果表明Na2CO3对石灰石在富氧气氛下直接硫化反应具有明显的促进作用，而且随反应进行，这种促进作用相对更加显著。SEM分析表明经Na2CO3处理后的石灰石硫化后所形成的CaSO4产物层中CaSO4晶粒较原始石灰石硫化后所形成CaSO4晶粒小，且晶粒之间排列更不规则。Na2CO3的添加导致硫化产物层中缺陷浓度增加，从而加速了产物层中的离子扩散率，是使石灰石直接硫化的最终转化率和硫化速率升高的原因。这也给石灰石直接硫化反应产物层中固态离子扩散理论提供了进一步的依据。     

助剂对CaSO_4载氧体化学链燃烧的影响

在固定床实验台架上,研究了CaSO4和添加助剂的CaSO4与气体燃料发生反应的特性。结果表明:助剂可大幅度地提高CaSO4的反应活性,缩短反应时间。在950℃下,所有复合载氧体的转化率均超过95%。在还原和氧化过程中,载氧体释放的SO2曲线呈单峰特性,且随温度显著增大;温度对COS的释放没有明显的影响作用。含Ni-Fe的载氧体等转化率下硫的损失率最小。通过程序升温还原、X射线衍射和场发射扫描电镜等表征分析,研究了样品的反应性能,成分与结构变化,并提出了一个可能的催化还原反应和硫释放机制。     

化学链置换燃烧数值模拟

燃烧过程中减排CO2已成为当前研究热点,化学链置换燃烧(CLC)可在没有额外能耗的前提下,将CO2从燃烧产物中分离出来,是一种崭新的洁净燃烧方式。目前国内外关于CLC模型的相关文献基本没有报道,基于欧拉多相流和化学动力学基础,利用计算流体力学软件(FLUENT)首次建立了CLC燃料反应器(CaSO4和H2)的反应动力学模型,并针对氢气的分压和床内反应温度对化学链燃烧的影响进行了相关的数值模拟。结果表明:氢气的分压和床内温度是影响化学链燃烧的重要参数,分压和温度的升高,提高了氢气的转化率。     

化学链燃烧技术中非金属载氧体的研究进展

简述化学链燃烧技术是一种能实现CO_2内分离、提高燃烧效率的燃烧技术及钙基载氧体具有更高的氧传递能力、价格低廉、环境友好的特性,介绍非金属载氧体CaSO_4不同实验测试与表征手段的研究现状,分析认为串行流化床非常适合于非金属载氧体CaSO_4化学链燃烧技术的应用,并提出未来的研究方向。     

煤化学链燃烧双循环流化床连续实验研究

在串行流化床化学链燃烧系统上以天然铁矿石作为氧载体,神华烟煤为燃料进行了化学链燃烧实验研究。在不同的进煤速率和温度下共进行累计100h的持续实验,天然铁矿石氧载体表现出良好的持续循环能力和反应性能,其中燃烧效率最高达96.33%,碳捕集效率最高达89.36%。探讨了温度和热功率对燃烧效率,碳捕集效率和CO2产率以及燃料反应器尾气出口组分浓度的影响。对反应前后的赤铁矿氧载体进行了比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射仪(XRD)表征测试,结果表明氧载体没有出现严重的烧结和团聚。在TGA上对反应前后的氧载体颗粒进行了氧化还原性能测试,反应前后氧载体反应活性没有明显变化。     

以煤为燃料的化学链燃烧研究进展

从3个方面介绍以煤为燃料的化学链燃烧的研究进展。在载氧体方面,研究载氧体的气固反应特性,采用表面光滑的Fe多晶片作为反应物,借助扫描电镜观测固体产物,剥离了孔隙结构的影响,解决固体产物微观形貌难以直接观察的问题;建立了基于分子尺度固体产物成核与生长的速率方程,从微观分子尺度来描述宏观的动力学行为;建立活性成分与惰性载体间相互作用力模型;提出通过引入外来离子提高天然钛铁矿载氧体反应活性的方法。在煤与载氧体相互作用方面,考虑了挥发分、煤灰对载氧体的影响;采用催化气化使气化速率与还原速率相匹配;煤的破碎、磨耗及分层会导致燃料反应器内气体的不完全转化。在反应器方面,建立了双循环回路的三流化床实验台,实现了140h稳定热态运行;并提出采用下行床、低温化学链燃烧和直接化学链燃烧的概念来转化未反应气体。     

新型煤气化间接燃烧联合循环研究

以煤为燃料，通过气化和间接燃烧等技术，实现燃煤发电的CO2分离。水煤浆增压后，利用间接燃烧过程热源气化。以金属氧化物为载氧体，实现间接燃烧(CLC)，即载氧体与煤气的“燃烧”和载氧体与空气的再生，“燃烧”气相产物为H2O(汽) CO2，冷凝水后，可分离出CO2。结合燃气蒸汽联合循环技术，构成新型煤气化间接燃烧联合循环，实现燃煤高效和CO2分离。文中通过数学建模方法，对系统特性进行仿真计算，预测煤气成分，研究载氧体还原比率、循环倍率、煤气成分等参数对间接燃烧性能的影响，为间接燃烧技术的实验研究和系统概念设计提供基础数据。     

两种煤气化工艺下Ni基载氧体链式燃烧联合循环性能模拟

化学链燃烧能在能量释放的同时有效分离CO2。该文用ASPEN PLUS软件对Ni/NiO/NiAl2O4作载氧体的整体煤气化链式燃烧联合循环系统进行了模拟，研究了管式气化方式和德士古(Texaco)气化方式对联合循环系统性能的影响，并对2种气化系统进行了比较。模拟结果表明，空气反应器温度1 200℃，补燃后透平进口温度1 350 ℃，管式气化系统效率为44.36%，德士古气化系统效率为41.81%；空气反应器温度从1 000 ℃升高到1 200 ℃，管式气化系统CO2减排量从174 g/(kW×h)减少到75 g/(kW×h)，德士古气化系统CO2减排量从260 g/(kW×h)减少到133 g/(kW×h)；补燃后透平进口温度从1 300 ℃升高到1 500 ℃，管式气化系统效率从43.96%提高到45.53%，德士古气化系统效率从41.14%提高到42.9%；在一定的透平进口温度下，存在最佳压气机压缩比。     

铁法链式反应器煤基氢电联产系统性能模拟

FeO/Fe3O4作载氧体，以链式反应器构建煤气化氢电联产系统，用ASPEN PLUS软件对系统的性能进行了模拟。研究链式反应器温度、水蒸汽转化率对系统性能的影响，并对系统流程进行了火用分析。结果表明，系统生产的H2的纯度高，可达99.9%，CO2 近零排放； 当水蒸汽反应器在815℃、水蒸汽转化率为37%时，系统的净效率达到58.06%；水蒸汽转化率对系统性能影响较大，由28%增加到41%时，系统的效率由53.17%增加到58.33%；系统的火用损主要集中在气化炉和余热锅炉部分。     

超细煤焦的细度对再燃还原NO的影响

以烟煤和褐煤混煤超细煤粉制作的煤焦作为再燃燃料，用N2，O2，CO2，NO配制模拟烟气，在立式携带流反应器中进行了煤焦再燃还原NO的实验，研究了超细煤焦的细度对炉内1300℃高温烟气中再燃还原NO 的影响。结果表明：①NO 的还原效率随着超细煤焦细度的提高而增大；②在再燃燃料比为20%~25%、再燃区的初始氧浓度为2%~4%的工况范围内，煤焦细度对NO 还原效率的影响显著；③在其它情况相同的条件下，当煤焦细度由154mm筛下提高到71mm筛下时，再燃还原NO的效率增加幅度不大；当煤焦细度由71mm筛下提高到45mm筛下时，再燃还原NO的效率大幅度增加；④NO还原效率与煤焦粒径的2次方成反比。     

New projects for CCGTs with coal gasification (Review)

Perspectives of using coal in combined-cycle gas turbine units (CCGTs), which are significantly more efficient than steam power plants, have been associated with preliminary coal gasification for a long time. Due to gasification, purification, and burning the resulting synthesis gas at an increased pressure, there is a possibility to intensify the processes occurring in them and reduce the size and mass of equipment. Physical heat evolving from gasification can be used without problems in the steam circuit of a CCGT. The downside of these opportunities is that the unit becomes more complex and expensive, and its competitiveness is affected, which was not achieved for CCGT power plants with coal gasification built in the 1990s. In recent years, based on the experience with these CCGTs, several powerful CCGTs of the next generation, which used higher-output and cost-effective gas-turbine plants (GTPs) and more advanced systems of gasification and purification of synthesis gas, were either built or designed. In a number of cases, the system of gasification includes devices of CO vapor reforming and removal of the emitted CO₂ at a high pressure prior to fuel combustion. Gasifiers with air injection instead of oxygen injection, which is common in coal chemistry, also find application. In this case, the specific cost of the power station considerably decreases (by 15% and more). In units with air injection, up to 40% air required for separation is drawn from the intermediate stage of the cycle compressor. The range of gasified coals has broadened. In order to gasify lignites in one of the projects, a transfer reactor was used. The specific cost of a CCGT with coal gasification rose in comparison with the period when such units started being designed, from 3000 up to 5500 dollars/kW.     

化学链重整制氢系统的过程模拟

为了评价化学链重整制氢系统的性能,针对以CH4为燃料、以化学链技术(基于NiO/NiAl2O4氧载体)为核心的2种不同工艺重整制氢系统——自热化学链重整制氢系统(autothermal chemical looping reforming,CLR(a))和蒸汽重整化学链燃烧系统(chemical looping steam reforming,CLR(s)),采用Aspen Plus软件进行了过程模拟和热力学分析。以2种系统的产气率、冷煤气效率、CH4转化率等为评判指标,得到了各系统优化的反应条件,并分析了各操作参数(包括燃料/重整反应器温度和压力、CLR(a)中氧载体甲烷摩尔比和空气甲烷摩尔比、CLR(s)中水甲烷摩尔比和燃料甲烷份额)对系统性能的影响,最后对2种制氢系统进行了定量比较和分析。结果表明:2种化学链重整制氢系统具有相近的燃料发热量和CH4转化率(98%),但自热化学链重整制氢系统工艺更为简单,所需氧载体循环流量仅为蒸汽重整化学链燃烧制氢系统的1/3,从而可节约传输能量;而后者重整气中氢含量更高(74.14%对65.81%),且具有更高的冷煤气效率(85.28%对71.19%)和产气率(4.05对2.97)。     

化石能源转换中实现H2/CO2分离的技术——膜反应器

介绍未来煤气化电站中CO2回收的关键技术———膜分离反应器,并通过无电镀法制得薄且结构稳定的复合膜。用膜分离器实现燃料转化中产生的CO2和H2分离,以获得高热值的H2燃料,同时便于将CO2压缩储存,减少温室气体排放。     

200 MW富氧燃煤电厂制粉系统及磨煤机参数研究

针对空气-富氧燃烧兼容运行的大型富氧燃煤电厂制粉系统参数选择和磨煤机选型等问题,开展了研究和分析。采用设计计算和理论分析相结合的方式,研究了高CO2气氛对磨煤机及制粉系统参数的影响,获得了典型煤种在200 MW机组空气-富氧兼容条件下磨煤机出口温度、煤粉细度、通风量和煤粉管道流速等参数。综合考虑堵粉、腐蚀和防爆等情况,一次风氧分压控制在18%,烟气冷凝器出口含水率限制在5%以下,富氧干循环方案磨煤机出口温度控制在77~80 ℃为宜,湿循环方案磨煤机出口温度在95~100 ℃为宜。通过磨煤机及制粉系统选型参数比较分析,提出了相关防磨、防漏、防腐措施。研究结果实现了空气-富氧燃烧兼容运行下制粉系统和磨煤机关键参数的匹配。     

水煤浆挥发分再燃对NO还原的影响

为了解水煤浆再燃过程中均相还原反应效果的影响因素,在固定床反应器上,利用合成烟气模拟再燃区环境,对不同煤种的水煤浆,在不同的浓度、再燃区温度、氧气浓度、颗粒粒径对挥发分再燃效果的影响进行了研究。实验结果显示：挥发分的再燃效果随着水煤浆浓度的降低而升高,随着煤阶的降低而增加。另外,挥发分含量相同,含氮量高的再燃效果要好一些。再燃区反应温度的升高有益于水煤浆挥发分的释放以及再燃反应。挥发分作为再燃燃料时,再燃区烟气含氧量的影响最大,再燃效果随含氧量的增加而降低。制浆原煤粒径的大小对挥发分再燃的效果有所影响,随粒径的减少再燃效果略有增加。