基于双级燃料反应器的污泥化学链燃烧特性

化学链燃烧技术是一种可以实现CO₂内分离的新型燃烧技术。本文利用基于双级燃料反应器的新型化学链燃烧反应系统,以赤铁矿为载氧体,对污泥的化学链燃烧进行实验研究,系统连续稳定运行8h,考察燃料反应器温度（800～900℃）、污泥进料量（300～600g/h）对污泥化学链燃烧性能的影响。结果表明,稳定运行过程中,床料大部分位于一级燃料反应器,下降管高度保持稳定;双级燃料反应器的设计极大提高了污泥碳转化率,随温度的增加,碳转化率和碳捕集效率逐渐升高,且额外耗氧量始终低于10%;随着污泥进料量增加,碳转化率和CO₂体积分数逐渐降低。对两级燃料反应器内载氧体进行XRD分析,结果显示,还原后的载氧体在空气反应器再生后进入二级燃料反应器,和一级燃料反应器相比,具有更多的Fe₂O₃成分,保证其具有更高的反应活性。     

双级燃料反应器的煤化学链燃烧特性

在5 kW_th双级燃料反应器的化学链燃烧装置上,开展煤化学链燃烧特性研究,重点考察反应温度和气化介质对燃烧补偿率、碳增补率、出口气体组分浓度、额外耗氧率以及碳捕集效率的影响规律。实验结果表明,较高的反应温度能显著提高燃烧效率,900℃时出口烟气中CO₂浓度可达92.1%;随着反应温度升高,碳捕集率和燃烧补偿率分别上升至99.6%和83.4%,额外耗氧率和碳增补率下降至12.1%和4.8%。以CO₂为气化介质时,整体反应效率有大幅下降,额外耗氧率提高至23%。此外,在Ⅰ级FR反应器内发现有少量的团聚颗粒,但并未对流化产生影响。     

CO2气氛下准东煤化学链燃烧特性研究

我国准东煤储量丰富,钠含量高。以高钠准东煤为燃料,CO₂为气化介质,铁矿石为载氧体,基于鼓泡流化床反应器开展准东煤化学链燃烧特性的实验研究,考察了煤粒径、温度、流化风速和煤焦粒径对煤及煤焦化学链燃烧过程中可燃气体逃逸规律的影响;同时研究了煤中矿物质对煤焦气化过程的影响。结果表明,在基于鼓泡流化床实施的煤化学链燃烧过程中,由于煤颗粒和载氧体床料流化特性差异大,存在离析现象;离析影响煤化学链燃烧过程中挥发分和焦炭的转化;较高流化风速可显著增强载氧体与煤/焦炭颗粒的混合,有效改善离析对可燃气体转化的影响,降低可燃气体逃逸,并加快焦炭气化速率;煤焦中的矿物质能够维持煤焦较快的气化速率。     

固体燃料流化床富氧燃烧的研究动态与进展

二氧化碳捕集与利用是全球学术界和工业界关注的热点,也是燃烧科学技术领域的前沿和难点。固体燃料的流化床富氧燃烧耦合了流化床燃烧和富氧燃烧的诸多优点,是最具工业应用前景的燃烧中碳捕集技术之一。为更全面把握该领域最新动态,对近年来流化床富氧燃烧的研究进行了系统梳理,在简述富氧燃烧基本技术原理基础上,分析了国内外的研究动态,总结了主要研究进展,包括单一燃料流化床富氧燃烧、混合燃料流化床富氧燃烧、加压流化床富氧燃烧和新型流化床富氧燃烧,并探讨了固体燃料流化床富氧燃烧技术将来发展趋势和研究重点。     

铜基载氧体的焦炉煤气化学链燃烧特性

焦炉煤气(COG)是炼焦过程产生的主要副产品,含有复杂的气体成分(CO、H₂、CH₄、CO₂),化学链燃烧是一种可实现COG高效转化与高纯CO₂捕集的技术。通过溶胶凝胶法制备了一系列x(%)CuO/Ce-Zr-O(x=30、50、70、90)载氧体用于COG化学链燃烧反应特性研究。XRD表明,x(%)CuO/Ce-Zr-O载氧体物相由CuO和Ce_0.67Zr_0.33O₂固溶体组成。由于Zr⁴⁺进入CeO₂晶格中,在617 cm^-1处出现明显的氧空位Raman特征峰。H₂-TPR、CO-TPR、CH₄-TPR和COG-TPR结果表明加入Ce-Zr-O固溶体促使铜物种低温释氧能力增强。800℃下,CuO样品CO₂捕集率为34%,添加10%Ce_0.67Zr_0.33O<...     

10 kWth级串行流化床中木屑化学链燃烧试验

设计并建立了10 kW_th级串行流化床化学链燃烧反应器系统,以NiO/Al₂O₃为载氧体,在该系统上进行生物质（松木木屑）化学链燃烧分离CO₂的试验研究,探讨了燃料反应器温度T、水蒸气/生物质比率S/B对两个反应器（空气反应器和燃料反应器）气体产物组成以及燃烧效率的影响。试验结果表明,燃料反应器温度是影响生物质化学链燃烧过程的重要因素,随着温度的升高,燃料反应器气体产物中CO₂浓度不断上升,CH4浓度显著降低,CO浓度先升高而后迅速下降;较高的反应器温度有助于燃烧效率的提高。随着S/B的增加,燃料反应器气体产物中CO和CH₄浓度均会增大,CO₂浓度以及燃烧效率有所降低。在100 h的连续试验过程中,采用共沉淀法制备的NiO/Al₂O₃载氧体展现出良好的氧化-还原性能和较强的持续循环能力,是生物质化学链燃烧理想的载氧体。     

钠修饰铁矿石载氧体的串行流化床煤化学链燃烧试验

利用1 kW_th串行流化床反应器对钠修饰铁矿石载氧体进行试验研究,考察燃料反应器温度对煤化学链催化燃烧特性的影响。结果表明,钠在820～920℃温度下显著促进了煤气化反应的进行,随着燃料反应器温度的提高,使用Na-铁矿石时燃料反应器出口CO₂浓度明显增大,CO浓度明显降低,在920℃时CO₂捕集效率和碳捕集效率分别达到78.60%和80.54%,而使用纯铁矿石时CO₂捕集效率和碳捕集效率仅为40.27%和45.65%。在高温950℃时Na-铁矿石活性下降,出现烧结和团聚现象,燃料反应器出现滞流态化现象,这可能是钠的化合物熔点较低和载氧体过度还原所导致的。XRD和SEM分析结果显示钠修饰铁矿石促使更多的Fe₂O₃被还原为Fe₃O₄。     

基于化学链技术制氢的研究进展

利用氢能替代常规化石能源是运输行业应对气候变化和环境污染问题的一个重要突破口。将化学链技术应用于制氢过程不仅可以提高能量转换效率、减少环境污染,还可以在制氢的同时捕捉该过程产生的CO2,具有广阔的发展前景。本文概述了化学链制氢的两种方式的原理及特点,总结了不同过程在载氧体的筛选、反应器的形式以及系统模拟方面的研究现状。指出高效载氧体的筛选和制备是各个过程成功运行的关键。化学链水蒸气重整制氢[CLR(s)]过程需要考虑管束的磨损问题,而自热化学链重整制氢[CLR(a)]过程需要注意过程中的反应热量平衡。廉价载氧体的筛选、固体燃料的化学链制氢及其系统开发是化学链制氢(CLH)过程未来研究方向。     

化学链燃烧技术中载氧体的研究概述

化学链燃烧技术是一种新的高效、洁净燃烧技术。燃烧过程中可以有效控制甚至消除大气污染物NOx的排放,且不需要额外消耗能量既可以实现CO2的高浓度捕集。载氧体的性能是该技术发展应用的关键。文章介绍了化学链燃烧的机理,系统总结了载氧体的选材、制备方法、实验研究方法和性能研究情况。最后,对载氧体实际应用发展前景做了展望。     

无烟煤化学链燃烧过程燃料氮转化释放特性

基于赤铁矿石载氧体,在小型单流化床反应器上,开展煤挥发分和焦炭的化学链燃烧研究,探讨挥发分氮和焦氮在化学链燃烧过程中的转化特性。研究表明:燃料氮释放的中间产物HCN和NH₃与铁矿石载氧体具有较高的化学反应亲和性,易于被载氧体氧化生成N₂和NO。淮北无烟煤挥发分氮转化过程中,NO是唯一的氮氧化物,反应器出口中间产物NH₃的释放份额略高于HCN。在煤焦化学链燃烧还原过程中,部分燃料氮释放的中间产物HCN和NH₃被铁矿石氧化导致少量NO的生成,还原过程中无N₂O的释放;较高的还原反应温度加速了NO的生成。减少进入载氧体氧化再生过程的焦炭量可减少空气反应器NO和N₂O的生成。     

串行流化床内气体串混特性

串行流化床反应器间的气体串混是影响化学链燃烧过程的关键因素之一,采用串行流化床冷态试验装置,通过改变各反应器入口流化数,考察反应器间的串混量及串混率。反应器之间的气体串混路径可能有空气反应器和燃料反应器之间的气体串混、燃料反应器内气体向旋风分离器串混、隔离器气体在空气反应器和燃料反应器内的分布。结果表明,在空气反应器和燃料反应器之间加设隔离器能有效阻止两个反应器之间发生气体串混;燃料反应器内少许气体通过反应器内料腿向上串混到旋风分离器排气中,串混率约为2%,这使得该串行流化床化学链燃烧的理论碳捕集效率可以达到98%;燃料反应器流化风速对隔离器内气体在两个反应器的分布影响较小,采用水蒸气流化可避免隔离器气体向空气反应器和燃料反应器内串混所带来的影响。     

A novel dual circulating fluidized bed system for chemical looping processes

A fluidized bed system combining two circulating fluidized bed reactors is proposed and investigated for chemical looping combustion. Direct hydraulic communication of the two circulating fluidized bed reactors via a fluidized loop seal allows for high rates of global solids circulation and results in a stable solids distribution in the system. A 120 kW fuel power bench scale unit was designed, built, and operated. Experimental results are presented for natural gas as fuel using a nickel‐based oxygen carrier. No carbon was lost to the air reactor under any conditions operated. It is shown from fuel power variations that a turbulent/fast fluidized bed regime in the fuel reactor is advantageous. Despite the relatively low riser heights (air reactor: 4.1 m, fuel reactor: 3.0 m), high CH₄ conversion and CO₂ yield of up to 98% and 94%, respectively, can be reported for the material tested. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2009     

煤化学链燃烧载氧体研究进展

煤的化学链燃烧是清洁煤燃烧的重要技术之一。化学链中载氧体的使用可以避免煤和空气直接接触,从而避免氮氧化物等污染物的产生并提高能量转化效率。一般来说,煤的化学链燃烧有2种反应途径:煤气化化学链燃烧和氧解耦化学链燃烧;不同反应途径将极大影响载氧体组分以及结构设计。详细论述了2015-2020年煤化学链燃烧中固态金属载氧体的研究进展,包括铁基、锰基、铜基、镍基、硫酸钙以及其他复合金属载氧体。总结了不同金属载氧体的优缺点、反应路径、气-固和固-固反应机理、金属与载体的相互作用以及载氧体失活原理。铁基载氧体被广泛应用于气化化学链燃烧中,但单一铁基载氧体的反应速率较低。适量添加碱金属或碱土金属可以提升载氧体的反应活性。锰基载氧体在化学链燃烧中具有两面性:一方面可以在高温缺氧气氛中释放气态氧,另一方面也可以与还原性气体发生气-固反应。通过使用惰性载体以及碱金属添加剂可以提高锰基载氧体的机械强度和氧解耦能力。含铜载氧体具有出色的氧解耦能力和反应活性而被广泛关注,然而铜及其氧化物低熔点所带来的金属聚集导致载氧体的失活问题亟需克服。研究发现使用铁、锰和铜矿石制得的载氧体具有良好的反应性能。硫酸钙载氧体具有较好的反应活性,但煤的化学链燃烧时潜在的二氧化硫和硫化氢副产物需要引起重视。镍基载氧体虽然在煤的化学链燃烧中反应性能较好,但硫毒化、成本较高和环保性能不佳等缺点导致近年来镍基载氧体的研究较少。新型双金属或多金属载氧体可以同时结合2种金属的反应特性,从而显著提高载氧体的整体反应活性。基于载氧体的研究现状,对未来的发展方向提出了4点建议:结合2种煤的化学链燃烧机理设计新型氧解耦辅助化学链燃烧载氧体;发展新型材料和金属组分的载氧体;利用冶金工业废料制得载氧体;开发新型结构的载氧体。     

Experimental investigation of some metal oxides for chemical looping combustion in a fluidized bed reactor

Chemical looping combustion (CLC) is the process in which metal oxides, rather than air or pure oxygen, supply the oxygen required for combustion. In this process, different gaseous fuels can be burnt with the inherent separation of CO₂. The feasibility of the CLC system depends greatly on the selection of appropriate metal oxides as oxygen carriers (OC). In this study, NiO-NiAl₂O₄, Cu_0.95Fe_1.05AlO₄, and CuO-Cu_0.95Fe_1.05AlO₄ were tested experimentally in a fluidized bed reactor as a function of oxidation-reduction cycles, temperature, bed inventory and superficial gas velocity. The results showed that flue gases with a CO₂ concentration as high as 97% can be obtained. The flue gases should be suitable for transport and storage after clean-up and purification. With an increase in the bed inventory or a decrease in superficial gas velocity, the flue gas characteristics improved i.e. more CO₂ and fewer secondary components or less unreacted fuel were obtained. Carbon formation could occur during the reduction phase but it decreased with an increase in temperature and inventory and could be completely avoided by mixing steam with the fuel. The reactivity of NiO/NiAl₂O₄ was higher than the Cu- and Fe-based oxygen carriers. Increasing the CuO fraction in the oxygen carrier led to defluidization of the bed during the reduction and oxidation phases.     

Performance of limestone-based sorbent for sorption-enhanced gasification in dual interconnected fluidized bed reactors

A possibility to carry out sorption-enhanced gasification (SEG) is represented by its integration with the calcium looping concept in dual interconnected fluidized beds (DIFB). This article is focused on the sorbent CO₂ uptake performance and attrition/fragmentation tendency when operating conditions simulating those of a DIFB-SEG process are adopted. Experiments were carried out on a commercial Italian limestone in a laboratory-scale DIFB reactor. Carbonation was carried out in a range of test conditions, including variable temperature (600–700°C) and absence/presence of steam (10% by volume); CO₂ concentration was set at 10% by volume. The characterization is extended by investigating the behavior of preprocessed DIFB-SEG samples on impact fragmentation tests, conducted in an ex situ apparatus. Tests were carried out for impact velocities in the range 17–45 m/s. Results were discussed considering both the impact velocity value and the operating conditions under which the sample was preprocessed in the fluidized bed.     

Mixing and combustion in a shallow coal-limestone fluidized bed combustor

A model based on the Monte Carlo approach was developed to simulate the mixing and combustion behavior of a shallow coal-limestone fluidized bed combustor. The model involved the coupling of two sub-models: a combustion sub-model based on the two-phase concept of fluidization and a mixing sub-model based on our previously developed dynamic mixing model. The combustion sub-model considered both the volatile and char combustion. It assumed that the combustor consisted of three distinct phases, i.e., jet, bubble and emulsion, with combustion occurring only in the emulsion phase. The mixing sub-model considered the upward or downward movement of a coal particle in the bed as being governed by certain probability laws; these laws were, in turn, affected by the bubbling hydrodynamics. In all, the combustor simulation model took into consideration the effects of coal feed rate, coal size distribution, limestone size, air flow rate and combustor temperature on the combustor behavior. The simulation results included the dynamic response of coal concentration profile, coal size distribution, coal particle elutriation rate as well as the mixing status between the coal and limestone particles.     

铁基移动床化学链技术进展

在日益增长的能源需求与日益严峻的全球气候变化带来的双重压力下,清洁、高效且经济的能源利用方法显得尤为重要。将化学链概念用于传统化石能源的转化是一种前景广阔的新技术。化学链燃烧利用载氧体间接转化含碳燃料,同时实现二氧化碳的捕集。俄亥俄州立大学研发了采用铁基载氧体和移动床反应器的化学链技术,可实现天然气、煤、生物质等多种燃料向电力、氢、液体燃料等产品的零排放转化。目前,合成气化学链（syngas chemical looping,SCL）和煤直接化学链（coal direct chemical looping,CDCL）技术两套25 kW_th级小试装置已成功运行总计超过850 h,一套250 kW_th级的高压SCL装置即将投入示范运行。