部分氧解耦功能化学链燃烧中煤与氧载体反应速率调控机制研究

Mismatch of the reaction rate of coal with the oxygen carrier is the great obstacle to the chemical looping combustion. Much low gasification rate of coal influences the full conversion of coal, reduces the CO2 capture efficiency of the system and limits the efficient separation of CO2 from the flue gas. In order to well match the coal gasification rate with the oxygen transfer rate of CuFe2O4, experimental research is combined with both the quantum chemistry calculation and fluid dynamics simulation through such means as followed to promote the full conversion of coal, including ion modification and inert support addition to adjust the oxygen transfer rate from CuFe2O4, tailed catalytic activation of the coal and the organic macerals involved to improve the coal reaction rate, modification of the configuration of the fuel reactor to intensify the mixing of oxygen carrier with coal and also realize the efficient separation of coal char from the oxygen carrier, optimization of the operational parameters to balance the mass and energy demands involved, quantum calculation of the reaction of coal char with CuFe2O4 under the realistic atmosphere to explore the reaction mechanisms involved and determine the optimized reaction route, computational fluid dynamics(CFD) simulation of flow behavior and transfer characteristics of mass and heat for coal and CuFe2O4 oxygen carrier in the interconnected reactor systems. All these researches above are beneficial to the efficient and clean utilization of coal and also lay a strong foundation towards the great development of CLC of coal with a higher capacity and larger scale.

煤与氧载体反应速率不匹配是煤化学链燃烧技术的极大障碍，过低的煤气化速率影响了煤的充分转化、降低了CO2的捕获效率、不利于CO2从燃煤尾气中的有效分离。课题以煤与CuFe2O4氧载体反应速率的匹配为目标，把实验研究与量子化学、流体动力学计算相结合，通过CuFe2O4氧载体的改性、负载处理以实现氧传递速率的调控，煤及所含有机显微组分的定向催化以实现煤反应速率的提高，燃料反应器结构的改造以实现煤与氧载体混合程度的强化及煤焦的有效分离，系统运行参数的优化以实现反应器间质能平衡；并通过煤焦与CuFe2O4在复杂气氛下的量子化学计算从微观层面探索其中的反应机理、确定最优反应路径，通过串行反应器内煤与CuFe2O4的流体动力学计算加深对系统内流体动力学特性、传热传质规律的认识，从而促进煤的高效洁净利用，为煤CLC技术向高容量、规模化方向发展奠定坚实的基础。

煤的充分转化是化学链燃烧技术应用核心，对于煤的高效洁净利用及CO2捕获效率的提高，非常重要。但是，煤与氧载体反应速率不匹配，是煤化学链燃烧技术的极大障碍。因此，课题从如下四个方面，对煤与氧载体反应速率的匹配以及煤的充分转化进行了深入系统的研究。. 首先，氧载体是煤化学链燃烧技术应用的前提和基础。本项目采用溶胶凝胶燃烧合成法，制备了铜、钴、镍和锰铁酸盐复合氧载体，把系统的物理描述、实验研究和热力学计算相结合，对这些复合氧载体的晶体结构、形貌特征、反应特性、氧传递路线和释氧机理，进行了系统的研究；. 其次，煤的充分转化是煤化学链燃烧技术应用的核心。项目从分子尺度对化学链燃烧时，煤中化学结构官能团的分布、演化及其限制环节和各类因素的影响进行了系统的研究，发现：分子尺度上，C-C/C-H官能团是化学链燃烧中煤难转化的主要限制环节，而且只有氧载体过量系数、反应温度等因素有效结合，对于煤的充分转化才比较有利；. 第三，煤中硫的演化对于煤化学链全程都极其有害。基于实验及模拟研究，对煤中硫组分的迁移转化和再分布进行了系统的研究，并提出了硫的在线脱除和定向转化的方法；. 最后，鉴于中国煤质复杂，组分多变，活化煤粉，增加其反应活性、促进其有效转化对于化学链燃烧技术非常重要。本研究采用典型低反应活性无烟煤，通过机械活化、有效细化煤粉，对不同粒径的无烟煤用于煤化学链燃烧中的反应活性进行了研究。. 通过上述研究，以煤及其氧载体反应速率的改进和匹配问题为核心，对化学链燃烧中煤的转化及其限制环节的识别、改进有了深入的认识，为部分氧解耦燃烧技术的应用、发展奠定了基础。. 同时，相关研究迄今已经录用、发表各类学术文章19篇，其中SCI外文文章10篇，累计影响因子22.29，获得授权发明专利2个，应邀撰写Elsevier出版社煤化学链学术专著一章；作为负责人获得了河南省科技进步二等奖、教育厅技术成果一等奖、教育厅学术带头人及其郑州市第7届青年科技奖等奖励和荣誉。