耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2的基础研究

A new method of coal-fired chemical-looping combustion for CO2 separation, which couples the reaction of pure oxygen gasification, will be developed in this project. The fuel reactor type will be improved from a traditional single reactor to a two-stage reactor consisting of a bubbling fluidized bed gasifier at the bottom and a riser at the upper section. During the operation process, a small amount of pure oxygen will be injected into the gasifier together with the typical gasification agent (i.e. steam). The exothermic reaction of gasification between coal and pure oxygen can realize the self-support of heat for the whole fuel reactor. Thus, the reaction temperature in the fuel reactor will not be restricted by the temperature of the air reactor, which should be great beneficial for the reaction efficiency of the fuel reactor and even the whole system. In addition, a reburning chamber will be set at the outlet of the system, in which another small amount of pure oxygen will be injected to reburn the unreacted combustible gases from the fuel reactor. As a result, the energy conversion efficiency will be improved and the emission pollution of combustible gases will be effectively reduced. On the other hand, with the help of the graded operation of fuel reactor and the reburning of combustible gases in the reburning chamber, the operation loss and the reactivity requirement of oxygen carrier in the novel system will be effectively reduced. Hence, the selection of oxygen carrier material can focus on the aspects of the cheapness and the long-time chemical stability. With the methods of theory, experiments and numerical simulation, this project aims to investigate the flow characteristics, heat and mass transfer law and reaction mechanism of the novel system, and further verify the feasibility of this new method, which can provide a theoretical reference for the future development of coal-fired chemical-looping combustion technology.

本项目研发一种耦合纯氧气化的燃煤化学链燃烧分离CO2新方法。该方法拟将燃料反应器由传统的单一反应器改进为由底部鼓泡床气化炉和上部提升管组成的两级反应器，其中气化炉内通入少量纯氧，和水蒸气一起充当气化剂，通过纯氧气化的放热实现燃料反应器热量自给，使其反应温度不再受空气反应器温度的制约，从而可以提高燃料反应器及整个系统的反应效率；同时，拟在系统后部增设燃烬室，通过在其中加入极少量纯氧，可以有效降低系统出口可燃气体浓度，从而提高能量转换效率并降低排放污染。另外，对于载氧体而言，此新方法通过燃料反应器的分级运行和燃烬室补燃，有效降低了载氧体的损耗以及对载氧体反应活性的要求，使得载氧体选材的重心可以放在廉价及化学稳定性上。本项目旨在通过理论、实验和数值模拟相结合的方式，探索该方法下燃煤化学链燃烧的流动特性、传热传质规律以及反应机理，验证此方法的可行性，为以后燃煤化学链燃烧相关技术的开发提供理论依据。

首先，选取多种贫铁矿考察了其作为化学链燃烧载氧体的反应性能。在热重分析仪和固定床中采用CO作为气体燃料对载氧体的反应特性进行了研究，从而选取了一种兼顾廉价和活性的贫铁矿载氧体。计算获得该贫铁矿载氧体与CO反应的表观活化能和指前因子分别为176.26 kJ/mol和1.53×10-3 m/s。在100次循环实验中，该铁矿石载氧体展示了优良的性能稳定性，其寿命可达4000h以上。为了进一步提高天然贫铁矿的反应活性，采用浸渍法对贫铁矿进行改性，将草木灰水溶液中的K+载入到天然贫铁矿中。结果表明改性贫铁矿载氧体展现了较好的循环稳定性，还原反应速率和反应深度都得到了显著提升，且K+的引入使载氧体在较宽的温度区间能够保持较高的反应活性。.随后，采用鼓泡流化床、快速流化床和逆流移动床分别作为气化反应器、还原反应器和空气反应器，搭建了固体燃料化学链燃烧的循环流化床系统。采用粗颗粒石英砂和中等粒径载氧体作为床料，研究不同工况下系统冷态运行特性及压力分布。较长时间的运行结果表明，该系统具有良好的运行稳定性。以贫铁矿载氧体和神华烟煤分别作为载氧体和燃料，采用部分纯氧作为气化介质，实现了该化学链燃烧系统的连续自热运行。通过改变不同的运行工况，研究了反应器温度、给煤速率、蒸汽流量、氧量以及松动风等对系统自热、反应性能以及碳捕集性能的影响。当运行中的氧煤比Roc不低于27.6%时，系统可以依靠反应热维持反应温度，实现自热运行，且具有较高的反应性能和碳捕集效率。在试验中，碳捕集率均高于95%，气体燃烧效率最大可达97.67%，固体燃料转化率最大为93.91%。.最后，为了明确化学链燃烧系统中，气体、载氧体、石英砂等三相物质的流动状态及相互作用机理，采用CFD技术对化学链燃烧系统运行过程中的气固流动特性进行了模拟，研究了还原反应器表观流化数Nr和空气反应器表观流化数Na对不同反应器内的气体、石英砂以及载氧体颗粒的流动特性的影响。通过对模拟中气固滑移速度拟合，得到了可靠的可被用于系统变工况运行的气固滑移速度预测公式。进一步，为了提高空气反应器气体处理能力和系统热功率规律，将空气反应器优化为多级逆流移动床结构并建立了基于该优化的空气反应器的化学链燃烧系统的三维数值模型，模拟结果表明该优化的系统仍然具有运行稳定性高、调节灵活性强和气密性高等特点。