部分氧解耦煤化学链燃烧中硫的迁移转化及其定向脱除机理研究

Through direct use of coal as fuel in the chemical looping combustion, efficient combustion of coal and CO2 capture can be realized simultaneously, but migration and transformation of sulfur in the coal will cause great harms, not only leading to oxygen carrier poisoning and its reactivity decreased, but also causing serious environmental pollution and great difficulty for CO2 downstream separation and storage. Aiming to coal efficient combustion and simultaneous decarbonization and desulfurization, based on the chemical looping combustion with partial oxygen coupling technology developed by the applicant, this research further studied the evolution rules of the different sulfur species in coal, revealed the intrinsic evolution mechanisms and reaction pathways for the different sulfur species by combination of the experiment with theoretical calculation.And then, the optimal reaction conditions and operational measures were determined through quantitative evaluation of different influencing factors by the relative sensitivity analysis method, and thereby coal efficient combustion, sulfur directional conversion and in situ desulfurization through limestone addition were simultaneously accomplished, while the solid sulphation residue, mainly identified as CaSO4, was used as an extra oxygen carrier for cyclic application. As such, coal efficient combustion, decarbonization and in situ desulfurization could be simultaneously reached, and thus a solid foundation would be laid for the fast development and application of chemical looping combustion at a larger scale.

煤作为燃料直接用于化学链燃烧，可以在高效燃烧的同时实现CO2的有效捕集，但煤中硫组分的迁移转化则会引起极大的危害，不仅导致氧载体中毒活性降低，而且会引起严重的环境污染并造成CO2的分离及后处理困难。课题以煤的高效燃烧和协同脱硫脱碳为目标，基于申请人发展的部分氧解耦煤化学链燃烧技术，在实现煤的高效燃烧的前提下，进一步把实验研究与理论计算相结合，系统研究煤中不同形态硫的迁移转化规律，揭示不同硫组分及其与煤焦、还原氧载体之间潜在的作用机理和主要反应路径；并采用相对敏感系数法定量评估不同因素的影响，确定最优反应条件和运行措施，实现煤的高效燃烧以及煤中硫的定向转化，并通过炉内喷钙实现高效脱硫，而固硫渣（主要为CaSO4）则作为额外的氧载体，实现固硫灰渣的资源化循环利用，确保煤高效清洁燃烧以及脱硫脱碳的协同进行，为煤化学链燃烧技术的大力发展、规模化应用奠定坚实的基础。

煤的高效转化和清洁无污染燃烧在我国化石燃料利用和能源生产中起着非常重要的作用。以CuFe2O4作为载氧体的部分氧解耦化学链燃烧技术，作为具有自主知识产权的、煤的新型燃烧技术，具有极大的发展潜力和应用价值。而煤中硫赋存复杂、形态多变，用于化学链燃烧，危害严重。不仅会导致氧载体中毒失活，并可能引起反应器床料脱硫态化，而所形成的气相硫化物污染严重，对于CO2后处理造成极大困难。. 因此，课题分别从高性能多元CuFe2O4氧载体的制备和描述、煤中不同形态硫在复杂气氛下的演化、煤与自制高性能CuFe2O4化学链燃烧中硫的迁移转化和交互作用以及喷入CaO基固硫剂时的固硫特性和固硫产物的资源化利用四个方面加以系统研究，分述如下：. 首先，通过不同惰性载体的负载、过渡金属元素的掺杂及碱性元素的活化，并优化制备工艺，避免湿化学制备方法中多离子和组分的偏析，制备具有高纯度的多元CuFe2O4复合载氧体，并对其氧传递特性加以研究；. 其次，把煤的多级HCl-HF复合酸洗和CrCl2还原法有机结合，依序定向脱除煤中的硫酸盐、黄铁矿硫，制得富含不同形态硫的煤样，并在不同的反应条件和气氛下，对煤中硫的演化和分布加以系统研究；. 第三，通过中国典型煤种与自制多元CuFe2O4复合载氧体在不同反应条件、气氛及多次循环过程中反应特性、气固相硫演化分布的研究，确定优化反应条件，实现煤高效燃烧及CO2的在线捕集；. 最后，通过喷入不同CaO基前置物固硫剂，实现煤中硫的高效脱除，而固硫产物作为额外的载氧体，原位闭式实现固硫产物的资源化利用，避免了当前燃煤电厂湿法烟气脱硫时大量废渣的堆弃及其潜在危害。. 基于上述研究，迄今已经录用、发表各类学术文章 篇，其中SCI外文文章 篇；应邀撰写科学出版社化学链学术专著一章，培养并已经毕业硕士研究生四人，在读九人，其中一人获得校优和省优硕士论文，本人获得了郑州市优秀科技工作者的荣誉。