原位煤气化化学链燃烧发电系统的过程模拟

运用Aspen Plus软件构建了以Fe_(2)O_(3)/FeO为氧载体的600 MW原位煤气化化学链燃烧发电系统。基于系统的仿真结果,分别进行了能量、[火用]和[火用]成本分析。结果表明:原位煤气化化学链燃烧发电系统的净热效率为35.38%;系统中内部[火用]损失最大的组件为空气反应器,占原位煤气化化学链燃烧子系统组件总内部[火用]损失的28.39%;水汽系统总内部[火用]损失在整个系统中占比较小,仅为化学链燃烧子系统的14%;原位煤气化化学链燃烧发电系统中单位[火用]成本最大的组件为空气预热器,其值为3.88,再热器、省煤器和过热器的产品单位[火用]成本也较大。

准东煤半焦赤铁矿载氧体化学链燃烧及碱(土)金属迁移特性

准东煤在常规燃烧利用过程中出现严重的积灰结渣和CO_(2)排放等问题,极大地限制了其低碳清洁高效利用。采用中低温热解低阶煤生产半焦、焦油和热解气是煤炭分质分级利用的龙头技术,准东高碱煤热解半焦气化活性高,采用化学链燃烧方式有利于实现其低碳清洁高效转化。以CO_(2)为气化介质,赤铁矿石为载氧体,在固定床上开展准东煤半焦原位气化化学链燃烧特性研究,并探究了准东煤半焦中碱(土)金属(AAEMs)的迁移转化规律。研究表明,赤铁矿载氧体能够显著提高固定床反应器出口烟气中CO_(2)体积分数,然而随着载氧体与半焦质量比(mOC/mC)不断增加,CO_(2)体积分数先急剧增加而后趋于不变,最佳的mOC/mC为50:1,而700℃热解制取的准东煤半焦经酸洗脱灰处理后固定床反应器出口相应烟气中CO_(2)的选择性降低了8.95%,这表明准东煤半焦中具有催化活性的AAEMs显著影响其化学链燃烧性能。赤铁矿载氧体对准东煤半焦表面AAEMs的分布也有显著影响,与未加入时相比,Na、K元素在半焦表面呈现较为明显的团簇富集,Ca、Mg元素在空间分布上呈更为明显的依赖关系。采用原位气化化学链燃烧方式后准东煤半焦中的AAEMs向赤铁矿载氧体中发生迁移与转化,并生成霞石(NaAlSiO_(4))、钾长石(KAlSi_(3)O_(8))、钙铝黄长石(Ca_(2)Al_(2)SiO_(7))、镁橄榄石(Mg_(2)SiO_(4))等高熔点矿物质,有效抑制了准东煤半焦中AAEMs向气相的挥发。

准东煤分步和直接化学链燃烧特性

化学链燃烧作为高效的低碳排放燃烧技术,在提高燃料利用率和减少CO_(2)排放方面显示出其独特优势。采用Fe_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)载氧体,利用两段式固定床反应器开展了准东煤直接和分步化学链燃烧试验,探究了载氧体反应前后理化特性。发现准东煤热解挥发分化学链燃烧碳转化率和CO_(2)选择性随温度和载氧体与煤质量比(OC/C)增加而升高。OC/C和温度升高提高半焦化学链燃烧碳转化率,但降低CO_(2)选择性。相比煤直接化学链燃烧,在相同条件,分步化学链燃烧CO_(2)选择性大幅提高、碳转化率有所降低。反应温度800℃,分步化学链燃烧CO_(2)选择性达89.51%,相比直接化学链燃烧提升了29.18%。反应温度950℃,分步化学链燃烧碳转化率在60.40%,比直接化学链燃烧降低6.78%。与半焦反应后载氧体还原程度高于与煤热解挥发分反应后载氧体,半焦与载氧体的反应是煤化学链燃烧的限制因素之一。本研究为实现准东煤低碳清洁燃烧提供重要理论依据和技术支撑。

中国化学链燃烧技术研发进展与展望

化学链燃烧通过载氧体将空气中的氧传递给燃料、避免了高耗能的空分制氧,能够在较低能耗下实现CO_(2)的源头捕集,是最具潜力的固体燃料大规模碳减排技术之一。该文对中国化学链燃烧的研发进展进行系统的综述,介绍化学链燃烧技术在中国的中试进展、工程示范部署及技术路线图,综述化学链燃烧在中国的基础研究现状,包括载氧体制备、载氧体氧化/还原反应动力学及模型、载氧体测试方法、双流化床等;并简要讨论化学链燃烧技术未来的发展趋势。

氧载体NiFe_(2)O_(4)与褐煤的化学链燃烧反应特性实验研究

本实验制备了氧载体NiFe_(2)O_(4),并通过热重分析试验系统研究了其对褐煤的氧化还原性能。使用扫描电镜、比表面积和X射线衍射实验表征了表面结构,与NiO和Fe_(2)O_(3)相比,NiFe_(2)O_(4)中Ni的存在增大了比表面积和孔隙体积,提高了褐煤化学链燃烧过程中的反应活性和氧传递能力。此外,循环实验证实了NiFe_(2)O_(4)高反应活性的稳定性。

熔融法甲烷热裂解耦合化学链燃烧技术低碳联产工艺

目的开发以天然气为原料的熔融法甲烷热裂解耦合化学链燃烧技术联产氢气、电、碳材料新工艺。方法利用Aspen Plus对联产工艺进行建模计算,并从经济效益方面分析了技术经济可行性,以及讨论了热裂解反应甲烷转化率、热裂解反应温度和变压吸附分离效率等主要因素对系统的影响。结果在600 kmol/h进料条件下,氢气和碳材料产量分别为956 kmol/h和503 kmol/h,系统发电量为9.43 MW,CO_(2)捕集量为208 kmol/h,捕集率达到99.75%。制氢效率、制碳材料效率和产电效率分别为41.059%、31.453%和4.532%,系统总效率达到77.044%。结论提高甲烷转化率和变压吸附效率、降低热裂解反应温度有助于提高产品产量和系统总效率。

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、H_(2)、CH_(4)、CO_(2)),化学链燃烧是一种可实现COG高效转化与高纯CO_(2)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_(0.67)Zr_(0.33)O_(2)固溶体组成。由于Zr^(4+)进入CeO_(2)晶格中,在617 cm^(-1)处出现明显的氧空位Raman特征峰。H_(2)-TPR、CO-TPR、CH_(4)-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CO_(2)捕集率为34%,添加10%Ce_(0.67)Zr_(0.33)O_(2)后CO_(2)捕集率增至100%。经50次氧化还原循环后,CuO样品性能大幅降低,而90CuO/Ce-Zr-O样品的反应性能和物相结构未发生明显变化,表明CuO和Ce_(0.67)Zr_(0.33)O_(2)之间的相互作用增强了铜物种的释氧能力和循环稳定性。此研究有助于拓宽COG利用途径。

CeO_(2)载氧体对煤化学链燃烧中汞迁移影响机制

汞污染因其对人类和生态系统的严重危害而日益受到人们的关注,本研究旨在分析CeO_(2)载氧体在煤化学链燃烧过程中对汞迁移的影响。通过实验比较了“CeO_(2)+煤”“SiO_(2)+煤”“煤”在流化床反应器中的燃烧状况,在气化氛围中,载氧体与煤反应主要转化为CO_(2)和少量CO、CH_(4)、H_(2)等成分,“CeO_(2)+煤”体系消耗了最多的O_(2),产生了最多的CO_(2),表明CeO_(2)载氧体促使煤燃烧更加充分。汞在气化氛围下主要以Hg^(0)的形式释放,“CeO_(2)+煤”的Hg^(0)释放量占总汞量的49.75%,明显低于无载氧体组。汞在空气氛围下主要以Hg^(2+)的形式再次微量释放,“CeO_(2)+煤”的Hg^(0)和Hg^(2+)释放量均低于纯煤组。通过改变CeO_(2)载氧体和煤之间的不同位置,表明在气化氛围下CeO_(2)载氧体对Hg^(0)的吸附作用很弱,其催化性和释氧作用是脱除Hg^(0)的关键因素,且催化性占据主要地位。在气化氛围下,CO_(2)可以补充CeO_(2)中消耗掉的晶格氧使其具有更好的催化和再生性能。通过对还原/氧化后CeO_(2)载氧体进行XPS(X射线光电子能谱分析仪)分析,发现Ce 3d中的Ce^(3+)峰值消失全部转化为Ce^(4+),表明CeO_(2)载氧体具有良好的再生性能。

钾修饰铁锆氧载体制备及煤化学链燃烧中钾元素赋存形态探究

考察了制备条件对载氧体性能的影响,并通过HSC Chemistry考察了温度与还原度(R_(ox))对钾元素赋存形态的影响。结果表明,最佳制备条件为:ZrO_(2)的添加量为30%,K_(2)CO_(3)的添加量为5%,载氧体的煅烧温度为800℃。煤过量或较高时钾元素的赋存形态主要为气态钾单质K(g)。而在系统中载氧体含量足量或过量时,在高温时钾元素的主要赋存形态转变为了KFeO_(2)。并且只有在反应温度较低且载氧体还原程度较深时,钾元素才能保持以K_(2)CO_(3)的原形式存在。

化学链燃烧中载氧体结构设计对抗磨性的影响研究

在化学链反应过程中,载氧体作为氧和热量的载体起着至关重要的作用,载氧体设计一直是化学链技术研究的重点和难点。化学链燃烧通常发生在流化床反应器中,由于化学反应带来的化学应力对载氧体磨损贡献率最大,导致载氧体寿命大大缩短,有效成分流失。从载氧体结构设计角度出发,定性评价了不同复合载氧体的抗磨损机理:核壳结构抑制了活性组分的相分离现象,避免了由于活性组分表面磨损带来的载氧体失活;添加Al_(2)O_(3)纤维和“铆钉”抑制了裂纹扩展,减缓了材料的磨损;添加燃料灰改善了复合载氧体的骨架强度,提高了载氧体抗磨性和抗结渣团聚性;利用复合载氧体的协同增效提高了反应活性,减缓了烧结团聚现象。从磨损动力学和使用寿命角度出发,定量比较了不同载氧体的磨损情况:通过对数拟合Gwyn磨损动力学方程,求出不同载氧体拟合参数K和n,可以反映磨损机制和磨损变化规律。

火焰合成Pt修饰CuO氧载体低温化学链燃烧特性

采用火焰喷雾热解方法(FSP)合成了Pt修饰CuO纳米氧载体材料(FSP-Pt/CuO),首先通过XRD、SEM等表征手段分析了Pt/CuO的结构和组成;通过热重分析仪、化学吸附仪对比研究了FSP合成的CuO、Pt/CuO以及商用CuO纳米颗粒的化学链燃烧反应性能.结果表明,FSP-Pt/CuO氧载体材料与H_(2)、CO、CH_(4)的还原反应温度能够分别降低到200℃、105℃、290℃以下.进一步考察了H_(2)、O_(2)不同浓度对Pt/CuO氧载体还原、氧化特性的影响,并测试了Pt/CuO氧载体的低温化学链燃烧循环稳定性.最后通过Pt/CuO氧载体颗粒表面的氢溢流原理对低温化学链燃烧过程进行了模型机理解释.

化学链燃烧中载氧体磨损及抗磨损方法研究进展

大规模使用化石燃料导致CO_(2)大量排放,由此引发的全球气候问题受到广泛关注。化学链燃烧采用循环载氧体为燃料提供活性氧,改进了传统燃烧方式,避免了N2对烟气的稀释,降低了CO_(2)的捕集成本,具有CO_(2)内分离的优点,在CO_(2)捕集领域具有较大发展潜力。载氧体是化学链燃烧技术的核心,具有传递热量和释放晶格氧的双重作用,但面临磨损率大和寿命较短的问题,严重影响化学链燃烧技术的经济性。综述了载氧体磨损的表观现象和内在机理,发现化学磨损是载氧体磨损的主要因素;总结了评估和预测载氧体磨损的方法,以及提高载氧体耐磨性的方法,并对未来载氧体的研究方向进行了展望。

10 MW_(th)化学链燃烧反应装置的CPFD模拟

对自主设计的10 MW_(th)化学链燃烧装置进行了全流程全尺度的计算颗粒流体力学(CPFD)模拟,得到了系统内详细的气固两相流流体动力学信息。首先基于经典实验验证了各曳力模型的可靠性,利用优选的EMMSYang曳力模型对系统进行了全流程模拟,分析了系统内的压力平衡,之后分析了系统内的固体循环流量,反应器内固含率分布、压力分布等关键参数,补充了实际运行过程中难以测量的细节信息,同时可以指导操作条件优化及反应器调控策略。模拟结果显示,系统实现了良好的压力平衡,空气反应器出口固体循环流量达到103.80 kg/s,燃料反应器出口固体循环流量达到40.10 kg/s,底部返料阀返料顺畅,使得系统快速达到稳定运行状态。

化学链燃烧中煤灰原位改性对钙基载氧体炭沉积的影响

在流化床中利用准东煤灰负载在钙基载氧体上,对钙基载氧体进行原位改性,从而制备改性的CaSO_(4)-Ash复合载氧体。借助TG-MS实验中的CO_(2)离子流量强度曲线,考察准东煤灰负载量对载氧体还原反应过程中炭沉积特性的影响规律,并通过固固反应与气固反应定量耦合实验,探究炭沉积的来源。结果表明:炭沉积量随原位改性制备过程中煤灰比例升高先减少后增加,添加质量分数为10%的准东煤灰制备的CaSO_(4)-10Ash复合载氧体能够最大程度降低炭沉积问题,减少了79.5%的炭沉积。固固反应中随煤灰负载比例升高,煤焦炭残留量减少,气固反应中煤灰负载比例大于5%时,复合载氧体性能开始呈下降趋势,积炭量开始增多;当煤灰负载比例大于10%时,随负载比例继续升高而增多的炭沉积的量主要来自于CO分解产生的积炭。

石油焦和煤化学链燃烧发电系统能耗、效率和温室气体排放研究

劣质石油焦由于其碳含量高和热值高常被用作燃料,但其在燃烧过程中会排放大量CO_(2)。将石油焦用于化学链燃烧发电是实现其清洁利用的有效途径,但该过程仍面临石油焦转化率低的问题。将石油焦与煤混合作为燃料可显著提高石油焦的燃烧反应活性。因此,建立了石油焦-煤以质量比1∶1为燃料和煤单独为燃料的化学链燃烧发电系统,对燃料反应器中分解燃料充分反应所需载氧体循环量和空气反应器中再生载氧体所需空气流量进行优化,并从系统效率、生命周期化石能源消耗和温室气体排放方面将其与石油焦单独化学链燃烧发电系统的性能进行分析比较。结果表明,石油焦-煤化学链燃烧发电系统和煤化学链燃烧发电系统中所需循环载氧体和燃料的质量比为26.43和24.19,再生载氧体所需空气与燃料的质量比为9.22和8.43。石油焦-煤化学链燃烧电厂的效率为36.77%,分别比石油焦和煤单独为燃料的电厂高8.96%和2.20%。石油焦-煤混合为燃料电厂的生命周期化石能源消耗和温室气体排放为9.52 GJ/MWh和302.76 kg CO_(2) eq/MWh,分别比石油焦和煤单独为燃料电厂低2.56和0.27 GJ/MWh、35.27和4.03 kg CO_(2) eq/MWh。将石油焦与煤混合作为燃料提高石油焦的燃烧转化率后可显著提高发电系统的能量效率,同时降低发电过程的生命周期化石能源消耗和温室气体排放。

化学链燃烧技术的研究进展

化学链燃烧是一种新型的燃烧方式,具有高效、内分离CO2、低NOx等特点。本文阐述了化学链燃烧的基本技术原理,并从氧载体的筛选与制备、化学链燃烧反应器的发展、化学链燃烧系统分析与数值模拟、化学链燃烧与其它技术的耦合、化学链燃烧技术的拓展等方面对当前化学链燃烧技术的发展现状和存在不足进行了总结分析,指出了化学链发展的5个重点方向:筛选制备性能优异的的氧载体、探讨反应历程和反应机理、设计优化反应器、开展系统分析和数值模拟、拓展应用范围。

化学链燃烧技术研究进展

化学链燃烧是低成本的碳捕集技术,以金属氧化物(载氧体)为介质,依靠载氧体实现“携氧-释氧”,根本改变了传统空气氧化模式。化学链燃烧技术快速发展近25a,从基础研究到MW_(th)级示范装置建立和自热运行,基础理论得到验证,逐步迈向工业示范进程。本文从化学链燃烧的基本原理出发,聚焦载氧体、反应器和运行优化控制3个方面,重点介绍了适合工业应用的载氧体以及载氧体规模化制备技术,分析了串行流化床反应器压力分布特点和世界范围内MW_(th)级反应器设计、建设和运行情况。针对化学链燃烧运行优化控制,阐述了影响CO_(2)纯度和碳捕集效率的因素及控制方法,今后的发展需解决活性载氧体颗粒化学链反应过程中的热传导机制、载氧体-燃料灰化学反应机制、固体燃料化学链反应过程精准反应动力学模型构建、反应器的进一步放大和工业示范等一系列的问题,为化学链燃烧技术的研究提供参考。

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。

基于CaSO_4载氧体的煤化学链燃烧分离CO_2研究

提出基于CaSO4载氧体的串行流化床煤化学链燃烧分离CO2技术,分析了燃料反应器内水煤气反应、CaSO4以及金属氧化物载氧体还原反应热力学特性参数,表明CaSO4是煤化学链燃烧反应理想的载氧体。应用Aspen Plus软件,建立了基于CaSO4煤化学链燃烧串行流化床内各种物质的质量平衡、化学平衡和能量平衡模型,进行模拟研究;结果表明,随着燃料反应器温度不断提高,燃料反应器气体产物中H2O体积浓度基本维持不变,CO2浓度略有降低,CO迅速上升,而H2缓慢增大;H2S随反应温度呈幂指数规律衰减,SO2显著递增,表明燃料反应器产物中SO2和H2S中的硫不全部是煤中硫,部分硫来自于CaSO4载氧体竞争反应的产物;载氧体循环倍率随燃料反应器温度升高呈幂指数级增加,随空气反应器温度呈幂指数级递减。

批量制备Fe_2O_3/Al_2O_3氧载体及褐煤化学链燃烧实验研究

采用冷冻成粒法、喷雾干燥法、浸渍法、机械混合法批量制备了Fe2O3/Al2O3氧载体,从氧载体产率、制备周期、物理化学表征、煤化学链燃烧中氧载体性能等角度比较各种批量制备方法,确定合适的批量制备技术。实验结果表明,冷冻成粒法的氧载体产率较高,机械性能最优;与褐煤的化学链燃烧实验中,喷雾干燥法和冷冻成粒法制备的氧载体导致碳转化速率较快,然后依次为浸渍法和机械混合法;且前两种方法制备的氧载体的循环稳定性高;不同方法制备的氧载体在第1—4次还原过程中,CO2捕集率均在88%以上,CO2气产率伴随着C转化率的增大而增大,最后接近100%,燃烧效率均在90%以上,表明使用以上4种方法制备的氧载体对CO2捕集效果都较好,对可燃成分的利用程度也都较高。当褐煤作为燃料时,可优先采用由冷冻成粒法和喷雾干燥法批量制得的氧载体。