CH_4化学链燃烧串行流化床连续实验研究

在新设计的串行流化床反应器系统中,采用天然赤铁矿作为氧载体进行了连续CH_4化学链燃烧实验.研究了在不同反应温度(900,℃、950,℃、1,000,℃)、不同热功率(1.00,k Wth、1.25,k Wth、1.50,k Wth)时燃料反应器对CH_4转化率及CO_2气产率的影响.对新鲜和反应后的赤铁矿氧载体的比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射仪(XRD)的表征测试表明:表面轻微的烧结和磨损导致使用过的氧载体比表面积有所下降;氧载体仍保持多孔结构,有利于其与燃料气体之间的充分接触和反应;氧载体颗粒之间没有团聚现象.对新鲜样品和连续运行100,h后的样品在TGA上进行载氧能力测试,结果表明,连续运行100,h后的氧载体载氧能力保持良好.CH_4化学链燃烧串行流化床连续运行实验验证了反应器设计和运行的可行性,同时也证明该种赤铁矿是实现化学链燃烧比较理想的氧载体.

煤化学链燃烧双循环流化床连续实验研究

在串行流化床化学链燃烧系统上以天然铁矿石作为氧载体,神华烟煤为燃料进行了化学链燃烧实验研究。在不同的进煤速率和温度下共进行累计100h的持续实验,天然铁矿石氧载体表现出良好的持续循环能力和反应性能,其中燃烧效率最高达96.33%,碳捕集效率最高达89.36%。探讨了温度和热功率对燃烧效率,碳捕集效率和CO2产率以及燃料反应器尾气出口组分浓度的影响。对反应前后的赤铁矿氧载体进行了比表面积(BET)、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射仪(XRD)表征测试,结果表明氧载体没有出现严重的烧结和团聚。在TGA上对反应前后的氧载体颗粒进行了氧化还原性能测试,反应前后氧载体反应活性没有明显变化。

煤基化学链燃烧串行流化床的冷态试验研究

采用"湍动床+快速床"作为煤基化学链燃烧(CLC)系统的空气反应器(AR),鼓泡床作为燃料反应器(FR),设计了流动密封阀和旋风分离器,分别用于隔绝2个反应器之间的气氛和进行气固分离,在冷态试验装置上分析研究了CLC系统的压力分布、固体循环流量、气体泄漏率及煤灰与循环载体的分离效果.结果表明:该串行流化床反应器之间气氛隔绝性良好,气体泄漏率较低,固体循环流量达到甚至超过设计标准,FR二级旋风分离器的分离效率接近100%,FR中煤灰进入AR的质量分数小于1.55%,煤灰分离效果良好;装置可以长时间连续稳定运行,且操作气速范围较广,自行设计建造的循环流化床作为煤基化学链燃烧试验装置是可行的.

双循环流化床化学链燃烧反应器冷态实验研究

针对化学链燃烧反应器,特别设计了双循环流化床反应器。提出“鼓泡流化床/湍动流化床+提升管”的设计,通过提升管提供颗粒循环的动力,调整2个流化床反应器(空气反应器和燃料反应器)的流化气速以分别控制反应器的固体循环流量;提出双向流动密封阀的设计,形成对固体循环流量和床料量分布的柔性控制。建立了全尺寸双循环流化床冷态实验装置,并进行了连续稳定的冷态运行,实验研究了不同运行操作条件对反应器性能的影响。实验结果表明,流动密封阀内压力差范围在955~1834 Pa,固体循环流量范围在0.27~0.38 kg/s,双循环流化床之间的气体泄漏率为0.10%~0.22%。冷态实验提供了流体动力学参量,并验证了设计的可行性。

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。

过渡金属修饰Fe_2O_3/Al_2O_3氧载体的Redox性能研究

采用冷冻干燥法分别制备了经Cu、Co、Mn、Ni修饰的Fe2O3/Al2O3氧载体。利用化学吸附仪,通过程序升温还原(H2-TPR)和程序升温氧化(TPO)来研究经不同过渡金属修饰的Fe2O3/Al2O3与H2和O2的反应性能。实验发现,在Fe2O3/Al2O3中加入Cu、Co、Ni以后,氧载体与H2的反应性都有提高,但是当在Fe2O3/Al2O3中加入Mn以后,氧载体的反应性和载氧能力反而下降。经Cu修饰的Fe2O3/Al2O3与H2的反应性最高,且具有很好的反应稳定性,适合用于化学链燃烧。

合成铜基氧载体和铜矿石的煤化学链氧解耦燃烧的比较

为研究合成铜基氧载体与铜矿石氧载体在煤的化学链氧解耦燃烧过程中性能的差别,在热重分析仪（TGA）上比较研究了溶胶-凝胶法制备的CuO/CuAl2O4氧载体与天然铜矿石氧载体的释氧性能,在流化床反应器上研究了这2种氧载体与高平无烟煤的化学链氧解耦燃烧反应性能。TGA实验结果表明,CuO/CuAl2O4氧载体的释氧速率和载氧率均高于铜矿石氧载体,2种氧载体的循环释氧性能基本保持稳定。在与煤反应的流化床实验中,CuO/CuAl2O4氧载体相较于铜矿石具有更高的碳转化速率和氧载体转化速率;在不同温度（850950℃）下,CuO/CuAl2O4和铜矿石的CO2产率均保持在较高的水平（大于0.93）;循环实验表明2种氧载体均具有良好的循环反应性和稳定性。

化学链燃烧串行流化床系统的热态CFD模拟

基于商业软件Fluent对自行搭建的5,k Wth级化学链燃烧串行流化床进行全床计算流体力学(CFD)模拟.以天然赤铁矿为氧载体,以CH4为燃料,对床内气固两相反应流动的细节信息进行了分析,气相组分出口浓度模拟结果与实验结果基本吻合.基于以上的模拟分析,通过改变模拟工况进行计算,初步指导了实验的进行.以上过程体现了CFD模拟可为CLC系统的设计和运行提供重要的参考依据.

CFB锅炉回料阀低频喘振的计算颗粒流体力学模拟

本文采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法对300 MW机组循环流化床(CFB)锅炉进行数值模拟,主要目的是分析CFB锅炉回料阀低频喘振的根源,并通过优化回料阀的操作参数减小其低频振动的可能性。首先针对CFB锅炉在运行时回料阀发生低频喘振的现象,对CFB锅炉整体进行了全床尺度的数值模拟,对锅炉内部的气固流动进行了分析,研究锅炉内部系统压力平衡、物料平衡和固相体积分数分布,模拟结果显示回料阀喘振的根本原因是,回料阀内部的流化风速过高,导致其中发生固相输运不畅甚至反吹现象,引起回料阀进口压力波动,产生喘振。其次针对回料阀组件进行模拟,线性调整回料阀的操作风速(返料风和松动风),分析不同工况下回料阀的内部气固流体动力学规律和固体循环流量,提供回料阀在变工况下的基础数据和操作特性,确定合适的回料阀操作风速区间。最后,按照优化的回料阀操作参数对整体CFB锅炉进行了模拟,模拟结果表明CFB锅炉运行平稳,回料阀的压力波动明显减小,低频振动得到很好的控制。

300 MW循环流化床锅炉气固流动特性的CPFD模拟

采用计算颗粒流体力学(CPFD)的方法对300 MW循环流化床锅炉内的气固两相流体动力学参数进行全床数值模拟研究,重点分析了循环流化床锅炉炉膛以及回料阀的气固流动特性,获得固相颗粒浓度和速度场在炉膛内的分布以及固体循环流量、系统压力平衡、回料阀的运行情况等锅炉关键参数。结果表明:颗粒浓度的轴向分布呈现明显的密相区和稀相区两部分,模拟得到的轴向压力分布与实际工况吻合较好,验证了CPFD方法模拟循环流化床锅炉的准确性;锅炉回料阀内压降最大,这与床料分布相符;回料阀返料室流化程度较高,而输运室流化程度较小,呈现鼓泡床状态,气泡大都贴壁逃逸。

喷动床批量制备铁基氧载体及化学链实验研究

批量制备性能优良的氧载体是化学链燃烧技术的关键之一。本文提出采用喷动床造粒技术来批量制备铁基氧载体,利用自行设计的喷动流化床进行造粒实验,并在小型流化床台架上检验批量制备的不同种类铁基氧载体(Fe_2O_3/Al_2O_3,Fe_2O_3/SiO_2)与煤的化学链燃烧性能.研究结果表明,喷动床批量制备铁基氧载体具有可行性,反应性较佳,制备周期较短,产量较高,颗粒粒径容易控制,球形度较好,造粒成本较低,可以为大型化学链燃烧实验提供成本低廉且性能优异的大批氧载体。

挤出滚圆法批量制备铁铜矿石复合氧载体

本文采用挤出滚圆法批量制备以铜矿石和铁矿石的废弃细微粉末为原料的复合氧载体,以蒙脱石、浮石等作为粘结剂,实现氧载体颗粒内粉末的物理均匀混合、颗粒一次成型以及活性组分间的协同效应。首先优化挤出滚圆法工艺,主要考察制备颗粒的机械强度,发现FeCu-10M(蒙脱石质量分数为10%)和FeCu-5P(浮石质量分数为5%)表现出较高的破碎强度。随后在批次流化床中采用神华烟煤为燃料对其进行反应性测试,发现FeCu-10M的煤化学链燃烧性能优异,多次循环中仍保持良好的稳定性。XRD和SEM表征显示颗粒内没有发生明显副反应且无明显烧结、团聚现象.本研究表明挤出滚圆法适合大批量制备氧载体颗粒,所制备的铜铁矿石复合氧载体在反应性、循环稳定性和经济性等方面均具备良好的应用前景。

煤基化学链燃烧过程中硫的演变

在双阶段流化床反应器内,基于溶胶凝胶法制备的Fe2O3/Al2O3氧载体研究了褐煤化学链燃烧过程中燃料硫的迁移路径及分布特性,并讨论了温度、过氧系数对燃料硫释放分布的影响.结果表明:所有工况下,氧载体均未出现被硫化的现象;在热解气化学链燃烧阶段,气相含硫物质以SO2和H2S为主,煤焦气化气化学链燃烧阶段绝大部分为SO2气体,部分来源于煤焦中CaSO4的分解。另外,部分燃料硫被碱金属固定于煤灰中。同时,提高温度和过氧系数都能导致SO2/H2S值和SO2释放量增大。

50 kWth双循环流化床煤化学链燃烧系统热态CPFD模拟

本文对华中科技大学自主设计的50 kWth化学链燃烧双循环流化床进行全床尺度的计算颗粒流体力学（CPFD）模拟。CPFD提供了反应器内气固流动和化学反应的详细信息,不仅是对实验难以测量的细节信息的补充,而且可用于优化实验操作条件和指导反应器设计优化和放大。该实验装置以天然赤铁矿为氧载体,以煤为燃料。首先对床内气固两相反应流动进行分析,比较实验和模拟得到的气相组分出口浓度,验证了CPFD模拟的可靠性。之后重点分析反应器间的固体循环流量、系统压力分布、固相浓度分布、煤转化过程关键信息。最后基于模拟分析,提出了优化操作工况,模拟结果显示可提高CO2气产率和燃烧效率。本文结果表明CPFD模拟可为化学链燃烧反应器的设计和运行提供重要的参考依据。

化学链中失活铁矿石载氧体的改性提质研究

本文以甲烷和煤粉化学链燃烧连续运行后的天然铁矿石载氧体为主体,采用Cu浸渍法对载氧体进行改性提质,在批次流化床上的化学链燃烧反应特性的研究。制备Cu质量分数ω为3%,6%和10%的三种载氧体,分别测试其载氧性能,并探究了温度、过氧系数、循环次数对于修饰后载体性能的影响。结果表明浸渍6%Cu的铁矿石载体性能最为优异;最优化的操作条件为:反应温度950℃、过氧系数3;在5次循环中,性能稳定,未出现随循环次数的增加性能衰减。反应后的载氧体保持了丰富的孔隙结构,未出现烧结现象。实验结果表明,采用浸渍法对失活天然铁矿石进行Cu改性提质是一种可行有效的办法。