化学链燃烧钙基载氧体研究进展

化石能源燃烧产生大量CO_(2),碳捕集、利用与封存技术是目前唯一能实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术。化学链燃烧是一种新的解耦燃烧技术,可在燃烧过程中实现原位碳捕集。载氧体是该过程高效稳定运行的关键。钙基载氧体因其特有的高载氧量、低成本、易获得且对环境友好等优势被认为具有应用潜力。总结了化学链燃烧技术及6类常见载氧体的原理及发展,重点介绍了钙基载氧体存在的瓶颈问题——热力学和动力学适宜温区、分压匹配难,总结了国内外通过控制反应条件、添加剂等手段调控反应过程,强化其反应性和再生性的相关研究,并解析了惰性载体、金属氧化物等添加剂对钙基载氧体性能的强化效应和影响机制。研究表明,惰性载体可有效改善载氧体分散特性,从而提升反应活性,有助于提高机械强度。与惰性载体相比,添加金属氧化物可能更有效。传统的功能强化方法可一定程度改善载氧体性能,但难以从根本上突破其再生性差的瓶颈。未来研究可聚焦2方面:基于人工智能在材料科学中的应用,定向筛选与优化廉价钙基天然矿石/工业固废等材料作为载氧体;重构载氧体的形貌构造和晶体结构,调控氧原子、硫原子的迁移转化行为,降低氧传递对硫原子的携带效应,实现再生性能强化。

廉价钙基载氧体煤化学链燃烧试验研究

化学链燃烧技术逐渐发展成为一项非常有前景的实现CO2高效低能耗分离捕集技术.在小型固定床上研究了廉价钙基载氧体的还原/氧化反应特性以及持续循环能力,讨论了温度、压力、煤/载氧体质量比对钙基载氧体反应特性的影响.试验结果表明,温度和压力的升高能显著增强煤气化产物与CaSO4之间的反应,导致CO2收率和碳转化率相应增加.在煤/载氧体高质量比情况下,由于实际反应过程中存在平行反应、载氧体颗粒内部传质阻力等因素,造成载氧体的失活和载氧能力下降.故为得到高的CO2收率和碳转化率,煤/载氧体质量比应控制在0.14以下.

钙基载氧体煤化学链燃烧脱硫试验研究

在钙基载氧体燃煤化学链燃烧技术过程中由于煤气化产物与载氧体之间的副反应导致反应过程中产生大量的SO_2气体。本文选择MAC铁矿石,CaO和石灰石作为脱硫剂,在小型加压固定床上研究不同温度、压力、Ca/S比条件下SO_2气体的脱除问题。结果表明,单独采用CaSO_4载氧体时,随温度升高SO_2气体浓度逐渐增加。添加铁矿石后,SO_2排放浓度降低,主要与Fe_2O_3能够催化抑制CaSO_4分解有关。添加CaO和石灰石脱硫剂后,随温度、压力以及Ca/S比增加,两种脱硫剂的脱硫效率均增加,且在相同的实验条件下得到的CaO的脱硫效果更佳。

钙基复合载氧体反应性能的研究

采用沉淀法制备了3种钙基复合载氧体,并在固定床试验台架上对复合载氧体与CO的反应性能进行了研究.对反应前后的载氧体进行了X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FSEM)表征分析.结果表明:3种添加物均能促进CaSO4与CO的还原反应,提高载氧体的反应速率和转化率;3种添加物对COS的释放具有抑制作用,La添加物对SO2的释放有一定的抑制作用,而Ti、Ni添加物促进了SO2的释放;添加Ni的载氧体具有较高的反应活性,表现出良好的循环特性;载氧体在1次循环反应后,固相中出现了少量的CaO;在6次循环反应后,CaO的峰值比第1次循环后的峰值高,载氧体表面由平整光滑变得疏松多孔,且分布均匀.

CaSO4-CuO-Ben载氧体煤化学链燃烧反应特性

以工业CaSO_4、Cu(NO_3)_2及膨润土(Ben)为原料,机械混合法制备CaSO_4-CuO-Ben载氧体;在高温流化床上以水蒸气为气化介质,考察CuO和温度对其煤化学链燃烧反应特性的影响及载氧体的循环反应性能。结果表明:CuO的添加有效增强载氧体的反应活性,提高煤的燃烧效率;850℃、m(CaSO_4)∶m(CuO)为10∶1.5(CaCu1.5)时复合载氧体的反应活性更高,碳转化率达到91.27%,CO_2体积分数达到89.34%;10次还原-氧化实验表明,CaCu1.5载氧体能够保持良好的循环反应活性。

Fe_(2)O_(3)修饰CaSO_(4)/Ben载氧体化学链燃烧反应特性

分别采用间歇式流化床反应器和热重分析仪进行多次循环实验及反应性能测试,研究了Fe_(2)O_(3)在化学链燃烧过程中对CaSO_(4)/Ben(膨润土)载氧体的催化作用,并对比Fe_(2)O_(3)不同添加量(质量分数)时CaSO_(4)/Ben载氧体与CO的反应活化能。结果表明,添加Fe_(2)O_(3)后CaSO_(4)/Ben载氧体的比表面积和孔容增加,还原反应速率提高,并使系统内维持较高浓度的CO_(2);添加Fe_(2)O_(3)可抑制CaSO_(4)生成CaO和含硫气体的反应,提高CaSO_(4)/Ben载氧体循环反应的稳定性;Fe_(2)O_(3)的最佳添加量为w=15.0%,该添加量下CaSO_(4)/Ben载氧体与CO反应的活化能由88.72 kJ/mol降低至43.08 kJ/mol,反应活性显著提高。

Ca-Fe/bentonite载氧体煤化学链燃烧反应特性

以天然石膏粉、膨润土(bentonite)和Fe(NO3)3·9H2O为原料,通过机械混合造粒法制备了钙基复合载氧体。在小型流化床反应器中,水蒸气作为气化-流化介质,研究了温度、活性组分含量及循环次数对复合载氧体反应活性的影响,同时考察了不同煤种化学链燃烧反应特性。实验结果表明,CaSO4含量为60%,Fe2O3为活性助剂的CaSO4-Fe2O3/ben(Ca-Fe/ben)载氧体平均磨损速率为0.089%/h。反应温度为900℃时,碳转化率达到95%所需的时间为20.8min,CO2平均干基浓度为95.99%,表现高的反应活性。10次氧化/还原反应后,CO2平均干基浓度保持在80%,载氧体保持良好的循环反应活性。同时,实验发现高挥发分高灰分的煤种更适于煤的化学链燃烧,且CO2浓度均保持在90%以上。粒径分布曲线表明循环反应中载氧体表现强的抗磨损能力。

煤化学链燃烧中CaSO_4/膨润土复合载氧体的反应特性

以工业级硫酸钙和膨润土为原料，通过机械混合法，制备了具有高强度的钙基载氧体。同时，在小型高温流化床上，以水蒸气为气化剂，考察了不同温度下载氧体与煤的反应活性和循环反应性。实验结果表明， CaSO4/膨润土载氧体具有高的机械强度。在820～900℃，载氧体与煤反应性随温度升高而增强。反应温度为900℃时，气体产物中CO2平均浓度为89.52%，基本不存在CO和CH4。随着还原/氧化循环数增加，载氧体表现良好的反应性，7次循环反应后，碳转化率在70%以上，CO2的平均体积含量保持在80%左右。X射线衍射分析表明，载氧体的还原产物为CaS，未生成CaO副产物。

化学链燃烧技术中非金属载氧体的研究进展

简述化学链燃烧技术是一种能实现CO_2内分离、提高燃烧效率的燃烧技术及钙基载氧体具有更高的氧传递能力、价格低廉、环境友好的特性,介绍非金属载氧体CaSO_4不同实验测试与表征手段的研究现状,分析认为串行流化床非常适合于非金属载氧体CaSO_4化学链燃烧技术的应用,并提出未来的研究方向。

化学链燃烧分离CO_2技术的研究进展

简要介绍了化学链燃烧分离CO2技术的原理和关键部分,接着以技术要点中的载氧体为重点,介绍了固体燃料(煤)化学链燃烧分离CO2技术中载氧体的研究进展,并就钙基载氧体能否适应化学链燃烧展开了讨论。

煤化学链燃烧还原阶段的污染物抑制

基于CaSO_4载氧体的煤化学链燃烧,在CaSO_4与煤的反应阶段存在污染物释放问题。针对反应器气氛为还原性,在不同温度下研究了CaO和CaSO_4的不同加入量对污染物的影响。结果表明,950℃时,加入CaO有利于抑制SO_2和CO,但其释放量仍较多;增加CaSO_4可以抑制CO,但会导致SO_2排放增加。由于添加CaO对煤气化具有催化作用,900℃是一个既有利于抑制气态污染物的排放,也能保证煤气化-CaSO_4还原反应速率的温度;CaO加入量为CaSO_4摩尔量1.9倍时,可以抑制90%的SO_2排放,具有较理想的脱硫效果。