煤/生物质流态化富氧燃烧的CO2富集特性

流化床富氧燃烧是具有重要应用前景的燃烧中碳捕集技术。为更深入认识固体燃料的流态化富氧燃烧行为,构建了微型流态化反应-质谱联用实验系统,反应器直径10 mm,燃烧温度700～900℃,探索了基于在线质谱分析的流态化燃烧过程特性表征方法,以烟煤和花梨木为对象,研究了煤、生物质及其混合物在富氧气氛和流态化条件下的燃烧行为,重点考察了氧浓度、燃烧温度、煤与生物质质量比对CO₂谱峰曲线形态、反应总时间、起始反应时刻、烟气中富集CO₂体积分数、颗粒燃烧产生CO₂量、CO₂相对生成率等特性的影响。结果表明,在O₂/CO₂燃烧气氛下,随着氧体积分数增加,燃烧总反应时间缩短,颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加,但烟气中富集的CO₂体积分数减小;提高燃烧温度,缩短了燃烧过程所需的时间,可以促进CO₂的富集,烟气中CO₂浓度、颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加;生物质比例增大,起始反应时间提前,燃烧反应所需总时间减少,烟气中富集的CO₂浓度和颗粒燃烧产生的CO₂均减少,但CO₂生成速率增加。     

基于热重-质谱联用的煤粉富氧燃烧动力学及污染物生成特性

富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一,为更深入掌握煤粉富氧燃烧的着火模式和污染物生成特性,本文构建了热重-质谱联用实验系统,以烟煤和无烟煤标准煤样为对象,针对3个不同的氧气体积分数：21%、30%和50%,研究了O₂/Ar和O₂/CO₂气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O₂/CO₂气氛下煤粉着火温度和燃尽温度均降低,燃烧速率提高,燃烧时间缩短;两种煤粉在O₂/Ar气氛下的燃烧都属于非均相着火,而富氧燃烧都属于均相着火模式;氧气体积分数在30%以上时,无烟煤O₂/CO₂燃烧的表观活化能明显低于O₂/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O₂/CO₂气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O₂/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

富氧燃烧烟气压缩净化及高浓度CO2制备工艺研究

富氧燃烧技术是目前最有可能大规模推广和商业应用的碳捕集与封存技术之一,其中,烟气压缩净化及CO₂提纯对于整个富氧燃烧系统至关重要。然而,目前研究多聚焦于富氧燃烧后烟气压缩净化的工艺验证,而对烟气压缩纯化各单元运行特性的研究仍不深入,特别是烟气压缩净化过程杂质污染组分的迁移转化、系统运行参数与污染物脱除效率的关联仍不明确。且现有研究对净化后烟气的深度提纯及高浓度CO₂制备的关注也相对较少,直接关系到富氧燃烧系统运行经济性。因此,针对富氧燃烧烟气净化及CO₂提纯需求,系统探究了富氧燃烧烟气压缩纯化过程SO₂、NO_x吸收脱除以及CO₂深度提纯等各子系统的运行特性,其中SO₂与NO_x脱除采用压缩-酸液吸收,CO₂深度提纯采用低温精馏。结果表明:通过烟气净化可实现SO₂脱除效率达100%,NO脱除效率达99%,同时实现纯度为99.99%的食品级液态CO₂制备。烟气净化过程中,气相反应占据主导,提高压力可缩短反应时间;当SO₂吸收塔运行压力超过0.8 MPa时,SO₂脱除效率可达100%;当NO吸收塔运行压力超过3.0 MPa时,NO排放浓度可达超低排放标准。CO₂提纯过程中,提高压力会降低液体CO₂纯度。SO₂吸收塔运行压力为1.6 MPa、NO吸收塔运行压力为3.0 MPa、CO₂提纯塔运行压力为3.8 MPa时,系统整体功耗最低,为0.37 MJ/kg。     

基于Langmuir-Hinshelwood动力学解析O2/CO2/H2O气氛下烟煤焦反应机理

流化床富氧燃烧湿烟气循环兼具经济与环保优势。湿烟气循环（O₂/CO₂/H₂O）条件下煤焦与O₂、CO₂及H₂O的反应同时发生。为探究O₂/CO₂/H₂O气氛下煤焦-O₂、煤焦-CO₂、煤焦-H₂O反应间的相互作用机制,在自制高精度热重实验装置上系统考察了O₂、CO₂、H₂O及其混合气氛下,典型烟煤焦在900℃的反应特性。基于吸附和脱附原理的Langmuir-Hinshelwood（L-H）机理性模型分别计算了烟煤焦与O₂、CO₂和H₂O反应的动力学参数。通过采用单独活性位点与竞争活性位点两种假设分析了O₂/CO₂、O₂/H₂O和CO₂/H₂O气氛下烟煤焦-O₂、烟煤焦-CO₂和烟煤焦-H₂O两两反应间的作用机制,揭示了H₂O分子优先吸附于烟煤焦表面活性位点,O₂分子次之,而CO₂分子相对滞后。O₂/CO₂/H₂O气氛下烟煤焦-O₂、烟煤焦-CO₂、烟煤焦-H₂O反应表现出部分竞争反应活性位点,传统的单独活性位点与竞争活性位点假设均无法准确描述其反应速率特性。基于H₂O分子优先,O₂分子次优先吸附的原理,建立了O₂、CO₂、H₂O混合气氛下煤焦反应速率L-H动力学方程,方程计算结果与实验值良好吻合。研究结果为深入分析煤焦颗粒流化床富氧燃烧特性及构建可靠、准确的燃烧反应模型提供了理论支撑。     

水泥行业CO2排放特征及治理技术研究

本文系统梳理分析了水泥不同种类和各工序的CO₂排放特征，其中，工艺、燃料直接CO₂排放占比达90%，与物料中碳酸盐的含量正相关，与燃料发热量和利用率负相关，电力间接CO₂排放占比约10%，特种水泥由于减少了碳酸盐分解造成的碳排放，总体碳排放量较低。新型干法水泥生产过程可分为生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个阶段，工艺和燃料CO₂排放主要发生在熟料煅烧阶段，其尾气中CO₂浓度一般在11%～29%。研究分析了碳替代/碳捕集等控碳技术、CO₂资源化利用技术。水泥厂碳替代主要是原料替代、熟料或水泥替代、燃料替代等，可分别实现减碳10%、25%～50%和30%以上；碳捕集主要有富氧燃烧和烟气CO₂捕集，水泥窑富氧燃烧技术有全氧燃烧和分解炉全氧燃烧技术两种。捕集技术主要采用化学吸收法、固体吸附法；在CO₂综合利用方面，针对水泥厂的特殊应用场景，矿化具有较好的应用效果，如采用混凝土养护技术，制备高附加值的微纳米碳酸钙等。     

富氧燃烧烟气压缩净化的研究进展

富氧燃烧技术具有大幅度降低单位燃料的NO_x和SO_x排放的优点,但酸性物质及汞等污染物的存在对CO₂的后续资源化利用和埋存造成极大影响。本文从富氧燃烧烟气净化技术角度出发,简述了CO₂压缩过程中NO_x和SO₂单独脱除、联合脱除的研究情况,以探寻协同脱除过程中NO_x、SO₂相互影响的规律以及具体N-S反应的路径;分析了压缩过程协同脱汞的研究进展,探讨压缩过程汞脱除的具体机制,观察NO_x、SO₂、H₂O的含量对汞脱除的影响;最后介绍了富氧燃烧烟气压缩净化技术的中试应用情况。分析表明,现有研究大多注重于孤立地分析各种工况参数对NO_x、SO₂、HgO吸收脱除的影响,因此难以从反应机理上揭示多种污染物脱除之间的内在联系与相互作用机制,只有实现NO_x、SO_x及HgO等多种污染物的联合脱除,才能实现富CO₂烟气的有效净化,从而大大减少富氧燃烧技术的设备投资和运行成本,有效促进该技术的大规模商业化应用。     

富氧燃烧烟气净化工艺研究进展

随着工业的快速发展,化石燃料消耗与日俱增,造成了大量温室气体CO₂的排放,全球气候变化形势不容乐观。为了减少CO₂排放,需要对高浓度CO₂进行捕获、利用与封存,而富氧燃烧技术能有效实现碳捕集,是目前最具潜力的碳减排技术之一。富氧燃烧过程中,SO_x、NO_x、Hg等污染物以及惰性气体的存在不利于碳的捕集与封存。烟气中各成分浓度会对管道运输、地质储存和提高采收率(EOR)产生影响,介绍了烟气中CO₂及各种杂质浓度的不同标准,系统综述了国内外脱硫、脱硝、脱汞和惰性气体脱除以及联合脱除技术的研究进展。脱硫部分除介绍传统脱硫技术外,重点描述了富氧燃烧烟气中CO₂气氛对SO_x脱除的影响以及加压条件下SO₂的转化与去除。发现CO₂气氛下SO₂的吸收速率相比N2气氛有所降低,且SO₂吸收过程中临界pH发生变化。脱硝部分重点描述了氧化吸收法脱硝技术以及加压条件下NO的氧化机理,并对高压下NO的氧化动力学进行阐述。随着压力的增加,NO氧化速率常数呈先下降后上升的趋势,且证明了反应器压力对液体夹带率的影响比较显著。总结了Hg脱除技术中不同烟气成分对Hg氧化的影响,HCl与Cl2起到了明显的促进作用。对活性炭进行改性,增加孔结构比表面积以及吸附剂表面的活性位点,提高Hg的脱除效率。介绍了惰性气体的净化技术,主要采用变压吸附方法来吸附和解吸附,降低了CO₂气流中惰性气体去除的成本,实现一部分惰性气体再次循环回到锅炉中,提高CO₂的捕获。重点讨论了在烟气压缩液化系统中的联合脱除技术,有效利用压缩过程条件将SO_x、NO_x、Hg分别以硫酸、硝酸、Hg(NO₃)₂形式协同去除,随着压力的增加,SO_x与NO_x去除效率提高,有利于SO₄^-2、NO₃^-、HADS和HAMS(N-S化合物)的生成,同时也导致了N2O生成量增多。证明了Hg与NO₂是气相反应,提出了高压下NO₂与Hg反应产物的不确定性。简单介绍了低温碳捕集技术,有潜力取代洗涤器和其他烟气处理方法,但目前还缺乏可行性的研究。未来需对不同压力下NO氧化速率常数的变化趋势进行解释,高压下NO_x与SO_x联合脱除的产物以及NO₂与Hg的反应产物进行分析。     

烟气胺法CO2捕集技术进展与未来发展趋势

全球气候变化是目前世界面临的严峻问题之一,CO₂等温室气体的过量排放是导致全球气候变暖的主要原因。碳捕集、利用和封存(CCUS)是现阶段解决全球气候变暖的必要手段,基于有机胺的化学吸收法因捕集效率高、烟气适应性好,成为目前燃煤燃气电厂捕集CO₂的关键技术路径。本文详细介绍了胺法CO₂捕集技术的基本原理及胺法CO₂捕集技术工艺流程,分析了新型吸收剂的开发、节能技术的优化等降低胺法CO₂捕集技术再生能耗和成本的关键手段。结合研究现状以及烟气胺法CO₂捕集需求,对其未来的发展趋势进行展望。     

O2/CO2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性的影响

近年在新疆准东地区探明了储量巨大的准东煤,而O₂/CO₂燃烧技术被认为是最有前景的碳捕集技术之一,因此研究准东煤的O₂/CO₂燃烧技术对中国煤炭的大规模高效清洁安全利用具有重要意义。然而目前鲜有O₂/CO₂气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性影响的相关研究。因此针对准东煤,利用灰熔点测定仪、SEM-EDS分析开展相关研究。实验结果表明：空气气氛、CO₂气氛及O₂/CO₂气氛的转变对准东煤灰熔融温度的影响可以忽略不计,但会在一定程度上改变煤灰的微观理化特性。O₂/CO₂气氛主要影响到煤灰表面Ba、Na和Ca元素的分布,而O₂浓度是影响准东煤灰表面微观形貌的主要因素。     

基于整体煤气化联合循环的燃烧前CO2捕集工艺及系统分析

CO₂减排作为应对全球变暖的重要手段而逐渐成为国内外研究热点。为研究燃烧前CO₂捕集系统关键技术,以华能（天津）265MW级整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）示范电站为依托,从气化装置抽出合成气约10000m³/h（标况下）,进行一氧化碳耐硫变换、甲基二乙醇胺（MDEA）硫碳共脱、PDS硫回收等技术研究,同时完成我国首套工业规模级燃烧前捕集工艺模拟、系统分析及现场测试。研究结果表明：满负荷运行工况下,每年可捕集CO₂ 7.811万吨,系统单位能耗2.35GJ/t（CO₂）,CO₂捕集率≥ 85%;模拟结果与实际运行数据相吻合。其中MDEA工段能耗占捕集能耗的93.3%,热再生部分则占MDEA工段能耗的81.61%;同时分析了捕集系统各工段CO₂损失过程,增加四段变换可使系统能耗基本不变同时捕集率增加至92.29%;考察了CO₂压缩液化工段能耗及成本。本研究结果可为燃烧前CO₂捕集的设计、工业放大及过程优化提供理论支持。     

富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

富氧燃烧过程中,由于使用再循环烟气代替空气中N₂作为稀释剂,烟气中存在大量CO₂和H₂O。CO₂和H₂O作为非极性三原子分子,具有N₂没有的辐射能力,导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中,气体辐射模型是一个重要的子模型。前人提出多种修改后适用于富氧燃烧的气体辐射模型,但不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下,气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响,通过编程,将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的6种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明,在气体富氧燃烧中,气体辐射模型影响了火焰结构。同时,燃烧温度分布有所变化,不同模型结果之间差别最高可到500 K。气体与壁面之间的辐射换热受到影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大,而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中,当有效辐射层厚度在0.3 m左右时,如在100 kW下行炉中,气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是由于颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16 m左右时,如1000 MW塔式炉中,气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大,温度差别可到100 K左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。     

生物质三组分在O2/CO2气氛下的着火行为研究

生物质的富氧燃烧技术结合了生物质燃烧与富氧燃烧的优点,既能减少化石燃料的使用,又易实现CO₂捕集。富氧燃烧的最显著特点是气氛中的氧气体积分数大于21%,其对生物质着火行为的影响至关重要。纤维素、半纤维素和木质素是生物质的3种主要组分,研究其在富氧条件下的着火及燃烧行为,可为生物质的着火及燃烧行为研究提供重要依据。利用滴管炉结合高速摄像机,研究了粒径74~154μm的纤维素、半纤维素和木质素在温度1273 K,氧气体积分数21%、30%、50%、70%和100%的O₂/CO₂气氛中的着火行为,并利用辐射能测温技术计算着火图片中的颗粒温度。结果表明,随着O₂体积分数增加,纤维素、半纤维素由联合着火以及木质素由均相着火均转为非均相着火,纤维素、半纤维素、木质素着火机理发生转化的O₂体积分数分别为30%、70%和50%。纤维素着火对O₂体积分数变化敏感,氧气体积分数超过30%时,纤维素焦率先发生着火。半纤维素和木质素的升温速率随氧气体积分数的升高而提高,半纤维素是由于挥发分在燃烧过程中随着氧气体积分数的增加,其燃烧比例减弱,焦燃烧比例增加,而木质素因为氧气体积分数的升高强化了木质素焦燃烧。半纤维素和木质素燃烧时间均随氧气体积分数的升高而缩短,两者都是由于氧气体积分数升高强化了焦的燃烧。另外,在较高氧气体积分数下木质素焦会发生熔融并膨胀,形成明显的膨胀火焰。     

碳酸酐酶固定及在二氧化碳捕集应用研究进展

化石燃料的使用是全球气候变暖的主要原因,二氧化碳捕集、利用及封存(CCUS)技术能够有效减少碳排放,缓解气候变化压力。化学吸收法是CO₂捕集的重要方法之一,具有分离效率高、成本低等优点,但存在解吸过程中消耗能量较多、长期使用造成设备腐蚀性等问题。利用碳酸酐酶(CA)强化化学方法吸收CO₂,可以提高CO₂吸收效率,有效解决传统工艺中的热能损失,逐渐成为CO₂捕集与封存研究中的热点。但CA自身热稳定性低、可重复性差,需对其进行固定化以提高稳定性和活性。重点介绍了CA的固定化方法及常用载体材料,总结了CA在强化CO₂捕集中的作用机理,讨论了其在CO₂捕集中的应用,并对该技术的未来发展方向作出了展望。固定化载体与方法会影响固定化酶的性质,故CA在固定化时要选择合适的载体与方法。CA固定化方法包括吸附法、包埋法、共价结合法和交联法4种,各有优劣,应根据酶所应用的领域来选择合适的固定化方法。常用固定化载体有天然高分子、无机载体材料等,选择时应综合考虑载体的理化性质和工业应用能力。CO₂捕集过程中,CA主要通过促进化学溶剂吸收CO₂和诱导CO₂矿化生成碳酸钙两方面强化捕集效率。未来研究方向应集中于开发具有更高活性和稳定性的新型CA、制备廉价高性能载体材料和进一步探究CA的内在因素和外界条件对其工业应用产生的阻碍。     

二氧化碳在双极膜电渗析系统中溶解吸收过程的研究

在二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）技术中,海水固碳技术绿色环保、安全可靠,具有很好的发展前景。其中,双极膜电渗析法海水固碳技术的关键之处在于二氧化碳在系统中的溶解吸收。考察了结晶器中添加晶种、通气体系成分、模拟烟道气流量、双极膜电渗析装置的电流密度对海水固碳过程中二氧化碳溶解吸收效果的影响,结果表明：系统外加晶种、模拟烟道气作为通气体系时更有利于二氧化碳在双极膜电渗析系统中的溶解吸收,促进碳酸钙生成。在上述基础上,随着模拟烟道气流量的增加,二氧化碳的比吸收速率降低,二氧化碳在溶液中大部分转化成碳酸氢根,碳酸根和碳酸钙的生成速率则会降低;随着电渗析装置电流密度的提高,碳酸氢根、碳酸根和碳酸钙的生成速率均会随之提高。该研究为酸性气体在双极膜电渗析系统中溶解吸收和矿化利用提供了指导。