10MWth串行流化床煤化学链燃烧系统反应器设计

选用钛铁矿为载氧体、伊敏褐煤为燃料,基于质量平衡、能量平衡、反应动力学模型和流态化理论,开展了热输入功率为10 MWth的煤化学链燃烧反应器的热力计算,获得了自热条件下的反应器尺寸、热量平衡参数等数据。结果表明：空气反应器为快速流化床,床高为38.9 m,横截面积为1.64 m2,表观气速为4.74 m/s,平均载氧体循环流率为57.45 kg/s;燃料反应器为鼓泡流化床,床高为13.4 m,横截面积3.76 m2,表观气速为1.91 m/s,平均载氧体循环流率为56.66 kg/s。空气反应器中,载氧体放出大量的热,其中钛铁矿载氧体携带的显热为4732.63 kJ/kg,占总放热量的40.73%;在燃料反应器中,钛铁矿放出热量为4996.9 kJ/kg,气体吸收的热量占62.94%。该结果为以煤为燃料的化学链燃烧热态系统的设计建造提供了参考。     

生物质气化串行流化床反应器设计及冷态模拟实验研究

在生物质化学链气化反应基础上设计并搭建了一套串行流化床冷态模型。以石英砂为床料、空气为流化介质在该装置上开展了压力分布及控制规律实验研究。采用PY500型智能压力检测系统及PV-6型激光颗粒速度测量仪着重研究了空气反应器、燃料反应器、气体密封室等部件的表观气速对循环状态的影响。实验结果表明,颗粒在提升管中流动为环核型结构,平均空隙率轴向先增大后减小,装置适宜的操作状态为燃料反应器流化气速1.2m/s~2.0m/s,空气反应器气速1.4m/s~1.7m/s,返料管气速为0.4m/s~0.85m/s,两反应器存料量2.5kg~4.5kg。     

一种铜铁铝复合载氧体化学链燃烧性能

利用溶胶-凝胶法制备了一种Cu-Fe-Al-O复合载氧体,以CO为还原介质,在固定床反应器上探究了该载氧体的化学链燃烧性能,以及4种还原程度下该载氧体的循环反应稳定性。结果显示：在20次化学链循环反应中,Cu-Fe-Al-O 复合载氧体对应的化学链反应中CO2产率较为稳定,约为4 mmol/g;而对比样品氧化铁在第20次化学链循环时,对应的化学链反应中CO2产率仅有0.95 mmol/g。进一步实验发现,当还原程度小于75%时,使用Cu-Fe-Al-O载氧体的化学链反应运行稳定,因为在氧化还原过程中,活性组分铜、铁与尖晶石载体存在溶出现象,限制了活性组分的聚集,因此,Cu-Fe-Al-O复合载氧体具有较高的化学链反应循环稳定性。     

甲烷化学链燃烧技术中氧载体的研究进展

天然气在中国能源结构中的占比不断增加,其主要成分甲烷在燃烧过程中会产生大量CO和CO₂。甲烷化学链燃烧技术是CO₂捕集的重要技术之一,具有能量梯级利用、避免NO_x产生等优点,在提高能量利用率的同时可得到高纯度CO₂,有利于后续封存和转化利用,对我国“双碳”战略实施具有重要意义。影响化学链燃烧技术的主要因素是氧载体,因此氧载体的选择尤为重要。介绍了化学链燃烧技术的基本原理及特点,重点对以甲烷为燃料的化学链燃烧中的镍基、铜基、铁基、锰基、复合金属和非金属氧载体的研究进展进行了总结,发现氧载体的反应性能主要受其载氧能力、反应活性和抗烧结等性能的影响;同时对甲烷化学链燃烧技术中氧载体未来的发展前景进行了展望。     

钙钛矿型氧化物LaFeO_3的制备及甲烷化学链燃烧性能

选择燃烧法制备了钙钛矿型氧化物LaFeO3,采用XRD、FT-IR、H2-TPR、SEM等手段对所制备的LaFeO3进行了表征。并在热重反应器上通过甲烷-空气切换反应对LaFeO3钙钛矿型氧化物的循环反应性能进行了研究。结果表明,LaFeO3钙钛矿型氧化物具有良好的循环反应性能,多次循环反应后,钙钛矿型氧化物的晶相结构和微观形貌没有发生明显变化。通过Sr掺杂制备的La0.9Sr0.1FeO3钙钛矿型氧化物具有更好的供氧能力。     

加压流化床反应器中煤焦化学链气化实验与数值模拟研究

采用CPFD模拟和实验相结合的方法,研究了0.1～0.5 MPa压力条件下,鄂尔多斯烟煤焦和Fe2O3/Al2O3载氧体(OC)的流动特性及气化反应行为。结果表明,颗粒体积分数是影响加压下煤气化速率和合成气品质的关键因素,当颗粒体积分数在1.0%～2.8%区间、操作压力从0.1 MPa加压至0.3 MPa时,煤焦气化速率增长2.7倍,合成气摩尔分数由72%增长至78%。操作压力及颗粒流态的改变对水煤气变换反应速率无显著影响,通过煤焦气化反应和载氧体还原反应的耦合可实现合成气组分比例的调控。XRD表征显示Fe基载氧体各还原态组分分布与模拟结果一致。操作压力升至0.3 MPa,载氧体还原反应速率的增幅减小,释氧量增大50.18%;继续升压至0.5 MPa,显著促进了载氧体还原反应速率的增加,但释氧量仅增加3.92%。     

基于镍基载氧剂的甲烷化学链燃烧机理与优化

基于吉布斯自由能最小化原理,在Aspen Plus软件上建立了Ni O-CH_4化学链燃烧模型。通过计算反应器内的化学平衡,分析了反应物摩尔比、反应温度、反应压力和气体流量等对反应器出口气相产物组成的影响,明确了Ni O-CH_4化学链燃烧的反应机理,进而对Ni O-CH_4化学链燃烧的反应条件进行了优化。实验结果表明,当n(Ni O)∶n(CH_4)≤1时,燃料的燃烧以甲烷重整反应为主;当1n(Ni O)∶n(CH_4)≤4时,逐渐以还原反应为主;当n(Ni O)∶n(CH_4)4时,全部发生还原反应,生成CO_2和H_2O。当n(Ni O)∶n(CH_4)=4、反应温度为1 000~1 100 K时,Ni O-CH_4化学链燃烧效率的效率最高;适当提高反应压力有助于提高CH_4化学链燃烧效率,抑制其他反应的发生,但反应压力不宜大于8 MPa;在满足燃烧器功率的要求下,应尽量降低气体流量。     

化学链燃烧反应中LaFe1-xCoxO3载氧体的性能研究

采用柠檬酸络合法制备了不同Co含量的LaFe1-xCoxO3系列复合氧化物载氧体。采用热分析、X射线、程序升温还原和扫描电境等手段对载氧体进行了表征,并在化学链燃烧反应中进行性能评价。XRD表征结果表明,不同Co含量的LaFe1-xCoxO3均能形成钙钛矿结构。TPR表征结果可以说明LaCoO3中的氧物种氧化能力强于LaFeO3。在连续十次化学链燃烧反应中,燃料一氧化碳全部被氧化,这归于LaCoO3持续供氧能力强的特点。LaCoO3循环十次后仍然保持钙钛矿结构不变,而且颗粒没有长大,只是颗粒之间形成了网状结构。通过该实验发现LaCoO3具有高活性和较强的稳定性,适合做化学链燃烧技术的载氧体。     

硫酸盐硫在化学链燃烧过程中的迁移转化规律

以2种典型的模型化合物(CaSO4和FeSO4)为研究对象,研究采用Cu基载氧体时,煤中硫酸盐硫在化学链燃烧(CLC)过程中的迁移转化规律。热力学模拟研究发现,反应温度及载氧体过氧系数均会对模型化合物中硫的气 固相分布造成影响。在低温和低载氧体过氧系数条件下,CuO易被硫化生成Cu2S。与FeSO4相比,CaSO4具有更高的耐温性。进而以担载在活性炭中的模型化合物为研究对象,在小型流化床反应器中开展了CLC实验研究。结果表明,在还原反应阶段和氧化反应阶段,SO2均为主要的含硫气体。在还原反应阶段的前20.5 min内,FeSO4和CaSO4中硫转化为气相组分的摩尔分数分别为83.16%和50.09%。对还原反应阶段后载氧体的物相组成进行分析,发现有Cu2S存在。对一次还原 氧化反应后载氧体表面元素进行分析发现,表面有部分硫累积及残留。     

循环流化床锅炉燃烧优化研究

本文针对目前国内在循环流化床锅炉燃烧系统中存在的问题,提出模块式控制方案用于循环流化床锅炉燃料的控制,以期较好地解决负荷控制与温度控制之间的矛盾。     

鼓泡流化床内木屑成型颗粒混合化学链气化特性

木屑成型颗粒的大尺寸、非球形等特点,使其在流化床内的混合特性显著影响化学链气化中三相产物的分布。为研究成型颗粒流化及化学链气化特性,分别在冷态和热态工况下进行了颗粒混合实验和化学链气化实验,研究了不同流化速度下成型颗粒在轴向的浓度分布特性和三相产物组分分布规律。冷态混合实验表明：低流化速度下,成型颗粒浓度分布不均匀,在中上层形成堆积,流化速度适当增加,颗粒与床料混合更充分;热态气化工况中,在隔绝外部蒸汽的条件下,硫化气体体积流量的增加有利于颗粒与载氧体的接触,从而降低了焦炭产量,但缩短了挥发物的停留时间,三相产物中大分子焦油产量上升,合成气有效组分相应下降。     

3MWth煤化学链燃烧装置的设计计算与分析

选用钛铁矿作为载氧体,对以煤为燃料的化学链燃烧系统的设计原理和方法进行了研究,并基于质量衡算、能量衡算、反应动力学和流态化理论编写了热力计算平台。利用该平台设计了额定热输入为3 MWth的煤化学链燃烧装置,获得了系统循环流率、气量分配、设备尺寸等结果;并研究了系统热量分配特性,发现该反应器能够实现自热运行。讨论了循环流率、钛铁矿转化率之差、过量空气系数和热输入对反应器装置自热运行的影响。结果表明,为保证化学链燃烧装置实现自热运行,系统的实际循环流率和热输入应分别大于4 kg/(s·MWth)和2.4 MWth,而过量空气系数应小于1.9。该工作为以煤为燃料的化学链燃烧示范装置的建造与运行奠定了基础。     

基于锰矿石载氧体的宁东煤化学链燃烧特性

以煅烧后的天然锰矿石为载氧体,基于热化学分析软件(HSC Chemistry 6.0)计算,并与实验相结合,在小型鼓泡流化床上进行了宁东煤气化和燃烧特性的研究。首先将模拟计算与实验结果对比,得到宁东煤与锰矿石载氧体不同掺混比下的燃烧特性;其次,基于模拟数据和实验参数,并结合修正动力学模型,对该实验工况下燃料反应器和空气反应器(FR-AR)反应系统进行热-质平衡计算。结果表明：模拟计算煤燃烧的碳转化率和气相生成物等与实验结果一致,误差小;经1173.15 K高温煅烧的锰矿石载氧体可大幅缩短煤气化时间,并与煤合成气有良好的反应活性;FR-AR系统可以实现自热平衡。     

循环流化床锅炉的DCS控制

以130t／h CFB循环流化床锅炉DCS自控设计实例，从CFB锅炉燃烧基理出发，探讨CFB锅炉对控制的要求，并就负荷控制指令，调节方案的实施，设计了相应的调节系统。     

化学链燃烧/气化双床系统运行与设计进展

化学链技术是一种清洁高效的双床技术。综述了4种国内外化学链双床系统的设计、运行和发展,包括化学链双床系统的设计需要选取双床反应器的型式、载体、燃料、运行温度,其固相循环流率、反应器截面积、反应器高度、运行风速、床料量以及运行中硫/氮控制方式等,总结设计参数与经验,为化学链双床系统设计提供参考。     

有机固体废弃物化学链气化技术研究进展

化学链气化技术(CLG,Chemical looping gasification)是基于化学链燃烧技术(CLC,Chemical looping combustion)发展而来的一种新颖的固体燃料气化技术.相较于常规气化技术,化学链气化技术省去了氧气制备、且不需要燃料燃烧来提供热量,具有合成气不被氮气稀释、焦油及N/...     

基于DDPM模型的化学链燃烧中二元颗粒定向分离过程放大模拟

以拉格朗日法为基础,采用耦合离散元法(DEM)颗粒碰撞模型的稠密离散相模型(DDPM)对兆瓦级化学链燃烧放大系统中炭颗粒分离器进行数值模拟研究,探究其中载氧体(OC)/煤焦(Char)二元颗粒物的定向分离特性,进一步研究了热态条件和下降管出口压力对二元颗粒物分离效果的影响,为炭颗粒分离器在热态条件下的运行稳定性以及下端与空气反应器之间的独立性提供数据支撑。结果表明：放大后的炭颗粒分离器因为分离空间与时间的增加,使载氧体/煤焦二元颗粒物的分离效果更好;同时,在热态条件下因气体黏度增大,使得煤焦分离效率进一步提升;此外,下降管出口压力的适度提升也能提高炭颗粒分离器的分离效率。     

碱金属掺杂对NiFeAlO4载氧体结构及反应特性的影响

采用溶胶-凝胶法和浸渍法制备了碱金属掺杂的尖晶石结构NiFeAlO4载氧体,考察了制备方法、碱金属种类、碱金属掺杂比例对NiFeAlO4载氧体结构、煤化学链燃烧特性和循环稳定性的影响。结果表明,溶胶 凝胶法制备的钾掺杂NiFeAlO4载氧体具有更好的反应性,当载氧体与煤质量比为20∶1时,掺杂质量分数为5% K2CO3的NiFeAlO4载氧体与煤反应的碳转化率为99%,高于NiFeAlO4载氧体与煤反应时的碳转化率（87%）。与NiFeAlO4载氧体相比,掺杂质量分数为5% K2CO3的NiFeAlO4载氧体呈现出更好的循环稳定性,主要归因于碱金属K的掺杂改善了载氧体的反应活性,对载氧体的团聚有抑制作用,且反应前后载氧体晶相结构保持不变。