燃煤化學鏈燃燒中煤與鐵基載氧體結構與反應性的關系及其相互作用研究.pdf

1、化石燃料燃燒排放的CO2是導致全球氣候變化的主要原因，近年來引起世界各國的普遍關注。與現(xiàn)有的碳捕集技術相比，化學鏈燃燒技術在實現(xiàn)煤炭高效利用的同時有效降低了CO2的捕集能耗，是當前具有發(fā)展前景的第二代碳捕集技術。在燃煤化學鏈燃燒反應體系中，煤、載氧體和反應器是決定系統(tǒng)能量轉化效率和CO2捕集效率的關鍵因素。然而，目前針對煤和載氧體反應性能的研究僅停留在宏觀反應器層面，對煤和載氧體結構與反應性的關系及其相互作用機制尚不清楚，在載氧體研發(fā)方

2、面還缺乏廉價、高效且適合規(guī)?；苽涞妮d氧體以及改性方法。針對以上問題，本文以我國的典型煤種為燃料，選取具有代表性的鐵基載氧體，從“結構與反應性”的角度出發(fā)，在微觀層面上研究了煤和載氧體的結構對系統(tǒng)反應性能的影響以及煤與載氧體之間的相互作用，基于上述研究結果，構建適合燃煤化學鏈燃燒反應體系的新型雙流化床反應器，并在該反應器上進行可行性驗證。
　　由于煤的熱解反應很快，焦炭的氣化反應控制著整個系統(tǒng)的反應速率?；诖耍疚耐ㄟ^實驗研究和

3、表征手段考察了煤階（褐煤、煙煤和無煙煤）、熱解溫度和熱解速率對我國典型煤種制得的煤焦的氣化反應性能、孔隙結構和微晶結構的影響，并就煤灰與鐵基載氧體之間的相互作用進行了分析。結果表明，煤階越低，煤焦孔隙結構越發(fā)達，使得煤焦的氣化反應性能更佳;熱解溫度對三種煤的影響行為不同，褐煤焦隨熱解溫度的升高孔隙結構變差，微晶結構有序化程度升高，煤焦氣化反應性能下降，而煙煤焦和無煙煤焦在熱解溫度為900℃時獲得最好的氣化反應性能，其中煤焦孔隙結構是影響

4、其反應性能的主要因素;三種快速熱解煤焦具有更發(fā)達的孔隙結構，微晶結構有序化程度較低，氣化反應性能明顯優(yōu)于慢速熱解煤焦。煤灰對鐵基載氧體理化性質影響的研究表明，三種煤灰均能提高鐵基載氧體的反應活性，但都導致鐵基載氧體孔隙結構變差，循環(huán)反應性能降低。
　　硫酸渣是黃鐵礦制備硫酸過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，其主要成分為Fe2O3和Fe3O4，本文將硫酸渣作為鐵基載氧體與合成的Fe-Al(10nm)載氧體和天然MAC鐵礦石進行了性能比較，從反應

5、性、循環(huán)熱穩(wěn)定性、機械強度、抗燒結團聚性能等方面考察了三種鐵基載氧體的物理結構對系統(tǒng)反應性能的影響，并采用同步輻射原位XRD技術分析了鐵基載氧體還原/氧化過程中晶相結構的演變規(guī)律。結果表明，硫酸渣因其成本低、反應性能好且具備規(guī)?；苽涞臐摿Χ哂泻芎玫膽们熬啊２煌蛩貙α蛩嵩磻阅苡绊懙难芯勘砻?，隨載氧體/燃料質量比和流化介質中水蒸氣濃度的增加、煤焦顆粒粒徑的減小以及溫度的升高，硫酸渣反應性能更好。與Fe-Al(10nm)和MAC鐵

6、礦石相比，硫酸渣對煤焦氣化反應的促進程度更明顯，循環(huán)反應熱穩(wěn)定性甚至優(yōu)于MAC鐵礦石，而Fe-Al(10nm)則因抗燒結性能較差導致循環(huán)熱穩(wěn)定性降低，但采用雙棍擠壓造粒法成型的硫酸渣顆粒機械強度和抗磨損性能較差，其中碰撞磨損是影響三種鐵基載氧體抗磨損性能的主要原因。對鐵基載氧體晶相結構演變規(guī)律的分析表明，還原溫度為550℃時鐵基載氧體發(fā)生還原反應，晶體內(nèi)部分子排列變化明顯，晶粒尺寸在經(jīng)過還原/氧化反應后變大，表明晶粒發(fā)生聚集導致鐵基載氧

7、體發(fā)生燒結。
　　基于主成分分析綜合評價模型對鐵基載氧體物理結構參數(shù)、活性成分含量與其反應性能之間進行了關聯(lián)和分析，獲得了反映鐵基載氧體結構參數(shù)和活性成分含量信息最多的主成分，建立了鐵基載氧體反應性能綜合評價模型，模型預測的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，證明了主成分分析法在關聯(lián)載氧體結構與反應性方面的可行性。采用熵權法對鐵基載氧體的結構參數(shù)和活性成分含量進行了權重分析。結果表明，孔結構參數(shù)（總孔容積和比表面積）是影響其反應性能的主要因素

8、，其次為活性成分含量和顆粒密度。
　　針對鐵礦石載氧體反應活性低以及現(xiàn)有改性方法成本較高的問題，提出采用生物質灰改性鐵礦石的廉價方法，并考察了生物質灰類型、負載比例等因素對MAC鐵礦石物理結構和化學反應性能的影響。結果表明，改性MAC鐵礦石的物理化學性能與生物質灰中的堿土金屬含量和種類及其熔融特性密切相關，雖然三種生物質灰（黃豆秸稈灰、玉米秸稈灰、小麥秸稈灰）均能夠提高MAC鐵礦石的反應活性，但黃豆秸稈灰因其灰熔點高、堿土金屬含量

9、以及K元素含量最高，使得黃豆秸稈灰改性的MAC鐵礦石具有最好的孔隙結構和反應性能，且隨黃豆秸稈灰含量增加MAC鐵礦石反應性能逐漸提高。黃豆秸稈灰改性的MAC鐵礦石在循環(huán)反應性能方面表現(xiàn)穩(wěn)定，具有較強的抗燒結能力。
　　基于燃煤化學鏈燃燒系統(tǒng)的反應特點，提出并構建了燃料反應器采用細長結構設計，且穩(wěn)定運行狀態(tài)下為快速流態(tài)化的新型加壓雙流化床中試反應器，以強化反應器內(nèi)煤顆粒及其氣化產(chǎn)物與載氧體顆粒之間的混合程度以及熱質交換強度。采用神華