化学链燃烧课件

目录Contents基于氧载体的化学链燃烧技术载氧体研究意义及特点研究现状化学链燃烧反应器化学链燃烧系统分析固体燃料化学链燃烧技术目录Contents基于氧载体的化学链燃烧技术载氧体研究意义1化学链燃烧课件2基于氧载体的化学链燃烧技术循环氧载体无火焰燃烧根除燃料型NOx生成控制热力型NOx产生CO2富集燃料侧：空气侧：图1化学链燃烧原理示意图基于氧载体的化学链燃烧技术循环氧载体无火焰燃烧根除燃料型NO3生成物只有H2O和CO2，避免被N2稀释，容易获得高浓度CO2，减少Nox产生。CO2富集实现能量的梯级利用，提高能源利用率。高效率可以通过低能耗的冷凝水蒸气的方法直接对CO2进行高浓度富集，不需要常规的分离装置和额外的能量，实现燃料燃烧和CO2分离一体化，提高了系统效率。低耗能研究意义及特点生成物只有H2O和CO2，避免被N2稀释，容易获得高浓度C4在已进行的研究中化学链燃烧的研究主要集中在气体燃料方面，近年来固体燃料化学链燃烧及非金属载氧体成为热点，其中固体燃料化学链燃烧也是未来化学链燃烧发展的大趋势。研究现状在已进行的研究中化学链燃烧的研究主要集中研究现状5载氧体的选择与性能研究化学链燃烧反应器的设计与优化反应系统分析以及与其它技术的耦合123研究现状载氧体的选择与性能研究化学链燃烧反应器的设计与优化反应系统分6即进行还原反应氧化反应中的反应能力化学反应能力经济性环境友好性储量丰富使用成本低对环境无污染或污染小机械强度持续循环能力载氧能力其他指标抗破碎，抗磨损的能力在循环应力作用下能够保持较强的机械强度在反应过程中与氧有较强的结合能力即载氧体的使用寿命评价载氧体的重要指标能承受的最高反应温度、抗烧结和抗团聚能力、颗粒尺度分布、内部孔隙结构等载氧体评价指标载氧体即进行还原反应化学经济性储量丰富机械强度持续循环能力载氧7Fe、Ni、Cu、Mn、Cd、Co等的氧化物或双氧载体。在高温下表现出来的持续循环能力较差；为提高其反应特性，提高寿命，抗烧结及增加表面积，常附着于惰性载体上。金属载氧体惰性附着基非金属载氧体CaSO4、SrSO4、BaSO4等硫酸盐非金属载氧体。非金属氧化物作为氧载体在载氧能力、环保和价格方面具有独特的优势，如何提高其化学反应性等指标是值得努力的方向之一。Al2O3、SiO2、NiAl2O4、MgAl2O4、TiO2、ZrO2、MgO、Y2O3+ZrO2(YSZ)、海泡石(sepiolite)等。作为惰性载体，提高比表面积和机械强度以增强循环性能；作为热载体，传递和存储能量。载氧体Fe、Ni、Cu、Mn、Cd、Co等的氧化物或双氧载体。金属8瑞典Lyngfelt等在10kw化学链燃烧系统上以天然气/空气为反应气，连续运行100h研究了载氧体NiO/Al2O3反应特性和抗破坏能力美国Cao在TGA上以煤和生物质为燃料理论分析和实验证明了CuO作为固体燃料载氧体的可行性中国郑瑛等在TGA上以CH4为燃料验证了CaSO4作为载氧体时SO2排放的存在(瑞典)Leion在流化床上以石油焦炭为燃料研究了温度，水蒸气，SO2浓度对载氧体Fe2O3/MgAl2O4反应速率的影响西班牙Diego在10kW化学链燃烧装置上以CH4/空气为燃料研究了Cuo/Al2O3作为氧载体时燃料转化率、运行过程中载氧体性能变瑞典Johansson在流化床上以CH4+H2O/O2+N2为燃料对比NiO/NiAl2O4,NiO/MgAl2O2种载氧体，选择更适合的载氧体,对比连续与间歇性试验2种不同的试验方法中国高正平等，利用流化床以神华烟煤为燃料，并以水蒸气作为气化-流化介质，研究了温度、反应时间、循环数对Fe2O3/Fe3O4载氧体反应性的影响中国杨一超等在固定流化床上以煤为燃料研究了加压条件下，Fe2O3/Fe3O4的反应特性载氧体瑞典Lyngfelt等在10kw化学链燃烧系统上以天然9(1)为使化学链燃烧技术能够更好地与其它发电系统进行耦合，应将提高载氧体的操作温度作为研究的重点。选取环境性良好、无毒、廉价的载氧体以及对现有的载氧体制备方法的改进和创新，也成为今后化学链燃烧技术发展的重点与难点。(3)寻求反应性能优良、价格低廉并且无二次污染的非金属载氧体。沈来宏等研究发现CaSO4作为煤化学链燃烧反应的理想载氧体是可行的。如何提高其反应活性、循环特性是今后研究的重点。(2)研究中所用燃料由单一成分气体向合成气发展、由气体燃料向固体燃料发展。目前研究较多的为气体燃料（如天然气），从我国的能源结构来看，煤炭占主导地位，应大力发展煤的化学链燃烧技术，找到适合固体燃料煤的高性能载氧体。载氧体(1)为使化学链燃烧技术能够更好地与其它发电系统进行耦合，化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况11烟道气H2O不凝气CO2燃料进料空气2131-空气反应器；2-旋风分离器；3-燃料反应器图2Lyngfelt设计的CLC串行流化床系统图化学链燃烧反应器烟道气H2O不凝气CO2燃料进料空气2131-空气反应器；212化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况13化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况14化学链燃烧反应器1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器图310kW的化学连燃烧装置(a)无气体泄漏现象载氧体活性基本不变载氧体磨损率也很低化学链燃烧反应器1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况16化学链燃烧反应器1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器图450kW的化学连燃烧装置化学链燃烧反应器1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况18化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况19化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况20化学链燃烧反应器1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器图510kW的化学连燃烧装置(b)化学链燃烧反应器1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况22化学链燃烧反应器化学链燃烧反应器化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况化学链燃烧反应器表1化学链燃烧反应器的研究情况24化学链燃烧反应器1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器图610kW的化学连燃烧装置（固体燃料）化学链燃烧反应器1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；(1)CLC技术应用于工业的可行性，反应器的优化设计、长期连续运行的实现是仍需要研究的问题。(3)寻求反应性能优良、价格低廉并且无二次污染的非金属载氧体。CaSO4作为煤化学链燃烧反应的理想载氧体是可行的。如何提高其反应活性、循环特性是今后研究的重点，与固体燃料化学链燃烧相结合也是值得开展的研究方向。(2)CLC反应器的设计多以天然气为燃料，以合成气、煤等为燃料的反应器系统更需研究与建立。化学链燃烧反应器(1)CLC技术应用于工业的可行性，反应器的优化设计、长期化学链燃烧系统分析化学链燃烧系统分析化学链燃烧系统分析Richter对CLC系统采用能量分析和分析的方法得出：化学链燃烧过程与传统燃烧过程相比，效率提高；金红光针对CH4的传统直接燃烧与CLC方式，对燃料的化学能梯级利用机理进行探讨，结果表明：与传统的直接燃烧相比，化学链燃烧大大降低了燃烧过程的损失，同时CO2的分离过程基本不需额外能耗，所以能达到较高的系统效率。建模与分析化学链燃烧系统分析Richter对CLC系统采用能量分析和化学链燃烧系统分析GT:燃气轮机；SOFC:固体氧化物燃料电池；CLSA:化学链燃烧与空气湿化燃气轮机联合循环；NGCC:天然气联合循环表2CLC技术与一些发电系统相结合的研究情况化学链燃烧系统分析GT:燃气轮机；SOFC:固体氧化物燃化学链燃烧系统分析与其他技术的耦合GE公司的研究处于世界领先地位，分析了CCL的潜在应用，将其与传统的天然气、柴油、煤或生物质水蒸气重整制氢结合起来，有效的解决了重整过程热量来源问题，其研究已达中试阶段。李振山等通过对CCL以及碳基燃料近零排放制氢研究的大量文献调研，提出了吸收增强式化学链重整制氢或合成气过程

。化学链燃烧系统分析与其他技术的耦合GE公司的研究处于世界领先化学链燃烧系统分析图8化学链燃烧的吸收增强式碳基燃料制氢O2电燃料电池H2OH2HO2CO2CaCO3CO2CaONiO热量热量燃料重整反应器再生反应器燃料水蒸气空气NiCaCO3NiOCaOH2CO2N2图7基于化学链燃烧的吸收增强式天然气制氢化学链燃烧系统分析图8化学链燃烧的吸收增强式碳基燃料制氢化学链氧解耦燃烧实现方法H2O和CO2气化O2/O2+H2O气化载氧体在燃料反应器中释放气相氧与固体燃料燃烧优点：无需气化，系统所需载氧体量少，减小了反应器尺寸和系统成本气化反应：C+H2O→CO+H2(1)CO+H2O→CO2+H2(2)CO2+C→2CO(3)CO和H2与载氧体发生的主要反应：MexOy+H2→MexOy-1+H2O(4)MexOy+CO→MexOy-1+CO2(5)空气反应器中，载氧体获得气相氧：O2+MexOy-2→MexOy(6)燃料反应器中，载氧体释放氧：MexOy→O2+MexOy-2

(7)燃料反应器中，燃料与气相氧反应：CnH2m+（n+m/2）O2→nCO2+mH2O(8)气化使其生成气体燃料（主要是CO和H2）缺点：汽化反应速率慢，使系统反应过程受到限制生成中间气体CO和H2，与载氧体发生反应缺点：气化过程难度很大，且气化反应器的布置使系统成本增加固体燃料化学链燃烧技术化学链氧解耦燃烧实现方法H2O和CO2气化O2/O2+H2O32

H2CO2CaCO3CaON2H2OCaSCaSO4热铝矾土冷铝矾土空气灰分和硫酸钙煤CaCO3=CaO+CO2CaOtoCaCO3化学链CaStoCaSO4化学链CaO+CO2=CaCO3CO+H2O=CO2+H24C+CaSO4=4CO+CaS2O2+CaS=CaSO4图11基于煤气化的化学链燃烧动力系统示意图固体燃料化学链燃烧技术H2CO2CaCO3CaON2H2OCaSCaSO4热铝矾33燃料CaSO4CO2新鲜的CaSO4CO/CO2CaS灰N2O2气化反应器900℃C+CO2=2CO燃料反应器9000C4CO+CaSO4=4CO2+CaS空气反应器1000℃CaS+2O2=CaSO4空气热量图12固体燃料化学链燃烧技术示意图固体燃料化学链燃烧技术燃料CaSO4CO2新鲜的CaSO4CO/CO2CaS灰N234固体燃料的转化率燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特性及防止颗粒结焦固体燃料化学链燃烧技术固体燃料的转化率燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特35固体燃料的转化率燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特性及防止颗粒结焦固体燃料的转化率燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特性及防止颗粒结焦固体燃料化学链燃烧技术固体燃料的转化率燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特36燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特性及防止颗粒结焦固体燃料的转化率燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特性及防止颗粒结焦气化反应：C+H2O→CO+H2CO+H2O→CO2+H2CO2+C→2COCO和H2与载氧体反应：MexOy+H2→MexOy-1+H2OMexOy+CO→MexOy-1+CO2固体燃料的气化速率低于载氧体和气化中间产物之间的反应速率，限制了系统的整体效率。西安交通大学的王国贤等提出提高反应温度和采用增压反应器系统是解决气化效率低下可行的方法。固体燃料化学链燃烧技术燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特性及防止颗粒结焦37燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特性及防止颗粒结焦固体燃料的转化率燃料反应器内气体转化率CaoY,PanWP等指出固体燃料与载氧体直接反应速率和固体燃料的气化速率慢，制约燃料反应器内的气体转化率。固体燃料化学链燃烧技术燃料反应器内气体转化率CO2收集率载氧体特性及防止颗粒结焦38燃料反应器内气体转化率CO2

收集率载氧体特性及防止颗粒结焦固体燃料的转化率CO2收集率随着载氧体的失活，CH4，CO，H2等气体产物的增加，导致CO2浓度降低，致使CO2的收集率降低。0300600900