基于廉价载氧体煤加压化学链燃烧试验研究

摘要

近年来,温室气体(主要是化石燃料燃烧排放的CO2)的过度排放引发的全球气候变化已经成为全世界关注的焦点问题。面对巨大的减排压力,以煤炭为主要能源的我国亟需研发能实现燃煤CO2减排的新技术。化学链燃烧技术作为一项非常有前景的实现CO2高效低能耗分离捕集技术,目前的研究重点主要集中在固体燃料化学链燃烧和廉价高性能载氧体的研究。本文开展了以廉价的铁基、钙基为载氧体的煤加压化学链燃烧工作,研究了这些廉价载氧体在煤加压化学链燃烧中的还原／氧化特性和持续循环反应能力,讨论了温度、压力、煤／载氧体质量比等因素对反应特性的影响,同时还对钙基载氧体煤化学链燃烧中的SO2脱除进行了初步研究。
　　 在小型加压固定床试验装置上研究了不同压力下废铁渣、澳洲MAC铁矿石载氧体煤化学链燃烧还原／氧化反应特性。压力的提升对降低气体产物中的可燃物的浓度、提高出口CO2浓度、煤中碳转化率等具有较明显的效果。0.5MPa下还原／氧化循环试验中两种铁基载氧体的反应性明显比0.1MPa下好。还原／氧化循环试验中,随着循环数的增加,载氧体的反应性略有提升或者基本不变。XRD分析结果显示废铁渣载氧体在反应中晶相结构没有发生明显变化。SEM及BET分析结果显示,随着循环数的增加,废铁渣表面变得疏松多孔,比表面积和孔容积增加。煤／载氧体质量比试验结果显示,当煤／废铁渣质量比在0.016和0.047之间时,煤气化产物与载氧体的反应效率会随着质量比的上升而变差,因此铁基载氧体煤化学链燃烧必须选择恰当的煤／载氧体质量比,以达到较好的反应效果。
　　 研究了温度、压力、煤／载氧体质量比对钙基载氧体煤化学链燃烧的反应特性的影响。温度的升高能显著增强煤气化产物尤其是H2与硫酸钙的反应性,能提高CO2收率和碳转化率。压力从0.1MPa提升到0.5MPa时能进一步减少气体产物中的可燃组分,提高CO2收率和碳转化率。煤／载氧体质量比试验表明,虽然煤与硫酸钙载氧体化学当量质量比达0.218,在实际反应过程中由于存在平行反应、载氧体颗粒内部传质阻力等因素,实际运行中煤与载氧体的质量比必须控制在0.14以下。
　　 以CaO和CaCO3作为脱硫剂,对其在硫酸钙载氧体煤化学链燃烧中的脱硫工况进行了试验研究,研究不同Ca／S比(摩尔比)、不同温度和不同压力条件对SO2排放的影响,获得了基于硫酸钙载氧体煤化学链燃烧试验的合适的脱硫温度、脱硫压力和脱硫剂／载氧体质量比。结论表明,脱硫试验中SO2的排放浓度随着温度的升高而增大,CaO作为脱硫剂时能够得到比CaCO3更好的脱硫效果,Ca／S比的增加提高脱硫效率,较高的压力能够取得比常压更好的脱硫效率。