化学链燃烧技术中载氧剂的筛选与优化研究

摘要

化学链燃烧是洁净、高效的新一代燃烧技术。它通过燃料与空气不直接接触的无火焰化学反应来释放能量,根除了NOX的产生,直接通过冷凝的方式捕集回收CO2,不需要消耗额外的能量。化学链燃烧技术中,载氧剂在两个反应器中循环使用,不但要分离空气中的氧,还要将分离的氧传递给燃料,进行燃料的无火焰燃烧,因此它是化学链燃烧技术实施的关键因素。对载氧剂的筛选以及反应条件的优化进行研究,针对不同燃料开发出适合的载氧剂,能够使化学链燃烧技术具有更高的燃烧效率。
　　本文首先从反应热、吉布斯自由能、化学平衡等方面对金属和非金属载氧剂与甲烷的还原反应进行分析,优选出热力学性能优良的载氧剂,接着运用Aspen Plus软件对优选出的载氧剂进行了数值模拟,通过计算反应器内的化学平衡,分析了反应物摩尔比、温度以及压力对还原反应器出口产物摩尔分数的影响,最后对载氧剂的反应条件进行了优化。
　　研究得出:金属基载氧剂中热力学性能较高的为Ni基和Fe基载氧剂,非金属载氧剂中CaSO4最佳。在NiO-CH4化学链燃烧还原反应器内,燃烧过程随反应物摩尔比变化分为三个阶段:X≤1时,燃料的燃烧以甲烷重整反应为主;当14时,反应器中产物全为CO2和H2O,研究得到最佳反应物摩尔比为X=4。通过分析温度以及压力对出口产物摩尔分数的影响得出反应温度为1000K-1100K,操作压力不大于8MPa是最佳反应条件。在Fe2O3-CH4化学链燃烧还原反应器内,反应过程同样呈现三个阶段变化,通过对气相固相产物摩尔分数的分析得出最佳反应物摩尔比为X=12,反应温度为1000K-1150K,反应器压力不宜大于5MPa。在CaSO4-CH4化学链燃烧还原反应器内,最佳的反应物摩尔比为X=1,反应温度为1000K,宜在常压下进行。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2化学链燃烧技术原理

1.3 化学链燃烧技术的研究现状

1.4 本文研究内容

2 热力学性质及计算方法

2.1 热力学性质的计算方法

2.2 吉布斯自由能最小化原理

3 化学链燃烧中载氧剂的热力学性质研究

3.1 金属载氧剂

3.2 非金属载氧剂

4 化学链燃烧技术中载氧剂的数值模拟

4.1 Aspen plus软件

4.2 模型验证

4.3 镍基载氧剂的数值模拟

4.4 铁基载氧剂的数值模拟

4.5 CaSO4载氧剂的数值模拟

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录