【摘要】：化石燃料的使用加剧了大气中CO2的排放,由CO2等温室气体引起的全球变暖现象已经给生态环境和人类社会带来巨大灾害和经济损失。化学链燃烧(Chemical Looping Combustion, CLC)是一种具有CO2内分离特点,不需要额外的能量消耗,且能提高燃料化学能品味的一种洁净高效的燃烧方式。它使用载氧体在空气反应器和燃料反应器间循环,实现氧的转移,避免了燃料与空气中的氧分子直接接触反应。燃料在燃料反应器中生成CO2/H2O,仅需通过低能耗的冷凝过程就可实现CO2的高浓度富集。载氧体的性能对整个化学链燃烧过程至关重要,天然铁矿石因具有原料广泛、价格低廉、环境友好和无二次污染等优势,是一种实现化学链燃烧比较理想的载氧体材料。铁矿石载氧体的应用能降低CO2捕集成本,其反应特性是亟需探讨的问题。本文首先对基于铁矿石载氧体的还原反应特性开展研究,在此基础上采用钾基催化剂对铁矿石载氧体进行修饰,提高载氧体的还原反应活性,并在化学链燃烧串行流化床上进行实验研究,并对该反应器的气固两相流动规律开展模拟研究。在小型流化床反应器上开展铁矿石载氧体和气体燃料CO的化学链燃烧反应实验,考察反应温度和还原性气体浓度的影响以及CO-Fe2O3反应机理。结果表明：反应温度为750～850℃时,铁矿石载氧体转化率随反应时间增加和反应温度升高而增加,在反应后期趋于平衡,且反应温度高于800℃时,铁矿石载氧体转化率变化不明显,反应速率变化小。还原反应后的铁矿石载氧体颗粒表面气孔基本消失,多孔结构不明显,部分区域覆盖有烧结物质,阻碍CO向铁矿石载氧体的活性中心扩散,导致还原反应速率降低。当温度在750℃到950℃区间时,CO浓度低于20%时,Fe203还原生成的Fe304能稳定存在,且在此温度区间下Fe304较难被还原为更低价态的FeO和单质Fe。利用1kWth串行流化床反应器,在反应温度800～930℃范围内对浸渍制备的K2CO3修饰铁矿石载氧体进行可行性分析。通过对气体串混现象的研究,表明1kWth串行流化床中隔离器的设计能够有效的避免燃料反应器和空气反应器间气体串混,保证了在燃料反应器内无N2存在,可获得高浓度的C02。在燃料反应器中,纯铁矿石和钾基修饰铁矿石作为载氧体时,随着反应温度的升高,均呈现CO浓度降低、CO2浓度升高和CO转化率增加的趋势。在相同温度下,与纯铁矿石载氧体相比,钾基修饰铁矿石载氧体能有效提高CO：浓度和CO转化率值,这是由于碱金属离子K+提高了铁矿石载氧体反应活性,加快反应速率,促进了还原反应的进行。在燃料反应器内,由于铁矿石的催化作用,CO会发生析碳反应,析出的碳附着在铁矿石载氧体颗粒表面,进入空气反应器与02反应生成C02。浸渍煅烧后的铁矿石表面检测到KFe11O17,呈尖晶石结构,稳定性好。铁矿石和钾基修饰铁矿石载氧体的还原指数分别为0.74和1.45,与铁矿石相比较,钾基修饰铁矿石载氧体中有更多的Fe203被还原为Fe304,传递氧的速率更快。采用计算流体力学软件FLUENT 14.0对东南大学1kWth化学链串行流化床进行冷态模拟,研究气固两相流动模型的循环过程和动力特性,对固相颗粒的浓度、速度分布和气相的相对压力、串混现象进行全面的分析。结果表明：该化学链串行流化床的空气反应器和燃料反应器之间能够实现载氧体颗粒的传递,在流化启动3秒后能够自平衡,空气反应器和燃料反应器达到稳定流化状态,维持正常的物料平衡。燃料反应器内气固界面清晰,鼓泡特征明显,颗粒流化质量高,且床内颗粒混合均匀,能够满足载氧体颗粒与气体燃料还原反应的要求。燃料反应器存在三段不同的流化区域：下部是鼓泡段,浓度波动比较大：中部是流化段,浓度相对的均匀；上部是悬浮段,浓度分布较小；气泡能夹带颗粒向上运动,到达一定高度时,气泡破碎,颗粒被抛撒下落,床中心处气泡的体积份额较大,造成床内局部空隙率增大。空气反应器成快速流化状态,颗粒浓度较小,在顶部颗粒体积浓度小于0.15%。空气反应器下部分形成多处环核流动,颗粒浓度分布不均匀；上部分,浓度分布较均匀,环核流动消失,颗粒快速上升。随着载氧体颗粒达到稳定循环,串行流化床内的压力已基本达到稳定,各个反应段压差分布明显。鉴于载氧体的氧化反应速度显著大于其还原反应速度,和空气反应器内空气氧化载氧体过程相比,气体燃料在燃料反应器内需要充足的停留时间,满足气体燃料充分被载氧体氧化的要求。燃料反应器内的压降明显高于空气反应器内的压降,表明化学链燃烧过程中载氧体主要分布在燃料反应器内,约占80%,而在隔离器和空气反应器内分别只有10%的载氧体；表明该反应器能够满足气体燃料在燃料反应器内被载氧体充分氧化。同时,数值模拟结果表明：设计的新型隔离器能有效地防止燃料反应器与空气反应器之间的串混。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
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本文编号：2521705
