燃煤化学链燃烧中煤与铁基载氧体结构与反应性的关系及其相互作用研究

发布时间：2017-07-16 05:18

  本文关键词：燃煤化学链燃烧中煤与铁基载氧体结构与反应性的关系及其相互作用研究

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【摘要】：化石燃料燃烧排放的CO2是导致全球气候变化的主要原因,近年来引起世界各国的普遍关注。与现有的碳捕集技术相比,化学链燃烧技术在实现煤炭高效利用的同时有效降低了COz的捕集能耗,是当前具有发展前景的第二代碳捕集技术。在燃煤化学链燃烧反应体系中,煤、载氧体和反应器是决定系统能量转化效率和CO2捕集效率的关键因素。然而,目前针对煤和载氧体反应性能的研究仅停留在宏观反应器层面,对煤和载氧体结构与反应性的关系及其相互作用机制尚不清楚,在载氧体研发方面还缺乏廉价、高效且适合规模化制备的载氧体以及改性方法。针对以上问题,本文以我国的典型煤种为燃料,选取具有代表性的铁基载氧体,从“结构与反应性”的角度出发,在微观层面上研究了煤和载氧体的结构对系统反应性能的影响以及煤与载氧体之间的相互作用,基于上述研究结果,构建适合燃煤化学链燃烧反应体系的新型双流化床反应器,并在该反应器上进行可行性验证。由于煤的热解反应很快,焦炭的气化反应控制着整个系统的反应速率。基于此,本文通过实验研究和表征手段考察了煤阶(褐煤、烟煤和无烟煤)、热解温度和热解速率对我国典型煤种制得的煤焦的气化反应性能、孔隙结构和微晶结构的影响,并就煤灰与铁基载氧体之间的相互作用进行了分析。结果表明,煤阶越低,煤焦孔隙结构越发达,使得煤焦的气化反应性能更佳；热解温度对三种煤的影响行为不同,褐煤焦随热解温度的升高孔隙结构变差,微晶结构有序化程度升高,煤焦气化反应性能下降,而烟煤焦和无烟煤焦在热解温度为900℃时获得最好的气化反应性能,其中煤焦孔隙结构是影响其反应性能的主要因素；三种快速热解煤焦具有更发达的孔隙结构,微晶结构有序化程度较低,气化反应性能明显优于慢速热解煤焦。煤灰对铁基载氧体理化性质影响的研究表明,三种煤灰均能提高铁基载氧体的反应活性,但都导致铁基载氧体孔隙结构变差,循环反应性能降低。硫酸渣是黄铁矿制备硫酸过程中产生的工业废渣,其主要成分为Fe203和Fe304,本文将硫酸渣作为铁基载氧体与合成的Fe-Al(10nm)载氧体和天然MAC铁矿石进行了性能比较,从反应性、循环热稳定性、机械强度、抗烧结团聚性能等方面考察了三种铁基载氧体的物理结构对系统反应性能的影响,并采用同步辐射原位XRD技术分析了铁基载氧体还原／氧化过程中晶相结构的演变规律。结果表明,硫酸渣因其成本低、反应性能好且具备规模化制备的潜力而具有很好的应用前景。不同因素对硫酸渣反应性能影响的研究表明,随载氧体／燃料质量比和流化介质中水蒸气浓度的增加、煤焦颗粒粒径的减小以及温度的升高,硫酸渣反应性能更好。与Fe-Al(10nm)和MAC铁矿石相比,硫酸渣对煤焦气化反应的促进程度更明显,循环反应热稳定性甚至优于MAC铁矿石,而Fe-Al(10nm)则因抗烧结性能较差导致循环热稳定性降低,但采用双棍挤压造粒法成型的硫酸渣颗粒机械强度和抗磨损性能较差,其中碰撞磨损是影响三种铁基载氧体抗磨损性能的主要原因。对铁基载氧体晶相结构演变规律的分析表明,还原温度为550℃时铁基载氧体发生还原反应,晶体内部分子排列变化明显,晶粒尺寸在经过还原／氧化反应后变大,表明晶粒发生聚集导致铁基载氧体发生烧结。基于主成分分析综合评价模型对铁基载氧体物理结构参数、活性成分含量与其反应性能之间进行了关联和分析,获得了反映铁基载氧体结构参数和活性成分含量信息最多的主成分,建立了铁基载氧体反应性能综合评价模型,模型预测的数据与实验数据吻合较好,证明了主成分分析法在关联载氧体结构与反应性方面的可行性。采用熵权法对铁基载氧体的结构参数和活性成分含量进行了权重分析。结果表明,孔结构参数(总孔容积和比表面积)是影响其反应性能的主要因素,其次为活性成分含量和颗粒密度。针对铁矿石载氧体反应活性低以及现有改性方法成本较高的问题,提出采用生物质灰改性铁矿石的廉价方法,并考察了生物质灰类型、负载比例等因素对MAC铁矿石物理结构和化学反应性能的影响。结果表明,改性MAC铁矿石的物理化学性能与生物质灰中的碱土金属含量和种类及其熔融特性密切相关,虽然三种生物质灰(黄豆秸秆灰、玉米秸秆灰、小麦秸秆灰)均能够提高MAC铁矿石的反应活性,但黄豆秸秆灰因其灰熔点高、碱土金属含量以及K元素含量最高,使得黄豆秸秆灰改性的MAC铁矿石具有最好的孔隙结构和反应性能,且随黄豆秸秆灰含量增加MAC铁矿石反应性能逐渐提高。黄豆秸秆灰改性的MAC铁矿石在循环反应性能方面表现稳定,具有较强的抗烧结能力。基于燃煤化学链燃烧系统的反应特点,提出并构建了燃料反应器采用细长结构设计,且稳定运行状态下为快速流态化的新型加压双流化床中试反应器,以强化反应器内煤颗粒及其气化产物与载氧体颗粒之间的混合程度以及热质交换强度。采用神华烟煤作为燃料、铁矿石作为载氧体对该中试反应器的运行性能进行了考察,并对燃煤加压化学链燃烧技术应用于双流化床反应器的可行性进行了验证。结果表明,该反应器能够实现常压和加压条件下长时间的稳定运行,加煤时间为19个小时,稳定运行时间为13.5个小时,加压条件下能够有效促进挥发分和气化产物的转化程度,使得CO2捕集浓度、碳转化率、气体转化率和系统燃烧效率得到不同程度的提高,铁矿石反应性能表现稳定,未发现颗粒烧结或团聚的现象。
【关键词】：燃煤化学链燃烧 结构与反应性 铁基载氧体 生物质灰改性 双流化床反应器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 主要符号表10-14
• 第一章 绪论14-40
• 1.1 全球变暖与CO_2减排14-15
• 1.2 CO_2减排技术15-17
• 1.2.1 燃烧后CO_2捕集技术16
• 1.2.2 燃烧前脱碳技术16-17
• 1.2.3 富氧燃烧技术17
• 1.3 CCS技术发展需求现状17-18
• 1.4 化学链燃烧技术18-37
• 1.4.1 化学链燃烧技术简介18-20
• 1.4.2 燃煤化学链燃烧技术20-21
• 1.4.3 燃煤化学链燃烧技术关键问题的研究进展及分析21-37
• 1.5 课题的研究背景、目的、思路及内容37-39
• 1.5.1 研究背景和目的37
• 1.5.2 研究思路和内容37-39
• 1.6 本章小结39-40
• 第二章 煤的结构对燃煤化学链燃烧系统反应性能的影响40-61
• 2.1 引言40
• 2.2 基于铁基载氧体燃煤化学链燃烧反应原理40-41
• 2.3 实验部分41-46
• 2.3.1 实验材料41-43
• 2.3.2 实验步骤及工况43-45
• 2.3.3 煤焦和载氧体的表征45
• 2.3.4 数据处理45-46
• 2.4 实验结果与讨论46-59
• 2.4.1 煤阶对燃煤化学链燃烧系统反应性能的影响46-49
• 2.4.2 热解温度和热解速率对燃煤化学链燃烧系统反应性能的影响49-55
• 2.4.3 煤灰对Fe-Al(10nm)载氧体理化性质的影响55-59
• 2.5 本章小结59-61
• 第三章 铁基载氧体结构对燃煤化学链燃烧系统反应性能的影响61-78
• 3.1 引言61-62
• 3.2 实验部分62-63
• 3.2.1 实验材料62
• 3.2.2 实验装置及步骤62-63
• 3.2.3 数据处理63
• 3.3 实验结果与讨论63-76
• 3.3.1 三种铁基载氧体的性能评价63-75
• 3.3.2 铁基载氧体还原/氧化过程中的晶相结构分析75-76
• 3.4 本章小结76-78
• 第四章 铁基载氧体反应性能综合评价体系的建立78-89
• 4.1 引言78
• 4.2 多指标综合评价简介78-79
• 4.3 主成分分析法79-81
• 4.3.1 主成分分析法原理79-81
• 4.3.2 主成分分析法的改进81
• 4.4 铁基载氧体反应性能综合评价体系的建立81-88
• 4.4.1 铁基载氧体反应性能测试81-83
• 4.4.2 主成分求解过程83-85
• 4.4.3 载氧体结构与反应性的关联85-86
• 4.4.4 指标权重的确定86-88
• 4.5 本章小结88-89
• 第五章 生物质灰改性铁矿石的燃煤化学链燃烧反应特性研究89-106
• 5.1 引言89
• 5.2 实验部分89-92
• 5.2.1 实验材料89-91
• 5.2.2 实验装置及步骤91
• 5.2.3 数据处理91-92
• 5.3 实验结果与讨论92-105
• 5.3.1 生物质灰类型的影响92-94
• 5.3.2 生物质灰与煤灰改性的MAC铁矿石反应性能比较94-96
• 5.3.3 生物质灰和褐煤灰对MAC铁矿石微观结构的影响96-98
• 5.3.4 黄豆秸秆灰负载比例对MAC-SSA载氧体反应性能的影响98-99
• 5.3.5 MAC-20SSA载氧体反应性能评价99-103
• 5.3.6 生物质灰提高MAC铁矿石反应性的机理探讨103-105
• 5.4 本章小结105-106
• 第六章 基于铁矿石载氧体燃煤加压化学链燃烧中试试验研究106-124
• 6.1 引言106-107
• 6.2 试验部分107-112
• 6.2.1 试验材料107
• 6.2.2 中试反应器及辅助系统107-110
• 6.2.3 试验步骤及工况110-111
• 6.2.4 性能指标及分析方法111-112
• 6.3 试验结果及讨论112-123
• 6.3.1 中试反应器的运行特性分析112-115
• 6.3.2 中试反应器的性能指标分析115-117
• 6.3.3 飞灰特性分析117-118
• 6.3.4 反应压力对铁矿石物理结构的影响118-120
• 6.3.5 运行时间对载氧体理化性质的影响120-121
• 6.3.6 铁基载氧体与钙基载氧体的比较121-123
• 6.4 本章小结123-124
• 第七章 全文总结及展望124-127
• 7.1 全文总结124-126
• 7.2 论文创新点126
• 7.3 研究展望126-127
• 致谢127-128
• 参考文献128-147
• 作者简介147-148
• 攻读博士学位期间的学术成果148-150

【参考文献】

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1 严鸿和,陈玉祥,许昭明,杨皖苏;专家评分机理与最优综合评价模型[J];系统工程理论与实践;1989年02期

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本文编号：547250