串行流化床化学链空分制氧系统建模及性能优化研究
发布时间：2020-11-18 18:36
二氧化碳捕集与封存(CCS)技术能有效减少全球二氧化碳排放量。作为CCS技术之一,富氧燃烧极具工业应用前景。然而,其空分制氧单元具有高能耗和高成本的不足,严重阻碍了富氧燃烧技术的进一步商业化推广。作为一种新型制氧方法,化学链空分(CLAS)技术能为富氧燃烧电厂提供经济高效的氧气。为理解CLAS过程特性,本文以基于流化床的CLAS为研究对象,建立复杂串行流化床反应器模型,辨识运行参数对系统性能的影响,优化系统热力学性能,提出新型双快速流化床CLAS系统,从而为新型化学链制氧技术的发展提供理论依据与参考。在模型建立过程中,氧化反应器和还原反应器分别建立为快速流化床模型和鼓泡流化床模型,考虑流化床水力学特性和氧载体氧化还原反应动力学,充分体现了 CLAS过程的独特特征。过程模拟结果与实验结果之间具有良好的一致性,验证了所构建的过程模型的合理性。通过运行参数单变量分析发现,较高的还原温度和较高的流化气体流量能提高氧载体转化率与减少还原反应器的能量供应。基于最小单位能耗的多变量优化结果表明,较初始工况系统而言,可实现38.1%的节能,优化后的氧化反应器温度、还原反应器温度,空气流量和流化气体流量分别为830℃、950℃、1133.7 L/h和58.4 L/h。为进一步提升CLAS系统性能,基于化学链流化床反应器设计方法,设计出产氧量为1 t/h的新型双快速流化床CLAS系统。根据设计参数,构建CLAS双快速流化床反应器的过程模型2.0,充分考虑双快速流化床特性,考虑冷热物流换热网络,以提升热量有效利用。结果显示,氧载体还原反应的转化率高达67.3%,还原反应器的出口氧浓度接近该温度下氧平衡浓度,而氧载体的氧化转化率为87.3%,氧化反应器的出口氧浓度为13.5%,系统单位能耗为18.54 kWh/m3。与快速-鼓泡串行流化床CLAS系统相比,氧载体还原转化率和系统能量性能均有显著提升,表明新型双快速流化床反应器形式更适用于CLAS过程。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ116.14
【部分图文】：
理与ＣＬＣ相似。ＣＬＣ是清洁高效的新型燃烧方式，由德国科学家Ｒｉｃｈｔｅｒ于１９８３年??提出［１１］，此后人们发现这种无火焰燃烧的方式具有Ｃ０２内富集的特征，证实是燃??料燃烧之后Ｃ０２捕获最为有效的方法之一?ｔＩＣＬＣ系统（如图１．１所示）主要包括燃料??反应器与空气反应器，氧载体在燃料反应器中与燃料进行反应，主要生成物为Ｃ０２??和水蒸气与低价态的氧载体，而低价态的氧载体又在空气反应器中和空气中的氧??气发生氧化反应，携带燃料完全燃烧所需的氧，生成高价态的氧载体，氧化还原??反应方程见式（１．１）和式（１．２）所示。对于传统固体燃料的ＣＬＣ来说，该法有一些不??足之处，尤其是固体与固体之间反应速率极低而影响系统的效率。为使固体燃料??氧载体进行有效燃烧，Ｍａｔｔｉｓｓｏｎ等人［１２］提出化学链氧解耦燃烧（Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｌｏｏｐｉｎｇ??ｏｘｙｇｅｎ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ＣＬＯＵ）。ＣＬＯＵ过程有三个步骤如下：固体燃料在燃料反应器中??气化、氧载体释氧与气体燃料反应、氧载体在空气反应器中氧化再生（吸氧）。受??到化学链技术发展的鼓舞以及受克服传统空分制氧缺点的动力驱使
理与ＣＬＣ相似。ＣＬＣ是清洁高效的新型燃烧方式，由德国科学家Ｒｉｃｈｔｅｒ于１９８３年??提出［１１］，此后人们发现这种无火焰燃烧的方式具有Ｃ０２内富集的特征，证实是燃??料燃烧之后Ｃ０２捕获最为有效的方法之一?ｔＩＣＬＣ系统（如图１．１所示）主要包括燃料??反应器与空气反应器，氧载体在燃料反应器中与燃料进行反应，主要生成物为Ｃ０２??和水蒸气与低价态的氧载体，而低价态的氧载体又在空气反应器中和空气中的氧??气发生氧化反应，携带燃料完全燃烧所需的氧，生成高价态的氧载体，氧化还原??反应方程见式（１．１）和式（１．２）所示。对于传统固体燃料的ＣＬＣ来说，该法有一些不??足之处，尤其是固体与固体之间反应速率极低而影响系统的效率。为使固体燃料??氧载体进行有效燃烧，Ｍａｔｔｉｓｓｏｎ等人［１２］提出化学链氧解耦燃烧（Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｌｏｏｐｉｎｇ??ｏｘｙｇｅｎ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ＣＬＯＵ）。ＣＬＯＵ过程有三个步骤如下：固体燃料在燃料反应器中??气化、氧载体释氧与气体燃料反应、氧载体在空气反应器中氧化再生（吸氧）。受??到化学链技术发展的鼓舞以及受克服传统空分制氧缺点的动力驱使
?工程硕士学位论文??热量可以由还原反应器中的热物流和氧化反应器出口的热空气流抵消一部分，如??图１．３所示；这些热量可以通过不同冷热物流之间在一系列的热交换器中进行换热??得到，另外ＣＬ?ＡＳ系统额外所需的热量通过电力提供。Ｍｏ?ｇｈｔａｄｅｒｉ［?１?Ｇ］建立了如图１．３??所示的初始ＣＬＡＳ流程，经过简单的质量与能量平衡计算发现ＣＬＡＳ系统所需的热??量明显比深冷空分系统要少，ＣＬＡＳ过程的平均能耗约为０．０８ｋＷｈ／ｍ３，仅仅为先??进深冷空分系统能耗的２６％，尽管先进的冷冻分离系统能将功耗降至０．３?ｋＷｈ／ｍ３，??可其功耗仍旧将近ＣＬＡＳ过程的４倍之高。基于此，可以说ＣＬＡＳ过程有潜力且能??创造性地去变革和改进空分制氧系统的性能。??Ｈｏｔ?Ｒｅｄｕｃｅｄ?Ｏｊ?／?Ｆｌｕｅ－ｇａｓ?Ｍｉｘｔｕｒｅ??Ａｉｒ?ｆ???Ｍｅｘ〇ｖ?????ｗ?Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ?Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ??Ｒｅａｃｔｏｒ?Ｒｅａｃｔｏｒ??Ｉ?Ｍｅｘ〇ｖ＾?■??４?ｉ?Ｈｏｔ?Ｒｅｃｙｃｌｅｄ“????Ｐｒｅｈｅａｔｅｄ?Ｆｌｕｅ－ｇａｓ??Ａｉｒ????＜￣（Ｌ?ｐ：￣￣＞??ＴＴ??Ｒｅｄｕｃｅｄ?Ｆｒｅ＾ｈ?Ｒｅｃｙｃｌｅｄ??Ａｉｒ?Ａｉｒ?Ｆｌｕｅ－ｇａｓ??图１．３化学链空分技术的流程??１．３化学链空分技术研究进展??１．３．１适宜的氧载体??不论是先前提到的ＣＬＣ和ＣＬＯＵ技术，还是ＣＬＡＳ过程的成功实现，都与适合??的金属氧载体密不可分。在化学链系统中，载氧体的选择至关重要，因载氧体在??高温下的反应器中循环使用
【参考文献】
本文编号：2889059
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ116.14
【部分图文】：
理与ＣＬＣ相似。ＣＬＣ是清洁高效的新型燃烧方式，由德国科学家Ｒｉｃｈｔｅｒ于１９８３年??提出［１１］，此后人们发现这种无火焰燃烧的方式具有Ｃ０２内富集的特征，证实是燃??料燃烧之后Ｃ０２捕获最为有效的方法之一?ｔＩＣＬＣ系统（如图１．１所示）主要包括燃料??反应器与空气反应器，氧载体在燃料反应器中与燃料进行反应，主要生成物为Ｃ０２??和水蒸气与低价态的氧载体，而低价态的氧载体又在空气反应器中和空气中的氧??气发生氧化反应，携带燃料完全燃烧所需的氧，生成高价态的氧载体，氧化还原??反应方程见式（１．１）和式（１．２）所示。对于传统固体燃料的ＣＬＣ来说，该法有一些不??足之处，尤其是固体与固体之间反应速率极低而影响系统的效率。为使固体燃料??氧载体进行有效燃烧，Ｍａｔｔｉｓｓｏｎ等人［１２］提出化学链氧解耦燃烧（Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｌｏｏｐｉｎｇ??ｏｘｙｇｅｎ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ＣＬＯＵ）。ＣＬＯＵ过程有三个步骤如下：固体燃料在燃料反应器中??气化、氧载体释氧与气体燃料反应、氧载体在空气反应器中氧化再生（吸氧）。受??到化学链技术发展的鼓舞以及受克服传统空分制氧缺点的动力驱使
理与ＣＬＣ相似。ＣＬＣ是清洁高效的新型燃烧方式，由德国科学家Ｒｉｃｈｔｅｒ于１９８３年??提出［１１］，此后人们发现这种无火焰燃烧的方式具有Ｃ０２内富集的特征，证实是燃??料燃烧之后Ｃ０２捕获最为有效的方法之一?ｔＩＣＬＣ系统（如图１．１所示）主要包括燃料??反应器与空气反应器，氧载体在燃料反应器中与燃料进行反应，主要生成物为Ｃ０２??和水蒸气与低价态的氧载体，而低价态的氧载体又在空气反应器中和空气中的氧??气发生氧化反应，携带燃料完全燃烧所需的氧，生成高价态的氧载体，氧化还原??反应方程见式（１．１）和式（１．２）所示。对于传统固体燃料的ＣＬＣ来说，该法有一些不??足之处，尤其是固体与固体之间反应速率极低而影响系统的效率。为使固体燃料??氧载体进行有效燃烧，Ｍａｔｔｉｓｓｏｎ等人［１２］提出化学链氧解耦燃烧（Ｃｈｅｍｉｃａｌ?ｌｏｏｐｉｎｇ??ｏｘｙｇｅｎ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ＣＬＯＵ）。ＣＬＯＵ过程有三个步骤如下：固体燃料在燃料反应器中??气化、氧载体释氧与气体燃料反应、氧载体在空气反应器中氧化再生（吸氧）。受??到化学链技术发展的鼓舞以及受克服传统空分制氧缺点的动力驱使
?工程硕士学位论文??热量可以由还原反应器中的热物流和氧化反应器出口的热空气流抵消一部分，如??图１．３所示；这些热量可以通过不同冷热物流之间在一系列的热交换器中进行换热??得到，另外ＣＬ?ＡＳ系统额外所需的热量通过电力提供。Ｍｏ?ｇｈｔａｄｅｒｉ［?１?Ｇ］建立了如图１．３??所示的初始ＣＬＡＳ流程，经过简单的质量与能量平衡计算发现ＣＬＡＳ系统所需的热??量明显比深冷空分系统要少，ＣＬＡＳ过程的平均能耗约为０．０８ｋＷｈ／ｍ３，仅仅为先??进深冷空分系统能耗的２６％，尽管先进的冷冻分离系统能将功耗降至０．３?ｋＷｈ／ｍ３，??可其功耗仍旧将近ＣＬＡＳ过程的４倍之高。基于此，可以说ＣＬＡＳ过程有潜力且能??创造性地去变革和改进空分制氧系统的性能。??Ｈｏｔ?Ｒｅｄｕｃｅｄ?Ｏｊ?／?Ｆｌｕｅ－ｇａｓ?Ｍｉｘｔｕｒｅ??Ａｉｒ?ｆ???Ｍｅｘ〇ｖ?????ｗ?Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ?Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ??Ｒｅａｃｔｏｒ?Ｒｅａｃｔｏｒ??Ｉ?Ｍｅｘ〇ｖ＾?■??４?ｉ?Ｈｏｔ?Ｒｅｃｙｃｌｅｄ“????Ｐｒｅｈｅａｔｅｄ?Ｆｌｕｅ－ｇａｓ??Ａｉｒ????＜￣（Ｌ?ｐ：￣￣＞??ＴＴ??Ｒｅｄｕｃｅｄ?Ｆｒｅ＾ｈ?Ｒｅｃｙｃｌｅｄ??Ａｉｒ?Ａｉｒ?Ｆｌｕｅ－ｇａｓ??图１．３化学链空分技术的流程??１．３化学链空分技术研究进展??１．３．１适宜的氧载体??不论是先前提到的ＣＬＣ和ＣＬＯＵ技术，还是ＣＬＡＳ过程的成功实现，都与适合??的金属氧载体密不可分。在化学链系统中，载氧体的选择至关重要，因载氧体在??高温下的反应器中循环使用
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 赵亚仙;向文国;陈时熠;;化学链高温空分制氧性能评价[J];东南大学学报(自然科学版);2013年04期
本文编号：2889059
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/2889059.html
