基于鐵礦石載氧體的氣體燃料化學(xué)鏈燃燒特性與氣固流動模擬研究.pdf

1、化石燃料的使用加劇了大氣中CO2的排放，由CO2等溫室氣體引起的全球變暖現(xiàn)象已經(jīng)給生態(tài)環(huán)境和人類社會帶來巨大災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失?；瘜W(xué)鏈燃燒(Chemical Looping Combustion，CLC)是一種具有CO2內(nèi)分離特點(diǎn)，不需要額外的能量消耗，且能提高燃料化學(xué)能品味的一種潔凈高效的燃燒方式。它使用載氧體在空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器間循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氧的轉(zhuǎn)移，避免了燃料與空氣中的氧分子直接接觸反應(yīng)。燃料在燃料反應(yīng)器中生成CO2/H2O，僅需通

2、過低能耗的冷凝過程就可實(shí)現(xiàn)CO2的高濃度富集。載氧體的性能對整個化學(xué)鏈燃燒過程至關(guān)重要，天然鐵礦石因具有原料廣泛、價格低廉、環(huán)境友好和無二次污染等優(yōu)勢，是一種實(shí)現(xiàn)化學(xué)鏈燃燒比較理想的載氧體材料。鐵礦石載氧體的應(yīng)用能降低CO2捕集成本，其反應(yīng)特性是亟需探討的問題。
　　本文首先對基于鐵礦石載氧體的還原反應(yīng)特性開展研究，在此基礎(chǔ)上采用鉀基催化劑對鐵礦石載氧體進(jìn)行修飾，提高載氧體的還原反應(yīng)活性，并在化學(xué)鏈燃燒串行流化床上進(jìn)行實(shí)驗研究，并

3、對該反應(yīng)器的氣固兩相流動規(guī)律開展模擬研究。
　　在小型流化床反應(yīng)器上開展鐵礦石載氧體和氣體燃料CO的化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)實(shí)驗，考察反應(yīng)溫度和還原性氣體濃度的影響以及CO-Fe2O3反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明:反應(yīng)溫度為750～850℃時，鐵礦石載氧體轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間增加和反應(yīng)溫度升高而增加，在反應(yīng)后期趨于平衡，且反應(yīng)溫度高于800℃時，鐵礦石載氧體轉(zhuǎn)化率變化不明顯，反應(yīng)速率變化小。還原反應(yīng)后的鐵礦石載氧體顆粒表面氣孔基本消失，多孔結(jié)構(gòu)不明顯，部

4、分區(qū)域覆蓋有燒結(jié)物質(zhì)，阻礙CO向鐵礦石載氧體的活性中心擴(kuò)散，導(dǎo)致還原反應(yīng)速率降低。當(dāng)溫度在750℃到950℃區(qū)間時，CO濃度低于20％時，F(xiàn)e2O3還原生成的Fe3O4能穩(wěn)定存在，且在此溫度區(qū)間下Fe3O4較難被還原為更低價態(tài)的FeO和單質(zhì)Fe。
　　利用1kWth串行流化床反應(yīng)器，在反應(yīng)溫度800～930℃范圍內(nèi)對浸漬制備的K2CO3修飾鐵礦石載氧體進(jìn)行可行性分析。通過對氣體串混現(xiàn)象的研究，表明1kWth串行流化床中隔離器的設(shè)計

5、能夠有效的避免燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器間氣體串混，保證了在燃料反應(yīng)器內(nèi)無N2存在，可獲得高濃度的CO2。在燃料反應(yīng)器中，純鐵礦石和鉀基修飾鐵礦石作為載氧體時，隨著反應(yīng)溫度的升高，均呈現(xiàn)CO濃度降低、CO2濃度升高和CO轉(zhuǎn)化率增加的趨勢。在相同溫度下，與純鐵礦石載氧體相比，鉀基修飾鐵礦石載氧體能有效提高CO2濃度和CO轉(zhuǎn)化率值，這是由于堿金屬離子K+提高了鐵礦石載氧體反應(yīng)活性，加快反應(yīng)速率，促進(jìn)了還原反應(yīng)的進(jìn)行。在燃料反應(yīng)器內(nèi)，由于鐵礦石的

6、催化作用，CO會發(fā)生析碳反應(yīng)，析出的碳附著在鐵礦石載氧體顆粒表面，進(jìn)入空氣反應(yīng)器與O2反應(yīng)生成CO2。浸漬煅燒后的鐵礦石表面檢測到KFe11O17，呈尖晶石結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好。鐵礦石和鉀基修飾鐵礦石載氧體的還原指數(shù)分別為0.74和1.45，與鐵礦石相比較，鉀基修飾鐵礦石載氧體中有更多的Fe2O3被還原為Fe3O4，傳遞氧的速率更快。
　　采用計算流體力學(xué)軟件FLUENT14.0對東南大學(xué)1kWth化學(xué)鏈串行流化床進(jìn)行冷態(tài)模擬，研究氣固

7、兩相流動模型的循環(huán)過程和動力特性，對固相顆粒的濃度、速度分布和氣相的相對壓力、串混現(xiàn)象進(jìn)行全面的分析。結(jié)果表明:該化學(xué)鏈串行流化床的空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器之間能夠?qū)崿F(xiàn)載氧體顆粒的傳遞，在流化啟動3秒后能夠自平衡，空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定流化狀態(tài)，維持正常的物料平衡。燃料反應(yīng)器內(nèi)氣固界面清晰，鼓泡特征明顯，顆粒流化質(zhì)量高，且床內(nèi)顆?；旌暇鶆颍軌驖M足載氧體顆粒與氣體燃料還原反應(yīng)的要求。燃料反應(yīng)器存在三段不同的流化區(qū)域:下部是鼓泡段，

8、濃度波動比較大;中部是流化段，濃度相對的均勻;上部是懸浮段，濃度分布較小;氣泡能夾帶顆粒向上運(yùn)動，到達(dá)一定高度時，氣泡破碎，顆粒被拋撒下落，床中心處氣泡的體積份額較大，造成床內(nèi)局部空隙率增大?？諝夥磻?yīng)器成快速流化狀態(tài)，顆粒濃度較小，在頂部顆粒體積濃度小于0.15％?？諝夥磻?yīng)器下部分形成多處環(huán)核流動，顆粒濃度分布不均勻;上部分，濃度分布較均勻，環(huán)核流動消失，顆?？焖偕仙?。隨著載氧體顆粒達(dá)到穩(wěn)定循環(huán)，串行流化床內(nèi)的壓力已基本達(dá)到穩(wěn)定，各個反

9、應(yīng)段壓差分布明顯。鑒于載氧體的氧化反應(yīng)速度顯著大于其還原反應(yīng)速度，和空氣反應(yīng)器內(nèi)空氣氧化載氧體過程相比，氣體燃料在燃料反應(yīng)器內(nèi)需要充足的停留時間，滿足氣體燃料充分被載氧體氧化的要求。燃料反應(yīng)器內(nèi)的壓降明顯高于空氣反應(yīng)器內(nèi)的壓降，表明化學(xué)鏈燃燒過程中載氧體主要分布在燃料反應(yīng)器內(nèi)，約占80％，而在隔離器和空氣反應(yīng)器內(nèi)分別只有10％的載氧體;表明該反應(yīng)器能夠滿足氣體燃料在燃料反應(yīng)器內(nèi)被載氧體充分氧化。同時，數(shù)值模擬結(jié)果表明:設(shè)計的新型隔離器能