化學(xué)鏈制氫與CO2捕集系統(tǒng)集成與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、CO2是一種溫室氣體，人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2排放是導(dǎo)致全球氣候變化的主要原因。為了維持人類的生存和可持續(xù)發(fā)展，避免未來(lái)全球氣候性災(zāi)難，CO2減排勢(shì)在必行?；瘜W(xué)鏈作為一種新型的分離含碳能源轉(zhuǎn)化過程中CO2的技術(shù)，可以在能量釋放與轉(zhuǎn)換過程中有效實(shí)現(xiàn)CO2的分離和捕集，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景?；瘜W(xué)鏈技術(shù)包括化學(xué)鏈燃燒、化學(xué)鏈制氫和鈣基鏈?zhǔn)街茪涞纫幌盗谢瘜W(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程?；瘜W(xué)鏈技術(shù)可以結(jié)合燃料電池以及燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)含碳能源高效清潔發(fā)電和

2、制氫。
　　本文圍繞化學(xué)鏈技術(shù)，選擇煤作為燃料，采用煤氣化、固體氧化物燃料電池和燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)，構(gòu)建新型煤氣化化學(xué)鏈聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，協(xié)同制氫與CO2捕集。利用Aspen軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬;在熱重和小型流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)鐵基載氧體的化學(xué)鏈制氫特性進(jìn)行考察;設(shè)計(jì)建造基于疊式流化床燃料反應(yīng)器的化學(xué)鏈制氫三聯(lián)床反應(yīng)器，并在三聯(lián)床反應(yīng)器上進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)。
　　鐵基化學(xué)鏈制氫耦合鎳基化學(xué)鏈燃燒聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)利用鐵基載氧體鏈?zhǔn)街茪洌嚮d氧

3、體化學(xué)鏈燃燒，實(shí)現(xiàn)CO2分離富集。系統(tǒng)無(wú)補(bǔ)燃時(shí)，當(dāng)量效率為57.95％，CO2捕集效率為～100％。提高補(bǔ)燃溫度，系統(tǒng)發(fā)電效率增加，制氫效率下降，CO2排放量升高。改變鐵氧化物的循環(huán)流率可以調(diào)節(jié)氫電比。NiO載氧體中隋性載體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ni-FR溫度、Ni-AR溫度、Fe-FR溫度和Fe-SR的溫度對(duì)系統(tǒng)發(fā)電效率、制氫效率和CO2捕集效率有顯著影響。
　　鐵基載氧體化學(xué)鏈制氫結(jié)合固體氧化物燃料電池聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)通過鐵基載氧體三反應(yīng)器

4、化學(xué)鏈過程制取氫氣并分離CO2，氫氣進(jìn)入燃料電池發(fā)電，對(duì)燃料電池排氣補(bǔ)燃并進(jìn)行燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)。系統(tǒng)可以獲得43.5％的發(fā)電效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。較高的燃料電池溫度、壓力和燃料利用系數(shù)有利于增加系統(tǒng)發(fā)電效率。CO2透平的最佳排氣壓力取決于系統(tǒng)工作壓力。蒸汽反應(yīng)器溫度、燃料電池進(jìn)口氣體預(yù)熱方式對(duì)系統(tǒng)效率影響甚微。
　　固體氧化物燃料電池耦合化學(xué)鏈燃燒發(fā)電系統(tǒng)通過煤氣化獲得合成氣，進(jìn)入固體氧化物燃料電池發(fā)電，燃料電池排氣進(jìn)入化

5、學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)燃料氣體完全轉(zhuǎn)化，分離CO2。采用NiO作為載氧體時(shí)，發(fā)電效率高達(dá)49.8％。較高的固體氧化物燃料電池溫度和燃料利用系數(shù)可以提高整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率。系統(tǒng)發(fā)電效率隨壓力升高先增加后減少。提高空氣反應(yīng)器溫度可以增加系統(tǒng)發(fā)電效率，提高燃料反應(yīng)器溫度則會(huì)降低系統(tǒng)發(fā)電效率。燃料利用系數(shù)、燃料電池溫度和壓力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電效率的影響較小，主要是后續(xù)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)對(duì)燃料電池起互補(bǔ)作用。系統(tǒng)的最大(炯)損失在氣化爐，其次在CO2壓

6、縮存儲(chǔ)，第三在燃料電池。
　　鈣基煤氣化疊式流化床制氫協(xié)同二氧化碳捕集，通過疊式流化床反應(yīng)器的提升管對(duì)氣化反應(yīng)器的產(chǎn)物氣體進(jìn)行CO2二次吸收，可以進(jìn)一步提高氫氣濃度。在典型工況下，系統(tǒng)的制氫效率可以達(dá)到58.5％，直接離開反應(yīng)器的氫氣濃度高達(dá)93.7％。氫氣的產(chǎn)量和濃度隨蒸汽流量和CaO循環(huán)流量增加而提高。提高系統(tǒng)壓力會(huì)增加氣體中甲烷的產(chǎn)量，并導(dǎo)致CaO再生溫度升高。氣化反應(yīng)器中最高的碳轉(zhuǎn)化率為0.65。
　　煤氣化耦合鈣基

7、富氫脫碳聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)使用CaO吸收煤氣化合成氣中的CO2，促進(jìn)水汽變換反應(yīng)，獲得富氫氣體進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，系統(tǒng)發(fā)電效率和CO2捕集效率相比其它煤基發(fā)電碳捕集系統(tǒng)沒有優(yōu)勢(shì)?；赟hell干法氣化技術(shù)的系統(tǒng)效率略高于基于GE水煤漿氣化技術(shù)的系統(tǒng)。提高水汽變換吸收反應(yīng)器溫度和H2O/CO摩爾比可以增加系統(tǒng)發(fā)電效率，降低CO2捕集效率。提高水汽變換吸收反應(yīng)器的壓力可以同時(shí)增加系統(tǒng)發(fā)電效率和CO2捕集效率，但會(huì)導(dǎo)致CaO再生溫度過高。
　　

8、采用機(jī)械混合法制備了基于Al2O3和TiO2惰性載體的Fe2O3載氧體，在熱重分析儀和流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，載氧體在多次還原、蒸汽氧化和空氣氧化循環(huán)中保持良好的反應(yīng)活性。隨著Al2O3惰性載體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，載氧體活性增加?；贏l2O3的載氧體活性優(yōu)于基于TiO2的載氧體?；赥iO2惰性載體的Fe2O3在多次循環(huán)后會(huì)形成FeTiO3。載氧體隨溫度升高還原程度越深，氫氣產(chǎn)量越多。較低的鐵氧化物還原溫度易導(dǎo)致還原過程積碳，影響蒸汽氧化過程中氫氣