固體燃料化學鏈燃燒技術的研究進展

張曉磊

(上海理工大學,上海 300457)

固體燃料化學鏈燃燒技術的研究進展

張曉磊

(上海理工大學,上海 300457)

實現二氧化碳內分離,可以采用化學鏈燃燒的方法,化學鏈燃燒還可以提高燃燒的效率,減少不必要的污染。地球上固體燃料富足,固體燃料化學鏈燃燒技術的研究可以充分利用這些豐富的燃料,并且實現固體燃料燃燒的高效性、經濟性和環保性,具有非常實用的經濟價值和環保價值。本文將總結目前固體燃料化學鏈燃燒技術的研究進展,并提出目前化學鏈燃燒還面臨的技術問題,及日后的研究方向。

固體燃料 化學鏈 研究進展

目前，隨著社會人口、科技、經濟不斷發展，規模不斷擴大，人們對能源的需求越來越大，同時由能源使用造成的問題也開始不斷升級，例如，光化學煙霧，酸雨，以及由二氧化碳過量排放引發的溫室效應等。而二氧化碳過量排放作為全球氣候變暖的罪魁禍首，減少二氧化碳排放量、倡導低碳生活迫在眉睫。由此，固體燃料化學鏈燃燒技術開始進入人們的視野，成為人們熱衷研究的一項新型環保技術。

1 化學鏈燃燒技術的基本內容

化學鏈燃燒技術(CLC)是新型燃燒概念的一個衍生物，該技術最引人注目的一點便是其燃燒過程可以免能耗自動分離二氧化碳。其原理簡述如下：借助氧載體的功能，把傳統的燃料與空氣直接接觸的燃燒分成兩個部分，即兩個氣固反應，避免了燃料和空氣的直接接觸，并借助氧載體的作用把空氣中的氧氣導入燃料中。CLC系統包含兩個流化床反應器，空氣反應器和燃料反應器，而且這兩者并不是相互分離的。固態的氧載體在空氣反應器和燃料反應器之間互相循環，二燃料進入燃料反應器后背氧載體氧化，在氧化透徹后產生二氧化碳和水蒸氣。因為在整個過程中空氣的濃度可以維持在一定水平，即沒有被稀釋，所以可以得到較高純度的生成物，只需將水蒸氣冷凝，便可得到較純凈的二氧化碳。其反應方程式如下：(2n+m)MyOx+CnH2m→(2n+m)MyOx-1+mH2O+nCO2。當燃料反應器中的反應結束后，被還原的氧載體被傳入空氣反應器，再發生氧化反應被氧化，得到新的氧載體，反應方程式如下：MyOx-1+1/2O2↑→MyOx。

據上述內容可知，CLC的整個過程中，二氧化碳的分離是無需消耗能量的，而且氧載體的再氧化也是在低溫條件下進行，避免了氮氧化物的生成，生成的其他物質基本都是氮氣和剩余的氧氣，不會對環境造成污染，可直接排放。

2 CLC的研究進展

隨著CLC研究的不斷深入，學者們將研究的重心集中在了這四個方面：(1)氧載體的選擇和制作；(2)燃燒反應器的設計和制作；(3)反應過程的具體分析和數據模擬；(4)化學鏈燃燒技術的更新和擴展。

2.1 氧載體的研究

就目前的趨勢而言，在氧載體的實際使用中，使用較多的當屬過渡金屬氧化物。在被還原的氧載體通過空氣反應器再氧化時，可為燃料反應器提供晶格氧的同時將空氣反應器中產生的熱能 傳送到燃料反應器中，供化學反應使用。由此可知，氧載體的性能的好壞是整個CLC系統的重中之重，其性能可概括為這五點：(1)反應速率和氣體的選擇性能；(2)氧化傳熱能力；(3)抗燒結、結團、碎裂的物理性能；(4)無毒性，是否為環保材料；(5)價格是否低廉，生產成本是否合理等。一般情況下，在氧載體的使用過程中，可在其中添加惰性載體和活性金屬氧化物，借此來提高它的總體性能。

2.2 反應器的研究

2001年，有學者提出一個新型的反應器模型：高速提升管制成的空氣反應器和低速鼓泡的流化床充當的燃料反應器相互串聯組成。這種系統解決了流化床之間的漏氣問題，并實現了氧載體的循環使用，受到了業界人士的廣泛支持，更成為許多研究人員設計反應器的基礎。還有學者提出了另一種燃燒裝置，這種裝置可細分為四個結構：空氣反應器、燃料反應器和旋風分離器以及提升管。根據多次實驗證實，該種裝置的使用更為穩定合理，且運行中內部基本不出問題，問題多為外部因素造成，如進料。還有學者提出了圓錐形石英管反應器，分為兩部分：上面作為分離區，防止固體物質流失；下面作為反應區，進行固體燃料時的各種物理化學反應。在進行實驗時發現，在反應中添加氫氣，可降低固體燃料的氣化程度，以此來提高碳的轉化程度。

2.3 化學鏈的更新

眾多的實驗表明，化學鏈重整的相關技術是科學可行的，而且合理的重整可以極大的提高到96%-100%。從基本原理來看，化學鏈氣化的相關操作基本可以用于固體燃料的的氣化，目前，國內外許多研究人員也開始關注固體燃料的氣化，即化學鏈氣化技術。而在CLC的基礎上發展產生而來的化學鏈制氫技術也對CLC的發展研究起到了一定程度的促進作用。

3 研究中還存在的問題

目前，雖然CLC的研究在不斷的深入和前進，但其中仍然不乏問題的出現，還有許多問題需要學者們更加細致長久的探討研究。例如：(1)就反應機理而言，氧載體是固體，再與固體燃料反應，這種反應的是實質究竟是何種反應，是固體與固體之間的直接反應，還是有中間過程的反應，又或者是兩者結合一同發生或者分部發生，而不同的反應部分又有哪些環節不同等。(2)化學鏈燃燒反應器還需要進一步的設計和優化，以期獲得更加穩定、直觀的數據以供研究，固體燃料的轉化率和二氧化碳的生成率也還需要深入的研究。(3)氧載體方面還需要更多的研究，將研制或發現反應活性更強、價格便宜且環保的氧載體作為研究的關鍵之一。研究也不能僅限于金屬氧化物，要擴展到其他類型的物質，例如以CaSO4為主的非金屬類物質的氧載體。

4 結語

CLC與傳統的燃燒方式相比較而言，CLC更易提高能源的使用效率，同時還能減少對環境的污染。根據目前我國的能源結構中，大多是以煤為主，固體燃料化學鏈技術的研究和發展對能源的可持續使用和環境的可持續發展方面都有著不可替代的重要作用。但對該技術的認知和使用還需要不斷的完善，包括反應器、氧載體的內部因素和進料、空氣等其他外部因素對反應過程的影響。

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