以煤為燃料的化學鏈燃燒研究進展

冷國文+王嚴+李圳午

（西華大學理學院 610039）

摘要：文章從國內(nèi)煤化學鏈燃燒技術的研究和發(fā)展狀況出發(fā)， 分析了其技術特點、限制環(huán)節(jié)、改進措施和發(fā)展方向。相對于以煤氣化產(chǎn)物為燃料的煤間接化學鏈燃燒技術， 直接以煤為燃料的化學鏈燃燒技術系統(tǒng)簡單、運行成本低， 具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。

關鍵詞：煤；化學鏈燃燒技術；氧載體；研究進展

0 前言

溫室氣體排放帶來的全球變暖問題正在引起人們的重視。CO2作為最主要的溫室氣體， 研究CO2減排技術迫在眉睫。煙氣中的CO2常常被大量氮氣稀釋， CO2的分離與回收成本很高。在燃燒過程中生成高濃度的CO2或便于CO2分離的氣相混合物， 同時消除其他污染物的生成、排放是一條有效途徑。化學鏈燃燒（ Chemical-Looping Combust ion， 簡稱CLC） 正是具有上述特性的一種新型燃燒方式， 已經(jīng)受到了較多的關注。

1 以煤為燃料的化學鏈燃燒研究現(xiàn)狀分析

目前，以煤為燃料的化學鏈燃燒尚處于實驗室測試階段。在載氧體方面，考慮到煤熱解產(chǎn)物及煤灰對載氧體的污染，以及排灰造成的載氧體的損失，大多研究集中于相對廉價的Fe/Cu基載氧體、易獲得的天然礦石與工業(yè)廢棄物，其中天然鈦鐵礦的研究最為廣泛。大量在不同規(guī)模反應器上的研究表明，鈦鐵礦具有良好的穩(wěn)定性及機械強度，且不易燒結團聚。但制約鈦鐵礦應用的關鍵問題是其還原活性較低，提高鈦鐵礦的還原反應活性成為亟需解決的問題。在反應器方面，考慮到煤的氣化速率較慢，部分煤未來得及在燃料反應器中完全轉化即被攜帶至空氣反應器，與空氣直接燃燒產(chǎn)生CO2，被N2稀釋。另外，燃料反應器中煤的轉化是通過熱解氣化生成的中間氣體與載氧體反應，即煤與載氧體間的流動混合很重要。而煤與載氧體間較大的密度差會引起分層，導致部分煤浮于床層上部，造成中間氣體不完全轉化。為了提高煤以及中間氣體在燃料反應器中的轉化率，國內(nèi)外研究者提出了不同型式的反應器結構。大多數(shù)研究者認為需要在燃料與空氣反應器之間增加碳分離裝置，將未反應的碳從載氧體中分離出來并返回燃料反應器中繼續(xù)反應。

2 化學鏈燃燒技術載氧體

（1）為使化學鏈燃燒技術能夠更好地與其它發(fā)電系統(tǒng)進行耦合， 應將提高載氧體的操作溫度作為研究的重點。選取環(huán)境性良好、無毒、廉價的載氧體以及對現(xiàn)有的載氧體制備方法的改進和創(chuàng)新， 也成為今后化學鏈燃燒技術發(fā)展的重點與難點。

（2）研究中所用燃料由單一成分氣體向合成氣發(fā)展， 由氣體燃料向固體燃料發(fā)展。目前研究較多的為氣體燃料（如天然氣）， 從我國的能源結構來看， 煤炭占主導地位， 應大力發(fā)展煤的化學鏈燃燒技術， 找到適合固體燃料煤的高性能載氧體。

（3）尋求反應性能優(yōu)良、價格低廉并且無二次污染的非金屬載氧劑。

3 煤與載氧體相互作用

在以煤為燃料的化學鏈燃燒燃料反應器內(nèi)，煤首先熱解，熱解產(chǎn)物再與載氧體反應。為了明確揮發(fā)分與載氧體相互作用特性，在固定床中研究了煤熱解與鐵基載氧體的還原過程，發(fā)現(xiàn)鐵基載氧體能有效氧化揮發(fā)分，生成CO2和H2O。同時，載氧體的存在還增強了焦炭氣化速率。此外，在流化床內(nèi)庚烷與鐵基載氧體的循環(huán)反應過程中，發(fā)現(xiàn)庚烷會帶來積碳，但積碳量很少，僅在104量級。煤焦在燃料反應器中的轉化可分為氣化反應及氣化產(chǎn)物的氧化兩個過程。煤焦氣化較慢，煤焦在燃料反應器內(nèi)需較長的停留時間；而載氧體的還原速率相對較快，載氧體在燃料反應器內(nèi)的停留時間可以縮短。如何匹配氣化速率與還原速率是燃料反應器研究的關鍵問題。向煤中添加催化劑（如：鉀）可大大提高氣化反應速率（近3倍），從而可縮短煤在燃料反應器內(nèi)的停留時間，使其與載氧體的還原過程匹配。鉀改性的鈦鐵礦中含有的鉀對氣化反應也同樣具有催化作用。

4 化學鏈燃燒反應器

化學鏈燃燒技術研究初期， 多采用熱重分析儀（TGA）， 以研究載氧體的反應動力學為主， 之后出現(xiàn)固定床和小型流化床， 目前已發(fā)展到串行循環(huán)流化床試驗階段?；瘜W鏈燃燒系統(tǒng)的設計與建立一般以冷態(tài)試驗流動特性研究為基礎， 然后建立熱態(tài)試驗系統(tǒng)并進行測試研究。

為了促進煤的充分轉化、提高不凝結氣體的轉化和系統(tǒng)的CO2捕獲效率， 適當延長煤在燃料反應器中的停留時間及加強氧載體和煤的混合非常重要?；瘜W鏈燃燒裝置的連續(xù)運行說明了化學鏈燃燒技術應用于工業(yè)的可行性， 反應器的優(yōu)化設計、長期連續(xù)運行的實現(xiàn)是仍需要研究的問題?；瘜W鏈燃燒反應器的設計多以天然氣為燃料， 以合成氣、煤等為燃料的反應器系統(tǒng)更需研究與建立。分析表明增壓化學鏈燃燒反應系統(tǒng)有更好的系統(tǒng)效率， 但在現(xiàn)階段， 增壓系統(tǒng)的研究條件還并不成熟。

5 結論

（1）直接以煤為燃料的CLC技術系統(tǒng)簡單， 具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。但是過低的煤氣化速率是其中的限制環(huán)節(jié)， 提高煤的氣化速率、促進煤的充分轉化是煤直接CLC技術的核心和關鍵。

（2）煤CLC技術具有一定的技術靈活性， 用于制氫時， 不僅系統(tǒng)簡單、能效高， 且在實現(xiàn)CO2捕獲的同時能夠獲得高純度的氫氣；而用于氧解耦化學鏈燃燒中則把煤的氧化燃燒與化學鏈燃燒有機結合， 需要著重研究。

（3）為了提高煤的氣化速率、促進煤的充分轉化， 需要從氧載體和煤質的選擇、運行參數(shù)及反應器結構的優(yōu)化改進4個方面進行全面考慮。

（4）需要深入研究煤中硫組分和灰組分的演化及其對氧載體活性的影響。

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