新型串行流化床流體動力學研究

宋鳴航， 王 濤， 劉晶晶， 劉永卓

(青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042)

化學鏈燃燒是利用載氧體將傳統燃燒分解為在空氣反應器和燃料反應器的兩步反應[1]。反應過程中化石燃料在燃料反應器(FR)中被載氧體釋放的晶格氧氧化生成CO2，主要排出的是CO2和H2O[2]。還原后的載氧體進入空氣反應器(AR)被空氣充分氧化，回到燃料反應器(FR)完成循環。與傳統燃燒相比化學鏈燃燒具有CO2內分離、高能源利用率并且可以有效控制NOx的生成等優勢，被認為是最具前景的CO2捕獲技術[3]。目前固體燃料如煤、生物質等的化學鏈燃燒為主要研究趨勢[4-5]。

化學鏈燃燒反應器與載氧體的研究皆對固體燃料化學鏈燃燒起著至關重要的作用。在實驗室和中試規模已成功設計和運行了多種形式的化學鏈燃燒反應器[6-11]。通常空氣反應器是由密相與稀相組成的快速流化床，不同之處在于發生固體燃料轉化的燃料反應器，其也是反應器設計核心。但是載氧體-固體燃料在流化床中流化時面臨許多挑戰：1)載氧體-固體燃料顆粒之間的良好混合和反應；2)揮發分從燃料反應器的逸出降低了CO2捕集效率；3)載氧體顆粒與未反應煤焦的分離。盡管在應對上述挑戰方面已取得了很大進展[12-15]，但是反應器系統因此變得越來越復雜。

基于強化載氧體-固體燃料顆粒間反應和分離的要求，本實驗室設計了一種耦合固體燃料反應和分離的化學鏈轉化裝置。與報道的化學鏈燃燒串行流化床相比，該裝置具有以下特點和優勢：1)將燃料反應器設計為不同流型的混合反應段和未反應碳分離段，分別強化雙組分顆粒間的反應和分離，簡化了燃料反應器結構；……