1 line
31 KiB
Plaintext
1 line
31 KiB
Plaintext
|
文章信息基于3kW塔式串行流化床差异燃料的化学链燃烧解析沈天绪1，沈来宏21南京师范大学能源与机械工程学院，江苏 南京210042；2东南大学能源与环境学院能源热转化及过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096引用本文沈天绪, 沈来宏.基于3kW塔式串行流化床差异燃料的化学链燃烧解析[J]. 化工进展, 2023, 42(1):138-147.DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0589摘要：化学链燃烧反应器具有广泛的燃料适应性，可同时兼顾气、液、固多类型燃料的运行。本文依托耦合内构件的3kW塔式串行流化床反应器，分别开展异丙醇、污泥以及煤炭的化学链燃烧实验，探究燃料物化属性对化学链燃烧过程与反应器运行的影响，揭示面向目标燃料的反应器针对性设计、载氧体性能选择与流化操作策略，助力形成指向性强、碳捕集效率高与操作灵活的化学链燃烧技术。面对碳化程度低、有机质含量高的固体燃料，焦炭气化速率已非强化重点，如污泥在3kW塔式反应器910℃与150s停留时间内，可实现大于99%的CO2捕集效率，化学链燃烧反应器应侧重改善可燃气体转化与旋风分离器对轻质焦炭颗粒的捕捉。当采用异丙醇等高CH4含量的燃料时，Fe基矿石载氧体的反应性能不足，3kW反应器的额外耗氧率高达10%~19%，其中未燃尽CH4对额外耗氧率的贡献占比超80%。化学链燃烧反应器需依据热解反应气的物化特性，选择或掺混功能性载氧体，以针对性改善气固转化。在煤等高碳化燃料的化学链燃烧过程中，焦炭气化是反应的限制性步骤，简化循环结构的3kW塔式反应器停留时间不足，仅可获得60%的CO2捕集效率。耦合碳捕集器、增添颗粒的循环回路是实现高效煤化学链燃烧的关键。同时，亟需注重固体燃料给料的连续性与稳定性，螺旋给料器批次、间歇性的非均匀给料方式，可造成燃料反应器与料腿压力的周期性大幅振荡，破坏循环操作的稳定性与安全性。经济、能源与环境是可相互促进、相互制约的矛盾共同体，化石燃料大量使用虽极大促进了经济与社会的发展，却也破坏了生态平衡，引发全球变暖、季风系统失常与极端灾害性天气等，建立脱碳能源经济已成各主要国家的核心战略。实现碳减排不应舍本取末，需顾及工业体系的平稳过渡与低廉的能源供给价格，避免大幅降低社会生产力或牺牲民众的生活品质。化学链燃烧技术（chemicalloopingcombustion，CLC）利用载氧体的晶格氧，无需高耗能的气体分离或空分制氧过程，便可获得近100%的碳捕集效率，具有显著的经济优势与宽广的燃料适应性，是我国应对气候变化与建立零碳经济体系的重要技术手段之一。如图1所示，基于分步反应策略，化学链燃烧利用空气反应器与燃料反应器内不同价态载氧体的氧势差，置换空气中的气态氧分子，以循环交替的载氧体颗粒传递燃料转化所需的氧分，实现燃烧过程中产物CO2的自富集与自分离，兼得高效的能源利用与低廉的碳捕集成本。图1化学链燃烧原理串行流化床反应器作为化学链燃烧的实施平台，决定了化学链燃烧的转化效能与性能优劣，是实现化学链工程化应用以及产业化发展的关键。目前，国内外各研究机构已成功搭建了数十台化学链燃烧反应器，涌现出众多流派，各反应器在结构设计、循环策略、强化机制与构件选择上均有独到之处，现已有多篇综述文章详细梳理了各反应装置的精妙构造，本文于此不再赘述。化学链燃烧串行流化床对燃料类型具有广泛适应性，单个化学链燃烧反应装置可同时应对煤炭、生物质、污泥、石油焦、甲烷等特性差异较大燃料的运行，但难以兼得每种特性燃料的极致转化。因无法维系<E7BBB4>
|