化学链燃烧-清洁高效发电技术协作网2016年会主旨报告-蔡宁生(1)
中国化学链燃烧技术研发进展与展望
中国化学链燃烧技术研发进展与展望目录一、内容简述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究意义 (3)二、中国化学链燃烧技术的发展历程 (5)2.1 技术起源 (6)2.2 技术发展阶段 (7)三、化学链燃烧技术的核心原理 (8)3.1 化学链燃烧技术的定义 (9)3.2 核心原理 (10)四、中国化学链燃烧技术的研发进展 (11)4.1 能量利用效率提升 (12)4.2 系统污染物减排 (13)4.3 新型催化剂的研发与应用 (15)4.4 工程化应用的突破 (16)五、中国化学链燃烧技术的应用现状 (17)5.1 工业领域的应用 (18)5.2 科研领域的应用 (19)5.3 其他领域的探索 (20)六、中国化学链燃烧技术的市场前景 (21)6.1 市场需求分析 (22)6.2 市场竞争格局 (23)6.3 发展趋势与挑战 (24)七、中国化学链燃烧技术研发的挑战与对策 (26)7.1 技术难题及攻克策略 (27)7.2 人才培养与团队建设 (28)7.3 政策支持与产业环境 (29)八、结论与展望 (30)8.1 研究成果总结 (31)8.2 未来发展方向 (33)8.3 对中国化学链燃烧技术的期许 (34)一、内容简述研发背景：介绍化学链燃烧技术的起源、发展及其在能源领域的应用价值，阐述中国在这一领域的研究意义。
研发进展：详细介绍中国在化学链燃烧技术研发方面所取得的成果，包括技术突破、研究成果、应用实例等。
技术原理：阐述化学链燃烧技术的基本原理，包括化学反应过程、关键要素等，以便读者更好地理解该技术。
现状分析：对中国化学链燃烧技术的当前状况进行全面评估，包括技术成熟度、产业应用、市场竞争等方面的分析。
展望未来：结合国内外形势和技术发展趋势，对中国化学链燃烧技术的未来发展方向进行展望，包括技术创新、产业应用、政策支持等方面的预测。
挑战与对策：分析中国在化学链燃烧技术研发及产业化过程中面临的挑战，如技术瓶颈、产业政策支持、资金投入等，并提出相应的对策和建议。
化学链燃烧中铁基载氧体性能优化研究综述
优点
但铁 而被认为是最有前景的载氧体之一， 基载氧体活性较低， 成为限制其大规模应用的瓶颈。
［1 － 2 ］
针对这一问题， 国内外研究人员对铁基载氧体的性 能提升进行了大量研究。 本文中简单介绍 CLC 原 理， 对近年来报道的铁基载氧体的性能优化方法进 行综述， 并提出铁基载氧体优化研究方面尚存在的 一些重要问题以及优化研究建议。
基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 51206044 ） ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ JB2014199 ） 教授， 博士生导师， 研究方向为固体燃料的高效清洁利用 、 燃烧与污染物控 作者简介： 梁志永（ 1985 － ） ， 男， 博士生； 董长青（ 1973 － ） ， 男， 博士， 010 － 61771315 ， cqdong1@ 163． com。 制、 节能等领域， 通讯联系人，
2017 年 2 月
梁志永等： 化学链燃烧中铁基载氧体性能优化研究综述
表1
研究者 胡月等［3］
· 37·
惰性载体负载铁基载氧体现状
惰性载体 Al2 O3 、 主要成果 氧化铝作载体时载氧体具有最高
ZrO2 、 的反应活性， 在 7 次循环中转化率均 MgAl2 O4 保持 95% 以上 Qin 等［4］ Al2 O3 、 通过密度泛函理论计算详细研究 Fe2 O3 间相互作用机理， 为铁基载氧 体合适载体的筛选提供了理论依据 石司默等［5］ 粉煤灰 粉煤灰的再利用， 提高了载氧体活 性、 热稳定性和孔隙率 Li 等［6 － 7］ TiO2 TiO2 负 载 能 有 效 促 进 氧 离 子 扩 散， 从而提高铁基载氧体反应活性及 活性稳定性 Galinsky 等［8］ 镧锶铁钙 钛矿 镧锶铁钙钛矿作载体的载氧体稳 定性和抗积炭性能均有所增强， 活性 TiO2 及 YSZ 负载提高 更是较 Al2 O3 、 7 Shafiefarhood 等［9］ 镧锶铁钙 钛矿 50 倍 制备的 镧 锶 铁 钙 钛 矿 － 氧 化 铁 壳 核结构 的 载 氧 体， 提高了载氧体对 CH4 部分 氧 化 合 成 气 的 选 择 性、 反 应活性、 稳定性及抗积碳性
化学链燃烧的研究现状及进展
第26卷第4期 2006年8月动 力 工 程Journal of P ower EngineeringV ol.26N o.4 Aug.2006 文章编号:100026761(2006)042538206化学链燃烧的研究现状及进展李振山, 韩海锦, 蔡宁生(清华大学热能工程系;热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084)摘 要:化学链燃烧具有高效、二氧化碳内分离和低NO x 等特点,已受到较多关注。
介绍了化学链燃烧方式的基本概念,概括分析了它的主要特点,对化学链燃烧系统中具有重要作用的载氧剂的研究现状进行了详细的分析,并对有关化学链燃烧系统设计、试验以及与其它系统耦合方面的进展进行了描述,最后对化学链燃烧发展方向进行了展望。
图4表3参14关键词:工程热物理;化学链燃烧;载氧剂;二氧化碳内分离中图分类号:TK 121 文献标识码:ARe search Status and Progre ss of Chemical 2Looping CombustionLI Zhen 2shan , H AN Hai 2jin , C AI Ning 2sheng(MOE ’s K ey Lab of Thermal Science and P ower Engineering ;Department of Thermal Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 710049,China )Abstract :M ore attention is now already being paid to chemical 2looping combustion (C LC )due to it ’s being featured by high efficiency ,inherent C O2separation and low NOX emission.An introduction is being presented to the basic concept of C LC ,together with a brief analysis of its main features and a detailed review concerning the research status of oxygen carriers (OC ),which play an im portant role in C LC combustion ,as well as a description of relevant system designing and performance tests.Progress in conjunction with other systems is als o mentioned.In conclusion ,prospects of future development are discussed.Figs 4,tables 3and refs 14.K eywords :engineering therm ophysics ;chemical 2looping combustion ;oxygen carrier ;inherent C O 2separation收稿日期:2006201210作者简介:李振山(19752),男,辽宁沈阳人,博士研究生,主要从事近零排放碳基燃料制氢与煤气化多联产方面的研究。
催化助热燃烧—一项重要的燃烧新技术
催化助热燃烧—一项重要的燃烧新技术
蔡俊修
【期刊名称】《煤炭转化》
【年(卷),期】1993(16)1
【摘要】催化助热燃烧利用催化剂点燃和保持气相反应,保证燃料完全燃烧,提高了热效率,稳定地调节火焰温度,减少NO_x排放量,对提高能源利用率和保护环境有好处。
采用蜂窝状陶瓷负载贵金属,(复)氧化物活性组分,或以多种材质的活性独石,可
满足许多燃烧场合的要求。
今后在催化剂体系选取时,应把高温热稳定性放在首位。
【总页数】9页(P45-53)
【作者】蔡俊修
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TQ038
【相关文献】
1.一项重要发明——煤的燃烧激化剂 [J],
2.大气污染控制的一项重要措施—LFC清洁燃烧技术 [J], 程有良
3.燃烧(助)剂用量及煅烧温度对TiO2光催化性能的影响 [J], 张苏敏;李娟;李慧;邓峰;史载锋
4.盐助溶液燃烧法制备MnFe2O4催化过一硫酸盐降解双酚A [J], 岳敏;王璟;韩玉泽;张萍
5.甲烷在逆流换热微燃烧器内催化燃烧的数值模拟 [J], 钟北京;伍亨
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化学链燃烧中CuO载氧体释氧吸氧特性研究
化学链燃烧中CuO载氧体释氧吸氧特性研究徐鹏;牟超;戴领【摘要】首先利用热重法考察了氧解耦化学链燃烧(CLOU)中CuO载氧体在不同氧气气氛以及不同温度等工况下的释氧特性、Cu2O在不同温度下的吸氧特性以及CuO载氧体的持续循环能力.最后采用Achar-Brindley-Sharp-Wendworth方法对氧化铜在不同氧气浓度下的动力学参数进行了拟合求解.结果表明,CuO释氧速率随反应温度的提高而增加.氧气浓度越高,CuO在释氧温度区间的活化能大幅增加,因此开始析出氧气的温度也越高.对于Cu2O,温度越高,反应后阶段的吸氧速率越快.经过20次循环,CuO的释氧吸氧能力逐渐降低.【期刊名称】《煤炭转化》【年(卷),期】2015(038)001【总页数】5页(P64-68)【关键词】氧解耦化学链燃烧;CuO;释氧特性;吸氧特性;动力学分析【作者】徐鹏;牟超;戴领【作者单位】中煤科工集团重庆研究院有限公司,400030重庆;中煤科工集团重庆研究院有限公司,400030重庆;中煤科工集团重庆研究院有限公司,400030重庆【正文语种】中文【中图分类】TK16;O643目前，由温室气体引起的温室效应已成为全球性的环保问题，温室气体中CO2对温室效应的贡献量约占全部温室气体的50%.[1]据统计，我国CO2排放量居世界第二位，约占全世界排放总量的13%[2]，因此控制和减少CO2的排放是解决温室效应引起的全球气候变暖问题的关键.燃烧前CO2回收、纯氧燃烧以及燃烧后分离CO2等碳捕集与封存技术被认为是减少大气CO2浓度的有效途径之一，但均会导致系统效率降低和发电成本增加.[3]1983年，Richter et al[4]首次在美国化学学会年会上提出化学链燃烧(chemical looping combustion，CLC)的概念，使得二氧化碳零排放燃烧技术成为可能.在化学链燃烧中，由于载氧体只将空气中的氧传递到燃料反应器中，N2从空气反应器被直接排走(可彻底根除NOx的产生)，因此可以从燃烧产物中获得浓度极高的CO2.在CLC技术基础上，Mattisson etal[5]提出了氧解耦化学链燃烧技术(chemical looping with oxygen uncoupling，CLOU).该技术的特点在于金属氧化物载氧体能在燃料反应器中释放O2，并在空气反应器中重新吸收O2.由于化学链燃烧技术主要应用于煤等传统固态燃料的燃烧[6]，因此，在燃料反应器中气态的氧气与固态燃料的反应速率大大高于CLC中固体载氧体与固体燃料之间的反应速率.目前，CuO，Mn2O3和Co3O4等三种载氧体[7-10]在CLOU上研究比较多，其中 CuO以其载氧率高和释氧温度低等优点得到了学者的广泛关注.[11-12]Mattisson et al[7]用冷冻成粒法制备了CuO/ZrO2载氧体，并以焦油为燃料对CLOU系统的反应速率做了测试，结果表明，CLOU系统的反应速率是相同温度下CLC系统的50倍.Abad et al[13]制备的CuO/MgAl2O4载氧体同样对煤有很快的反应速率，并且在960 ℃的温度下对CO2的捕集率可以到达100%.王保文等[14-15]也对铜基载氧体的制备方法及其在CLOU燃烧中的持续循环能力作了研究.目前，对于CLOU的研究主要集中于载氧体在流化床等燃烧器上的考察等方面，而对CuO载氧体应用于CLOU过程的基础理论实验研究较少.由于CLOU过程的关键在于载氧体的释氧和吸氧特性，因此本研究采用热重分析仪全面考察了CuO载氧体的释氧和吸氧特性，对其循环持续能力做了测试，并利用动力学分析方法对其进行了动力学分析，为进一步研究铜基载氧体在化学链燃烧器上的应用提供参考.主要利用德国NETZSCH公司STA409PC型热重分析仪对CuO的动力学特性进行分析.该仪器测量装置主要由以下几部分组成：天平系统、电加热炉和计算机数据采集系统.测量的温度范围为25 ℃～1 550 ℃，升温速率为0.1 ℃/min～50 ℃/min；能测量的气氛为：惰性气体、氧化气体、部分还原气体和部分腐蚀气体等.对于本实验，CuO的用量为20 mg.保护气体为N2，流量为30 mL/min.定义CuO释氧率XR为释放出的氧气占CuO总质量的质量分数，即为了分析方便，定义Cu2O吸氧率XA为吸收的氧气占Cu2O完全氧化后生成的CuO的质量分数，即对CuO载氧体在20%(体积分数，下同)O2(空气气氛)，10% O2以及无氧气氛(纯CO2气氛)下其释氧率随温度变化的关系进行了实验研究，结果见图1.样品从室温升温至1 100 ℃，升温速率为20 ℃/min.由图1可以看出，虽然在这三种工况下，CuO都能到达10%的释氧率，但是CuO载氧体开始析出O2的温度却不一样，氧气浓度越高，开始析出氧气的温度也越高.在无氧气氛下，CuO开始释放氧气的温度大约在850 ℃，而在10% O2和20% O2气氛下，CuO开始释氧的温度分别为980 ℃和1 030 ℃左右.究其原因，产生这种差别主要是因为在氧气环境下，O2的存在会阻碍CuO载氧体中氧气的析出.O2浓度越高，阻碍作用越强.当温度上升到某一值，使得CuO载氧体O2的析出作用大于气氛中O2的阻碍作用时，载氧体便开始释氧.由图1还可以看出，释氧的快慢也受温度影响，温度越高释氧越快.图2为CuO载氧体在10 ℃/min，20 ℃/min和30 ℃/min升温速率下CuO释氧率随温度变化的关系曲线.反应气氛为CO2气氛(无氧气氛)，流量为50 mL/min，温度升至1 100 ℃.由图2可以看出，CuO载氧体开始释氧的温度与升温速率有关.10 ℃/min升温速率下的CuO最早开始释放出氧气，20 ℃/min升温速率下的次之，30 ℃/min升温速率下的CuO最晚开始释放出氧气.当CuO开始释放出氧气后，随着温度的升高，释氧率迅速增加，最后这三种升温速率下的CuO都可以达到10%的最大释氧率.但是升温速率的不同，会导致CuO到达10%释氧率的温度也不一样.由图2还可以看出，升温速率为10 ℃/min时，CuO达到10%释氧率的温度为950 ℃左右；升温速率为20 ℃/m in时，CuO达到10%释氧率的温度为990 ℃左右；当升温速率为30 ℃/min时，CuO达到10%释氧率的温度则要达到1 050 ℃左右.因此可以得出结论：在升温过程中，升温速率越大，CuO开始释放氧气的温度以及达到10%完全释氧率的温度越高.CuO在不同温度下的释氧率曲线见图3.由第2.2节可知，升温速率越大，CuO开始释放氧气的温度越高.为了让CuO在达到待测温度时才开始释放氧气，因此，选择更大的升温速率(40 ℃/min).在温度升至待测温度后，恒温1 h.反应气氛为CO2气氛，流量为50 mL/min.由图3可以看出，随温度的增加，CuO的释氧速率也随之加快.1 000 ℃下CuO 的释氧速率最快，950 ℃下次之，900 ℃下的释氧速率最慢.CuO在900 ℃下，从氧气开始释放到氧气释放完全，需要大约25 min.这意味着如果燃料反应器的温度为900 ℃，那么CuO载氧体需要在燃料反应器里停留25 min才能将氧气释放完全，显然此温度不符合化学链燃烧的要求.而CuO在950 ℃～1 000 ℃下释放出10%氧气的时间则大大缩短，仅需要小于5 min的时间.因此，燃料反应器的温度控制在950 ℃～1 000 ℃比较合适.CuO载氧体在燃料反应器中释氧后产生Cu2O，Cu2O在空气反应器中重新吸收氧气形成CuO.为确定Cu2O在空气反应器的最佳反应温度，对其不同温度下的吸氧再生特性做了实验研究，结果见图4.样品在CO2气氛下从室温加热到待测温度(600 ℃，700 ℃和800 ℃)，并在此温度稳定5 min，然后气氛切换至空气气氛[V(N2)∶V(O2)=4∶1].升温速率为20 ℃/min，样品用量为20 mg.由图4可以看出，空气气氛下Cu2O与O2反应的速率很快，且在最初吸氧阶段，吸氧速率不受反应温度控制.但到反应后阶段，Cu2O的吸氧特性开始表现出不同的情况.在800 ℃下，Cu2O一直能保持较大的吸氧速率，很快达到10%的吸氧率；700 ℃下的吸氧速率在后阶段较800 ℃下的要慢，需要更长的时间达到10%的吸氧率；而600 ℃下的Cu2O在后阶段的吸氧速率最慢，但在足够长的时间里仍能达到10%的吸氧率.因此，空气反应器的温度应该越高越好，但不能高于CuO在空气气氛下的开始释氧温度.载氧体将空气反应器中的氧传递到燃料反应器作为氧化燃料，然后又重新回到空气反应器，如此往复循环.因此，载氧体在多次循环后氧化还原能力的高低是化学链燃烧技术所面临的一个问题.对于CuO载氧体，其氧化还原能力可由其释氧吸氧能力来体现.本研究考察了CuO载氧体在1 000 ℃反应温度下的循环持续稳定性.实验时以40 ℃/min的升温速率加热到1 000 ℃后保持恒温，然后在N2和空气之间进行反复切换，通过氧浓度的改变实现吸氧/释氧反应的交替发生，如此进行20次循环.实验结果见图5.由图5可以看出，纯CuO的释氧和吸氧率在起初三次循环后仍能保持10%的释氧率，但随着循环次数的增加，其释氧率逐渐下降.循环到第20次的时候，其释氧率为6.8%，比刚开始10%的氧气析出量降低了3.2%左右.这主要是由CuO在高温下烧结而造成的.采用Achar-Brindley-Sharp-Wendworth方法对氧化铜载氧体在不同氧气浓度下的热解动力学参数进行拟合求解并分析.根据热分析的第一类动力学方程有[16]：方程(3)分离变量，两边取对数得：此即Achar-Brindley-Sharp-Wendworth方程.对于一般的化学反应，其机理函数f(α)的表达式可选用：f(α)=(1-α)n.因此，最后可得：令式(5)左边为y，1/T为x，a=ln(A/β)，b=-E/R，则方程变为y=a+bx.假定一个n值，采用最小二乘法原理对数据进行一元线性拟合，根据拟合方程的斜率以及截距等可得到a，b值，进而可求出表观活化能E和相关系数r等动力学参数.温度区间选取CuO刚开始释氧到完全释氧之间的温度，n的取值区间为(-1，2)，程序中n从-1开始，每次递增0.1，最后选择使相关系数r最大的n作为最优反应级数.计算结果见表1.由表1可以看出，线性拟合的相关系数r均在0.985以上，具有较高线性度.在相同升温速率下，随着氧气浓度的提高，氧化铜释氧段表观活化能呈大幅上升趋势.无氧气氛下时，CuO在释氧区间的活化能为364.69 kJ/kg，当氧气浓度变为10%和20%时，活化能增大到1 406.74 kJ/kg和2 068.38 kJ/kg.这个结果说明：相比于无氧气氛，在有氧气氛下需要更多的能量才能让CuO载氧体释放出氧气.同时这个结果也从动力学层面解释了第2.1节中氧气浓度越高，开始析出氧气时的温度也越高的结论.1) 在不同O2气氛下，CuO都能达到10%的释氧率，氧气浓度越高，开始析出氧气的温度也越高.而在升温过程中，升温速率越大，CuO开始释放氧气的温度以及达到10%完全释氧率的温度也越高.2) CuO载氧体释氧的速率随着反应温度的提高而加快，因此对于燃料反应器，CuO的还原温度在950 ℃～1 000 ℃较好.3) 对于空气反应器，温度越高，Cu2O在反应后阶段的吸氧速率越快.4) 动力学计算表明，随着氧气浓度的增加，CuO在释氧温度区间的活化能也大大增加.5) 对CuO载氧体的循环能力实验研究表明，CuO的释氧吸氧能力随着循环次数的增加而逐渐降低.。
化学链燃烧技术研究进展--毛玉如 苏亚欣 马晓峰
图 3 流化床化学链燃烧技术系统示意图
Lyngfelt 等设计和搭建了一个采用化学链燃烧技 术的 10kW 锅炉试验装置 (图 3) [6] 。该系统包括两个 相互联系的流化床 ,一个高速上升床和一个低速鼓 泡床 ,Ni 基粒子作为氧气携带者在两床之间循环 ,该 系统很象燃烧固体燃料的循环流化床 。在高速上升 床 ,氧气从燃烧空气传到 Ni 基粒子 ,在低速鼓泡床再 传给燃料 。2003 年 100h 的连续试验显示 ,基于燃料 热值 的 燃 料 转 化 率 达 9915 % , 出 口 气 体 中 大 约 有 015 %的 CO 、1 %的 H2 和 011 %的 CH4 。空气反应器 侧没有 CO2 逸出 ,过程中 CO2100 %被 (下转第 55 页)
参考文献 : 1《、南平市畜牧业发展规划》(2005～2010 年) 2 、福州大生态环境工程有限公司 1 福建长富第六牧场能
源环境工程技术方案
(上接第 24 页) 捕捉 ,这样从燃料反应器一侧几乎得到了纯的 CO2 蒸汽流 。在测试阶段 ,Ni 基氧化物粒子强度或反应 性也没有下降 。
3 结语
化学链燃烧技术的能量释放机理是通过燃料与 空气不直接接触的无火焰化学反应 ,打破了自古以 来的火焰燃烧概念 ,开拓了根除燃料型 、热力型 NOx 产生与回收 CO2 的新途径 , 有着光辉的发展前景 。 为了明确化学链燃烧反应的机理和开发适用的固体 反应材料 ,很多国家和机构利用热重仪 、固定床式反 应器和流化床反应器 ,进行了探索性的研究 ,并提出 以化学链燃烧构成的联合循环 ,但就世界范围内 ,它 还处于初步探索阶段 ,进行化学链燃烧技术的全面 技术经济性评估尚需大量实验数据的支持 。
基于赤铁矿的生物质化学链燃烧过程中氮氧化物的释放特性
基于赤铁矿的生物质化学链燃烧过程中氮氧化物的释放特性肖申;沈来宏;肖军;牛欣;顾海明;宋涛【摘要】在单批次进料固定床上，基于赤铁矿载氧体，研究了还原反应阶段反应温度和水蒸气量对谷壳的氮氧化物释放特性的影响。
研究表明，碳转化率随反应温度升高而增加，但随水蒸气量呈先增加后下降，并在水蒸气量为1．0 g／min 时达到最大值。
在实验条件下，还原阶段未检测到 NO2。
随着反应温度由750℃升高到900℃，NO 的生成率增加，而 N2 O 的生成率先增加后降低，在850℃时达到最大值。
水蒸气量由0．5 g／min 升高到2．0 g／min，N2 O 和 NO 的生成率均增加，且 NO 增加速率高于 N2 O。
在反应后的载氧体中，检测到 KAlSi3 O8存在，表明载氧体与生物质中的 K 元素发生反应。
%Nitrogen emission during chemical looping combustion (CLC) of rice husk based on hematite in a batch fixed bed reactor was studied.Different variables affecting the process, such as reduction temperature and steam content, were tested.The results show that higher reduction temperature results in a hig her carbon conversion which reaches the highest value when the steam flow is 1.0 g/min.Furthermore, there are no NO2 detected at all experiments.The rise of reduction temperature from 750 to 900 ℃ could contribute to the rise of NO, whereas the concentration of N2 O reaches the highest value at 850 ℃.Both N2 O and NO increase remarkably with the increase of steam flow.Nevertheless, the increasing rate of NO is faster than that of N2 O. Besides, KAlSi3 O8 is detectable in the reduced oxygen carrier, attributing to the reaction of K in biomass with hematite.【期刊名称】《燃料化学学报》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】9页(P490-498)【关键词】化学链燃烧;生物质;赤铁矿;氮氧化物【作者】肖申;沈来宏;肖军;牛欣;顾海明;宋涛【作者单位】东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TK6化学链燃烧技术(Chemical Looping Combustion,CLC)是一种新型的燃烧方式,它通过不同品味能的梯级利用,将新型能源转换与CO2富集过程有机结合起来。
国家重点研发计划“煤的化学链燃烧和气化技术”项目实施方案论证暨启动会在南京召开
国家重点研发计划“煤的化学链燃烧和气化技术”项目实施方案论证暨启动会在南京召开各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢属牛的今年多大2018年11月2日，“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项“煤的化学链燃烧和气化技术”项目牵头单位东南大学和高技术中心重点专项管理办公室（以下简称“专项办”）在南京联合组织召开了项目启动暨实施方案论证会，东南大学领导、项目咨询专家组、项目牵头单位科研管理部门代表、项目负责人和、专项总体专家组责任专家，以及专项办相关约50名代表参加了会议。
东南大学金保昇副校长在发言中表示，学校将建立相应的管理制度，严格按照国家重点研发计划管理办法，切实履行法人责任，建立健全相应的管理和监督机制，做好项目的服务和管理工作。
会上，专项办相关负责人按照《国务院关于优化科研管理提升科研绩效若干措施的通知》等文件，介绍了专项总体情况，解读了重点研发计划过程管理相关文件，交流了管理实践经验和思考。
希望项目团队能够带着承担国家项目的高度荣誉感和感完成任务，并提出相关，一是细化组织管理机制，树立以项目团队管理为主的管理观念，推进项目研究工作；二是关注基础性研究在团队内的共享和交流，确保项目技术增量产出；三是突出关键技术难点，凝练关键核心技术，遇到困难不绕道、不回避，勇于迎难而上，多出原始性、创新性的。
该项目针对煤化学链燃烧和气化技术，研究加压下载氧体与煤的反应特性，拟开发满足工业应用的载氧体及其规模化制备技术，拟建立3MWth煤化学链燃烧中试装置和1MWth煤化学链气化中试装置。
项目负责人从项目研究目标、主要研究工作、实施关键节点与具体实施计划、组织管理机制和形式及测评方法等方面介绍了项目实施方案。
与会专家认真听取了实施方案报告，与项目团队进行了充分研讨，在项目执行层面梳理了项目到课题到任务间的衔接关系、项目关键研究与项目整体进度接口关系；对化学链反应器匹配、载氧体循环特性、载氧体/煤灰颗粒的分离、煤种适应性等方面提出了和意见；同时项目团队加强研究到中试平台技术风险研究。
化学链燃烧的能源环境系统研究进展
2008年 第53卷 第24期: 2994~3005《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 专题化学链燃烧的能源环境系统研究进展金红光, 洪慧, 韩涛中国科学院工程热物理研究所, 北京 100190E-mail: hgjin@2008-09-01收稿, 2008-11-10接受国家自然科学基金资助项目(批准号: 50520140517, 50836005)摘要化学链燃烧的能源环境系统是能源科学与环境科学交叉的新兴领域. 它具有零能耗分离CO2和提高系统效率的特点, 因而被认为是同时解决能源利用与环境协调问题的重要突破口, 也是当前国际学者研究温室气体控制的热点和焦点. 在综述化学链燃烧能源环境系统的研究进展基础上, 剖析了化学链燃烧的氧载体材料的反应特性和再生性方面的难点, 介绍了反应器结构特点及其应用情况. 围绕关键过程机理和系统集成, 探讨了化学链燃烧过程的化学能梯级利用的能量释放机理和系统集成原则. 最后, 针对化学链燃烧能源环境系统研究发展与潜力, 展望了未来的研究发展方向和应用前景. 关键词化学链燃烧CO2分离能源环境系统能源有效利用与环境相容协调发展是21世纪全世界都极为关注的热点和难点. 减排CO2的努力已经成为各国能源决策的一个关键因素. 迄今为止, 当前能源动力系统回收CO2难题主要表现在: 化石燃料排放的CO2数量巨大, 而且直接燃烧的产物中CO2常被氮气稀释, 用传统分离过程回收需要消耗大量能源, 导致动力系统效率大幅度降低(减小5%~15%). 此外, 传统的先污染后治理、先能源过程后环境过程的思路致使额外地消费能源和增加污染物的产生, 也就是说, 传统的解决能源和环境问题的思路还局限在各自学科范围, 未能突破学科之间的界限. 为此, 首先需要突破传统思路的羁绊, 从能源与环境问题的交叉点出发, 找到切实可行的解决方法[1].研究发现, 能源利用过程与CO2分离过程并非相互独立, 其间存在密切联系. 目前动力系统中可用能的损失最大部分并非热转功过程, 而来源于燃料化学能向物理能转化的燃烧过程, 即燃料所含有的化学能作功能力有近1/3在燃烧过程中损失. 同时, 从温室气体控制角度看, 燃料直接燃烧过程又是CO2发生地和产生CO2分离能耗高的根源. 因此, 燃烧过程在同时解决能源与环境问题上具有很大潜力, 很可能成为有效回收CO2的一个突破口[2].1994年, 日本学者Ishida和中国学者金红光率先提出控制CO2排放的化学链燃烧的湿空气透平新系统[3], 首次在国际上将化学链燃烧与热力循环有机结合, 探索了能量转化与控制CO2分离有机结合的新方法与新途径. 该研究于1995年获得美国专利[4]. 图1所示为天然气基的化学链燃烧动力系统. 天然气与氧化镍的化学链燃烧将传统甲烷直接燃烧反应分解为两个气固反应. 燃料和金属氧化物(NiO)在还原反应器中反应, 在其顶部产生CO2和水, 底部生成金属Ni. 空气由中间一次间冷的压气机压缩到一定压力后, 经饱和器加湿饱和、预热后进入氧化反应器与金属Ni发生氧化反应, 氧化反应后的气体进入透平做功. 金属氧化物(MeO)与金属(Me)在两个反应之间循环使用, 一方面起到分离空气中的氧, 另一方面起到传递氧的作用.燃料反应器:C x H y+(2x+y/2)MeO=x CO2+(y/2)H2O+(2x+y/2)Me, (1)空气反应器:(2x+y/2)Me+(x+y/4)O2=(2x+y/2)MeO. (2) 由于燃料与空气不直接接触, 燃气侧的气体生成物为高浓度的CO2和H2O, CO2并未被氮气稀释.用简单的物理冷凝方法即可分离CO2和H2O, 分离2994 图1 甲烷化学链燃烧湿空气透平热力循环示意图CO 2既不消耗额外的能量, 也不需要专门CO 2分离装置. 与分离CO 2的燃气蒸汽联合循环相比, 该系统效率比通常的动力系统效率高出8个百分点, 可称之为新一代能源环境动力系统. 可见, 化学链燃烧的湿空气热力循环不同于其他控制分离CO 2的动力系统, 不仅打破了传统火焰燃烧方式, 降低燃烧过程能量释放侧的高品位能的损失, 并且从产生CO 2的源头解决了CO 2控制问题, 同时实现了能源系统燃料化学能的高效利用与系统零能耗回收CO 2的统一. 2005年联合国政府间气候变化专业委员会(IPCC)在关于二氧化碳的捕捉与储存的特别报告中指出: 该化学链燃烧系统是一种实现100%捕捉二氧化碳的很有前景的控制温室气体方法[5].随后, 欧美等国开始重视化学链燃烧技术在控制温室气体方面的作用, 并开展相关研究. 如瑞典查尔姆斯科技大学、瑞典皇家技术学院、挪威科技大学以及西班牙CSIC 等. 从1992年至今, 仅化学链燃烧的学术论文发表数量就提高了近10倍, 如图2所示. 进入21世纪, 以化学链燃烧为核心的温室气体控制系统研究掀起高潮, 一些国际组织和国家将化学链燃烧动力系统作为重要和最具前景的CO 2捕获技术的战略选择, 并依靠它来实现能源系统的CO 2零能耗分离. 特别是近年来为加速化学链燃烧研究进度, 实现化学链燃烧的商业化, 欧盟、美国等一些地区和国家大力开展了化学链燃烧动力系统的示范项目研究. 欧盟自2001年先后开展的FP5的GRACE 项目(http://cordis.europa.eu/data/PROJ_FP5/ACTIONeq-DndSESSIONeq112362005919ndDOCeq894ndTBLeq-图2 化学链燃烧论文发表状况(年)EN_PROJ.htm), FP6的Enhanced Capture of CO 2 (http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=FP6_PROJ&A CTION=D&DOC=1&CAT=PROJ&QUERY=011a5ceb 860c:a0a2:0dc7873e&RCN=73993)和Chemical Loop-ing Combustion CO 2-Ready Gas Power 项目(http:// cordis.europa.eu/fetch?CALLER=FP6_PROJ&ACTION =D&DOC=2&CAT=PROJ&QUERY=011a5ceb860c:a0 a2:0dc7873e&RCN=78507)、以及FP7的研究计划中都将化学链燃烧作为重要研究内容予以资助. 瑞典查尔姆斯科技大学在欧盟FP6, FP7和国际能源署的资助下建立了国际首台10 kW th 化学链燃烧循环流化床实验台[6]; 韩国建立了50 kW th 化学链燃烧的示范电站; 挪威研究委员会资助的欧洲最大的BIGCO2[7]研究计划中拟要建立目前最具规模的天然气基100 kW th 化学链燃烧发电示范装置如图3所示, 当前冷态实验已由挪威科技工业研究院(SINTEF)和挪威理工大学(NTNU)完成.图3 100 kW th 旋转化学链燃烧反应器29952008年12月 第53卷 第24期美国能源部2006年在碳减排技术路线和发展计划报告中指出, 化学链燃烧是未来10~15年控制温室气体的先进技术之一, 如图4所示. 2008年8月美国能源部宣称又将投入36亿美元资助15个温室气体控制研究计划, 以提高C O 2捕获技术的快速发展(/programs/sequestration/ cslf/index.html). 该计划包括5个方向, 其中化学链燃烧得到首要支持, 将在2003年ALSTOM 公司研制的煤气化化学链燃烧动力系统基础上发展, 其宗旨将实现化学链燃烧的工业化. 图5所示为2003年美国国家能源技术实验室与ALSTOM 合作研制的煤气化的化学链燃烧动力系统的示意图(l. /publications/factsheets/project/Proj293.pdf). 该 系统采用CaS/CaSO 4化学链对煤进行气化, 通过变换反应制得H 2, CO 2混合气体, CO 2经CaO/CaCO 3化学图4 CO 2捕获技术发展趋势图5 基于煤气化的化学链燃烧动力系统示意图链吸收去除, 得到较纯净H 2. CaO 再生反应所需热量由作为传热媒介的矾土形成的热链循环提供. 这种煤基化学链燃烧动力系统为避免碳进入空气反应器和灰分对系统的影响, 必须进行氧载体颗粒与未燃碳粒和灰分的分离, 瑞典查尔姆斯科技大学的Lyngfelt [8,9]、东南大学[10]、加拿大自然资源部CANMET 能量技术中心(CETC)[11] 对此做了相关研究, 并也取得了一定进展.总之, 化学链燃烧动力系统已成为世界能源环境系统研究的重要方向, 是解决CO 2减排的主要发展的先进技术之一. 本文旨在对化学链燃烧能源动力系统的研究现状做出综述和评价, 主要从化学链燃烧的能量释放机理、氧载体材料、反应器的关键技术和系统集成三个方面阐述, 剖析当前研究中所存在的问题和难点, 并对今后化学链燃烧的能源环境系统的未来发展方向进行展望.1 化学链燃烧能量释放机理研究热力循环系统最大的损失并不是由热转功引起的, 而是由燃烧过程(即化学能向物理能的能量转化、释放过程)造成的. 一般而言, 传统热力循环主要依靠提高燃气轮机透平进口温度T 1, 来减少化学能品位与热品位之差, 来降低燃烧损失并提高循环系统性能, 即从提高燃料化学能能量释放的接受侧的烟气温度来考虑. 但这一途径因受热机耐温材料等工程技术限制, 其潜力变得越来越小. 因而我们不能再囿于固有的方法, 应从化学能的能量释放侧去探索新的模式. 与直接燃烧不同, 化学链燃烧改变化学能转化热能的粗放释放途径, 通过燃料化学能有序释放, 挖掘燃料化学能品位的有效利用, 降低化学能品位与热能品位差, 从而减小化学能能量释放过程的不可逆损失, 有效实现了燃料化学能梯级利用.图6形象说明了化学链燃烧过程中化学能品位梯级利用的物理内涵. A 表示物质能品位, 定义为任意状态或过程的变与焓变之比[12]. A Ch 表示物质化学能的品位, A Th 表示燃烧后的物质热的品位(即燃气轮机透平入口高温烟气品位). 在化学链燃烧过程, 燃料的化学能通过两个化学反应之间的传递过程释放出来. 首先是燃料和金属氧化物发生还原反应, 这是一个中温吸热反应. 然后金属在高温下与空气发生强放热氧化反应. 由于金属燃料品位较含碳燃料2996图6 化学链燃烧能量释放机理示意图品位低, 使燃料化学能通过金属氧化反应的释放品位(A Ch2)低于燃料直接燃烧释放的品位(A Ch1). 因此, 当在一定的燃气轮机透平初温下, 即一定的A Th , 化学链燃烧过程的化学能转化为热能过程的品位差(即A Ch2－A Th )将小于直接燃烧(A Ch1－A Th ). 也就是说, 燃料化学能能量释放侧品位的降低带来化学能不可逆损失减小. 实质上, 化学链燃烧过程中从A Ch1到A Ch2的化学能作为一种动力, 提升提供还原反应的中温反应热, 即化学链燃烧过程先通过一个化学反应, 回收部分燃料的作功能力, 然后再将其余化学能转变为热. 这样,就能够减少燃烧过程的损失, 从而增加了热力系统热. 相反, 在直接燃烧过程中, 燃料的化学能仅简单一步地转变为热, 其中从A Ch1到A Th 这部分化学能以不可逆损失形式而被浪费.目前对这种燃烧与CO 2分离一体化的能量释放机理研究国内外文献报道甚少. 本研究集体在已有化学能梯级利用原理研究基础上[13], 通过与直接燃烧比较, 揭示了化学链燃烧过程化学能品位损失降低与热力系统热增加的相互作用机制. 1.1 化学链燃烧热力系统热增加设定燃料直接燃烧和化学链燃烧的热力系统工质－高温燃烧产物的热品位η1相同. 直接燃烧的热力系统的热ΔE th1: th111E H ηΔ=Δ, (3) 式中, ΔH 1为燃料直接燃烧的反应热.化学链燃烧的热力系统倘若考虑吸热反应需要提供的热源的热ΔE th2, 即ΔE th2＝ΔH 2η2, 则热力系统向外界提供可资利用的热ΔE th3: E H H ηηΔ=Δ−Δth33122, (4) 式中, ΔH 3为化学链Ni 氧化放热过程的反应热, ΔH 2为提供吸热反应所需的反应热; η2表示提供吸热反应所需反应热的热源品位. 由于吸热反应过程增加了反应产物的焓值, 依据能量守恒方程: ΔH 3＝ΔH 1+ΔH 2, 故(4)式可以写为 (E H H )ηηηΔ=Δ+Δ−th311212, (5) 则(5)式~(3)式:(E E E H )ηηΔ=Δ−Δ=Δ−th th3th1212. (6) 可以看出: 若η1 > η2, 则ΔE th > 0; 若η1≤η2, 则ΔE th ≤0. 当ΔE th >0时, 意味着相对直接燃烧的热力系统, 利用化学链燃烧热力系统可以增加系统向外界可资提供的热, 增加值为ΔH 2(η1−η2). 1.2 热增加与燃烧反应品位变化相互关系对于直接燃烧反应,基于过程的平衡, 燃料ΔE 1有T E EXL E Δ=Δ+Δ111, (7)ΔEXL 1为直接燃烧过程损失, ΔE T 1为燃料直接燃烧反应产物的热.在化学链燃烧中, NiO 还原反应和Ni 氧化反应过程的平衡分别为 T E E EXL E Δ+Δ=Δ+Δ1223, (8)T E EXL E Δ=Δ+Δ333, (9)ΔE T 2为吸热反应所需反应热的热, ΔEXL 2为吸热反应过程损失, ΔE 3为吸热反应产物, ΔEXL 3为放热反应过程损失, ΔE T 3为放热反应产物的热. (9)式代入(8)式, 则 T T E E EXL EXL E Δ+Δ=Δ+Δ+Δ12233. (10)根据文献[13], 燃料ΔE f = ΔG (1−η1)+ΔH f η1, 则直接燃烧和化学链燃烧的ΔE 1和ΔE 3可以分别写为 (1)E G H ηηΔ=Δ−+Δ11111, (11)(1)E G H ηηΔ=Δ−+Δ33131, (12)式中, ΔH 1η1和ΔH 3η1分别等于直接燃烧和化学链燃烧的高温燃气的热ΔE T 1和ΔE T 3, 即ΔH 1η1＝ΔE T 1, ΔH 3η1＝ΔE T 3. ΔG 1和ΔG 3分别表示直接燃烧和Ni 氧化反应的吉布斯自由能变化. 将(11), (12)式分别代入(7)和(9)式, 可得 (1)G EXL ηΔ−=Δ111, (13)(1)G EXL ηΔ−=Δ313. (14)29972008年12月 第53卷 第24期同理, 吸热反应过程损失ΔEXL 2 = ΔG 2(1−η2), ΔG 2表示吸热反应吉布斯自由能变化. 由此, (10)式可变形为 (1)(1)T G H E G ηηΔ−+Δ+Δ=Δ−1111222η(1).G H ηη++Δ−Δ3131 (15) 因提供吸热反应所需的热ΔE T 2等于ΔH 2η2, 即ΔE T 2 = ΔH 2η2, 则(15)式变形为()()(1)(1H G G G )ηηηΔ−=Δ−Δ−−Δ−21213122η. (16) 根据以往研究[13], 化学反应吉布斯自由能品位B = ΔG /ΔH 和(6)式, 上式改写为()(1)(1E H B B H B )ηηΔ=Δ−−−Δ−th 1131222(1).H B η−Δ−231 (17) (17)式描述了化学链燃烧的热力系统的热增量ΔE th与燃烧反应吉布斯自由能品位B 和各反应过程损之间的相互作用. 式中, 右边各项的物理意义如下: B 1表示直接燃烧反应吉布斯自由能ΔG 1的品位. B 3代表化学链放热反应的吉布斯自由能ΔG 3的品位. B 2表示吸热反应吉布斯自由能ΔG 2的品位. (B 1–B 3)表示化学链燃烧中有效利用的化学能的品位, ΔH 1(B 1–B 3) (1–η1)意味化学链燃烧中可资利用的化学能, ΔH 2B 2 (1–η2)和ΔH 2B 3(1–η1)分别表示ΔH 2这部分转化和传递的能量在吸热反应和放热反应过程中的损失. 由此可见, 利用化学链燃烧热力系统的热增量ΔE th 与有效利用的化学能的品位(B 1–B 3)紧密相关.鉴于上述分析, 化学链燃烧突破了简单燃烧能量释放模式, 使燃料化学能不再单纯地、粗放地转化为热能, 而是将燃料化学能转化为热能的过程有序分为两个阶段, 通过吸热反应与不同品位的热的有机整合, 实现了燃料化学能的多层次转化与梯级利用.目前化学链燃烧能量释放机理研究已获得阶段性进展, 对其能量释放过程的化学能梯级利用与CO 2分离能耗减小的耦合机理还需要进一步研究. 由于燃烧过程的能量转化、物质生成与CO 2分离的交变关系复杂, 涉及到工程热力学与物理化学的学科交叉, 给研究带来一定困难, 但是该问题的研究对控制温室气体能源系统科学体系的建立有着重要的理论价值.2 氧载体与反应器设计2.1 氧载体材料寻找具有高反应性能、彻底避免炭沉积和良好再生性能的氧载体循环材料是化学链燃烧热力循环的关键核心技术. 目前氧载体的研究主要集中在Ni 基、Cu 基、Fe 基等. 早期氧载体研究中, Ni 基氧载体因其氧化、还原反应速率高, 转化率高, 循环性能好等原因受到诸多学者的关注, 日本东京工业大学[14,15]、美国普渡大学[16]、意大利米兰理工大学[17]等都对Ni 氧载体进行了研究, 但金属Ni 价格高, 且反应过程中易发生积炭. Cu 基氧载体载氧能力好, 价格便宜, 且Cu 不会催化CH 4裂解造成积炭. CuO 作为氧载体具有较好的反应性. 浸渍法制得的Cu 基氧载体循环性能好,沉淀法制得的Cu 基氧载体能承受相对较高的温度, 但高温下Cu 基氧载体易发生烧结, 限制了其在高温反应中的应用[18~20]. Fe 基氧载体具有廉价性和无二次污染的优点, 但其反应性相对Ni 基氧载体较差, 氧化、还原反应速率较低[21,22]. Ni 基、Cu 基、Co 基、Mn 基氧载体在实际应用中会有少量的金属氧化物进入大气, 造成新的污染, 一些学者开始探索、寻找新型无污染氧载体的研究, CaSO 4逐渐为一些研究者所关注. 华中科技大学、东南大学以及加拿大CANMET 能源技术中心对基于CaSO 4为氧载体的化学链燃烧进行了相关研究[11,23,24].为推进化学链燃烧商业化, 氧载体的经济性日益受到重视, 而人工合成制备氧载体成本较高, 且在燃烧固体燃料时, 灰分的钝化以及灰分在与氧载体颗粒分离时造成的氧载体损失限制了氧载体的寿命. 当前一些研究者开始尝试以钛铁矿、钙钛矿等天然矿石作为氧载体循环材料[25,26]. 钛铁矿具有很好的机械强度, 低磨损率, 良好的氧化还原反应速率, 高载氧能力. 与采用Fe 2O 3/MgAl 2O 4相比, 钛铁矿作为氧载体时所需氧载体总量可降低1/3, 高温下颗粒长期处于反流态化状态不会产生积炭. 钛铁矿价格便宜, 与人工合成的Ni 氧载体相比, 钛铁矿价格要低100倍, 这对于存在燃料灰分影响氧载体材料性能的情况来说, 能很好地缓解对氧载体寿命的要求.本研究集体在氧载体研究中将NiO, Fe 2O 3, CuO, CoO, MnO 等作为主要的金属氧化物, Al 2O 3, SiO 2, YSZ, ZrO 2, MgO, TiO 2等作为添加剂, 制备出一系列复合金属氧化物的氧载体, 其中NiO/NiAl 2O 4和CoO-NiO/YSZ [15,27]的研发为以后氧载体材料研究奠定了基础[28].在采用Al 2O 3作为添加剂, NiO 颗粒作为氧载体时, 反应过程中有尖晶石NiAl 2O 4生成, 使得氧载体2998中有效成分含量减少, 还原反应转化率低. 但NiAl 2O 4在1173 K 温度下稳定, 根据这一特性, 合成了循环材料NiO/NiAl 2O 4. 通过NiO/NiAl 2O 4和其他两种循环材料的反应性能的比较(如图7所示), 结果表明: N i O /N i A l 2O 4的还原和氧化速率明显高于NiO/YSZ, 还原和氧化反应能够在该物质中进行彻底, 且NiAl 2O 4的价格大大低于YSZ, 约是YSZ 的20%. 另外, 研究过程中镍基氧载体在与含碳燃料反应时, 由于燃料的催化裂解会导致表面积炭, 影响氧载体再生性. 但通过对碳燃料加湿, 或直接向还原反应器中通入一定比例的H 2O/CH 4混合气体, 可以抑制氧载体表面的积炭发生[15,29]. 如对于甲烷燃料加湿, 由于甲烷与水蒸汽发生重整反应(CH 4 +H 2O →CO+3H 2)生成CO 和H 2, 生成的CO 和H 2可以进一步还原金属氧化物, 从而避免了积炭发生. 在对和NiO/NiAl 2O 4两种颗粒在甲烷加湿前后的反应特性比较的实验中(如图8), 加湿前, 由于干甲烷的分解在氧载体表面形成了积炭, 造成反应进行到200 s 后, 氧载体质量增加, 加湿后, NiO/NiAl 2O 4固体颗粒在图8 甲烷加湿前后积炭比较N i O /Y S Z —●—示NiO/YSZ(CH 4); —○—示NiO/YSZ(H 2O/CH 4=2.0); --■--示NiO/NiAl 2O 4(CH 4); --□--示NiO/NiAl 2O 4(H 2O/CH 4=2.0)还原阶段没有观察到质量增加现象. 这说明通过在甲烷中加入一定比例的水蒸汽, 明显地降低反应过程积炭的发生. 上述现象和结论也得到其他学者验证[16].通过将两种添加了YZS 的金属氧化物NiO 和CoO 组合, 本研究集体又制备了一种新的双金属固体循环材料CoO-NiO/YSZ. 研究发现, 这种新材料具有很好的反应性和再生性, 且完全避免了炭沉积.图9显示了新材料颗粒形貌与5次和10次循环后的比较. 10次循环后, 固体颗粒与新鲜颗粒表面形貌特征相似, 可见CoO-NiO/YSZ 具有良好的再生性. 此外, NiO 与CoO 固体溶解时形成NiCoO 2也促进了固体颗粒的良好物理强度. CoO-NiO/YSZ 的成功制备开辟了由单一金属氧化物循环材料到多金属氧化物循环材料的氧载体研究新方向.以目前氧载体研究状况来看, 氧载体研究仍以 图7 NiO/NiAl 2O 4与NiO/Al 2O 3、NiO/YSZ 特性比较图9 CoO-NiO/YSZ 反应后微观形貌29992008年12月 第53卷 第24期实验为主, 且绝大多数研究基于气体燃料, 因此开发、制备适合固体燃料的氧载体, 完善理论模型, 寻找廉价、环保、循环性能好的氧载体材料是今后氧载体研究的重点. 2.2 化学链燃烧反应器化学链燃烧系统要求反应器的设计要使得运行过程中气体与固体氧载体能够很好接触, 燃料反应器与空气反应器间循环良好, 且尽可能地避免反应器漏气, 因为漏气不仅会稀释CO 2的浓度, 同时会降低CO 2的捕集率. 化学链燃烧反应器的研究经历了固定床反应器和流化床反应器两个阶段. 为了使化学链燃烧反应能够满足工程实际运行需要, 自2001年以来, 小型流化床、串行流化床化学链燃烧反应器被相继提出, 并建立了中试运行装置. 瑞典查尔姆斯科技大学Lyngfelt 教授等人[8,9]研究设计的串行流化床被认为是目前较为理想的化学链燃烧反应器, 其结构如图10.图10 串行流化床机构示意图该反应器系统由三部分组成: 高速提升流化床1、旋风分离器2、低速鼓泡流化床3. 在鼓泡流化床(燃料反应器)中, 氧载体颗粒与燃料反应, 氧载体颗粒被还原后经溢流装置进入高速流化床(空气反应器). 在高速流化床中, 氧载体氧化再生后被高速气流带入旋风分离器2中进行气固分离, 分离出的固体氧载体颗粒进入鼓泡流化床中重新进行还原反应. Lyngfelt 等给出了该反应装置的关键设计参数, 如氧载体颗粒总量、再循环速率等, 并确立了这些参数与氧载体循环特性之间的关系. 为研究反应器漏气, Lyngfelt 等对串行流化床的流动特性进行了冷态模型试验[30], 结果表明燃料反应器漏气率为2%, 即CO 2的捕集效率为98%, 没有气体从旋风分离器进入燃料反应器, 而从流动密封阀进入燃料反应器的漏气率为6%, 降低了CO 2的浓度. 但Lyngfelt 指出通过用水蒸气代替用来流化流动密封阀的空气, 可以有效避免漏气的产生.串行流化床设计提出后, 一些国家的研究者相继建立起串行流化床的CLC 运行装置, 并在这些装置上展开了对氧载体材料的性能测试. Lyngfelt 等在世界上首次对串行流化床反应器进行了中试验证, 搭建了世界上第一台连续运行的10 kW th 化学链燃烧中试装置, 并对Ni 基氧载体进行了测试[31]. Abad 等在300W th 连续运行的实验室CLC 单元上对NiO/ MgAl 2O 4, Mn 3O 4/Mg-ZrO 2的反应特性进行了研究[32]; 西班牙CSIC 的Diego 等人[33]也成功搭建了10 kW th 的串行流化床中试装置. 为了更好地满足和适应工程大规模化应用, 当前挪威科技工业研究院和挪威理工大学又研制了100 kW th 的旋转化学链燃烧反应器.早期串行流化床反应器的设计均以燃烧气体燃料为出发点, 为寻找适合固体燃料燃烧的廉价、经济氧载体, 查尔姆斯科技大学设计了用于固体燃料的10 kW th 流化床反应器[34], 如图11所示. 该反应器与用于气体燃料的反应器相类似, 但对燃料反应器进行了修改, 增加了用于固体燃料的固体再循环线路. 查尔姆斯科技大学对采用南非煤炭和石油焦为燃料时, 钛铁矿氧载体性能进行了测试[34~36]: 在采用南非煤炭时, CO 2捕集率在82.5%~96%; 采用石油焦时, 由于石油焦反应性比南非煤炭差, CO 2捕集率在60%~75%. 虽然该装置在应用中仍存在许多由外部因素引起实际问题, 如燃料输送、气体分析等, 但该测试证明了固体燃料在CLC 中应用的可能性.在反应器理论研究方面, 美国阿贡国家实验室和美国能源部的Gamwo 等人[37]在粒化温度动力理论的基础上, 建立了描述CLC 燃料反应器多相动力学的模型. 模拟计算结果表明, 燃料反应器中快速、大尺寸气泡的存在是造成CLC 燃料转化率低的部分原因, 并指出通过采用纳米级尺寸的氧载体颗粒可以有效降低大尺寸气泡的出现.3000。
污泥化学链燃烧过程中氮迁移转化特性研究
在化学链燃烧过程中， 已有部分研究机构针对 煤化学链燃烧过程中氮的迁移转化特性开展了研究 工 作 。 S o n g 等[4, 5]基 于 NiO / A l2O 3 和赤铁矿载氧 体研究了煤化学链燃烧氮的迁移转化， 结果表明， 燃 料反应器出口烟气中未检测到 N O 和 NO 2,含氮气 体 仅 为 N :。 Mendiara 等[6]以钛铁矿为载氧体， 考察 了褐煤化学链燃烧过程中氮的迁移转化。实验结果 与 S o n g 等[4, 5]的研究结果类似:燃料反应器出口烟 气中主要的含氮气体为％ ， 约 占 生 成含氮气体的 9 9 % ;空 气 反 应 器 出 口 烟 气 中 检 测 到 少 量 的 NO 生成。 然而， 污泥中氮的存在形式与煤中氮的存在形 式有显著的差异， 有关污泥化学链燃烧过程中氮氧 化物的排放特性的研究报道极少。因 此 ， 探究污泥 化学链燃烧过程中燃料氮的迁移转化是污泥化学链 燃烧领域具有科研前沿的课题之一， 对污泥化学链
关键词： 污泥； 赤铁矿； 水泥； 化学链燃烧； 氮迁移 中图分类号 ： X703 文献标识码 ： A
Nitrogen transformation in chemical looping combustion of sewage sludge
NIU X in ， XIAO Jun * (Key Laboratory o f Energy Thermal Conversion and Control o f Ministry o f Education ， School o f Energy and Environment， Southeast University， Nanjing 210096， China)
Abstract： The experiments were conducted in a bench-scale fluidized-bed reactor. To improve the reactivity of
化学链燃烧-清洁高效发电技术协作网2016年会主旨报告-蔡宁生(1)
电
CO2压缩、 埋存、利用
空气 富氧燃烧
空分
现有的CO2分离均将使系统效率降低~10%
迫切需要研发高效、低成本的CO2分离方法
全球变暖与CO2减排
美国能源部CO2减排技术路线
8
化学链燃烧是最 具降低能耗潜力 的CO2捕集技术
CO2 捕集技术 IGCC燃烧 前捕集 富氧燃烧 化学链燃烧 成本 €/t-CO2 18-37 13-30 6-13
良好的反应活性，不低的供氧量 抗磨损，颗粒寿命长 良好的流态化特性，不易团聚 成本低
环境友好
国内外发展现状
瑞典查尔姆斯理工大学
12
100kWth反应器系统设计与运行
空气反应器和燃料反应器均为快速床， 两个反应器之间加有炭分离器 通过空气反应器的提升管控制循环量 反应器系统复杂 煤焦易进入空气反应器，系统碳捕集 效率不高（60-80%），炭分离器性能 需提升 一部分未燃尽的气体（CO，H2等）未 能充分转化，从燃料反应器出口排出。 在出口补充纯氧，转化这部分气体，
全球变暖与CO2减排
汽轮机 燃料 燃烧后 空气 N2 空气 燃烧前 空分 锅炉
目前CO2减排技术的高能耗高成本
7
电 200° C,1bar CO2分离 烟气 3~15%CO2
400° C, 气化/ 65bar H2 CO 分离 2 燃料 重整 合成气 燃气轮机 空气 40%CO2 蒸汽 热 循环 O2 N2 汽轮机 O2 燃料 锅炉 电
化学链燃烧技术研发历史
10
1946 Gilliland 申请专利 “生成工业用合成气” 利用氧载体与烃反应 （US2671721） 1950 Lewis 和 Gilliland 利用氧载体与含碳燃料反应生产纯的CO2 （US2665972）
煤炭清洁高效利用与新型节能技术重点专项2016年度立项
姜忠义
3306.00
6
2016YFB0600600
燃煤PM2.5及Hg控制技术
华中科技大学
于敦喜
3500.00
7
2016YFB0600700
燃煤锅炉污染物（SO2、NOx、PM）一ห้องสมุดไป่ตู้化控制技术研究及工程示范
中节能工业节能有限公司
任育杰
2530.00
8
2016YFB0600800
CO2低能耗捕集与地质封存利用的关键基础科学问题研究
“煤炭清洁高效利用与新型节能技术”重点专项2016年度立项项目清单
序号
项目编号
项目名称
项目牵头承担单位
项目
负责人
中央财政经费
（万元）
1
2016YFB0600100
煤炭超临界水气化制氢和H2O/CO2混合工质热力发电多联产基础研究
西安交通大学
郭烈锦
3000.00
2
2016YFB0600200
超超临界循环流化床锅炉技术研发与示范
神华国能集团有限公司
凌文
4290.00
3
2016YFB0600300
低变质煤直接转化制高品质液体燃料和化学品的基础研究
大连理工大学
胡浩权
3000.00
4
2016YFB0600400
煤热解气化分质转化制清洁燃气关键技术研究
陕西煤业化工集团有限责任公司
郑化安
4955.00
5
2016YFB0600500
煤转化废水近零排放及资源化关键技术研究与应用示范
低品位余能回收技术及热泵装备研发与示范
上海交通大学
王如竹
2500.00
化学链燃烧技术中材料体系研究进展
化学链燃烧技术中材料体系研究进展材料工程0801 学生：赵宇指导老师：钱旭坤摘要介绍了化学链燃烧（CLC）技术的基本概念其原理，指出了其具有在燃烧过程中捕获高浓度CO2，同时消除大气污染物（NOX）等优点。
本论文主要在化学链燃烧技术中材料方面进行介绍因此主要针对载氧体材料。
总结了该领域最近几年新开发的单金属氧化物、复合金属氧化物以及非金属氧化物载氧体的最新研究进展。
对具有广泛前景的固体燃料化学链燃烧技术及其合适的载氧体做了综述。
最后，对化学链燃烧技术中于载氧体相关的重点问题做了展望。
关键词：化学链燃烧载氧体材料燃料AbstractDescribes the chemical looping combustion (CLC) technology, the basic concept of the principle that its capture in the combustion process with high concentrations of CO2, while eliminating air pollutants (NO X) and so on. This thesis in chemical looping combustion of materials are introduced so the main material for the oxygen carrier. Summarizes the areas of new development in recent years, the single metal oxides, mixed metal oxides and metal oxide oxygen carrier of the latest research progress. Prospects for a wide range of chemical looping combustion of solid fuel and oxygen carrier the right to do a review. Finally, the chemical looping combustion in the oxygen carrier to do the key issues related to the prospect.前言化学链燃烧(CLC)是一种新的无火焰燃烧技术，该技术具有非常高的能源利用效率，没有NOX等污染物释放。
清洁高效发电技术进展及发展趋势
清洁高效发电技术进展及发展趋势
蔡宁生教授 清华大学热能工程系 汇报人：赵文瑛博士 电力规划设计总院
2015年11月
目录
2/22
专题介绍 最新研究进展与发展趋势 小结
专题介绍
3/22
发展和采用清洁高效发电技术对降低能源消耗、减少环境污染物排放、优化 我国能源结构及促进能源可持续发展具有非常重要的意义。
加快燃用劣质燃料的300-600MW高效、低成本排放控制CFB锅炉研制和工程应用 开展600MW等级超超临界循环流化床发电技术的自主研发和示范工程
4. 煤炭清洁利用
13/22
褐煤发电技术 常规燃褐煤发电机组具有能耗高、厂用电率大、初始投资高等缺点
华能九台电厂2×660MW超临界机组是目前国内褐煤发电的最高水平，机组燃用 全水分32.8%褐煤，蒸汽参数25.4Mpa/569℃/571℃，电厂发电效率达到43.75%， 供电煤耗为298.28g/kWh
10/22
3. 循环流化床(CFB)
11/22
CFB发电技术是国际上公认的商业化程度最好的清洁煤发电技术之一。在我国，高效、 低污染地利用劣质煤发电对于大型循环流化床锅炉有着重大需求
2014年4月14日，四川白马600MW超临界循环流化床锅炉示范工程通过168小时满 负荷试验，是世界上的第一台600MW 超临界循环流化床锅炉，表明我国在循环 流化床燃烧技术的研究和开发以及工程实施达到了世界领先水平
多种污染物的一体化脱除技术将是未来发展趋势
2. 整体煤气化联合循环(IGCC)
9/22
目前，国内外处于商业示范运行的纯发电IGCC电站有6座，分别为：美国的Tampa、 Wabash River电站，荷兰Buggenum电站，西班牙Puertollano电站，日本的Nakoso电站， 我国的华能天津IGCC示范电站
化学链技术进展
渐增加。 英国纽卡尔斯大学 Ｄ ｎｎ ａ ｙ Ｍ ａ ｋ 指 出， 利用化 学链技术 中循环 的氧化还原反应制备合成气 （ Ｃ Ｏ 、 Ｃ Ｏ ： 和Ｈ ： ） ， 再利用 Ｐ Ｓ Ａ技术将 Ｈ 从合成气 中分离 出来 ， 从而达到循环制备高纯度氢气的效果 。 昆明理 工大学 Ｘ ｉ ｎ ｇ Ｚ ｈ ｕ教 授 在 化 学 链 技 术 的背 景 下 提 出 了一 种水 解离 的制 氢方法 。
次会 议 。 本 次 会 议 旨在 在 学 术 交 流 平 台上 促 进 和加 强
为第 二 特 邀 报 告 人 就 固体燃 料化 学 链 燃 烧 的现 状
与发展进行报告 。会议第一个主题报告有关化学链 技术的中试实验装置 。 该部分 由来 自西班牙的 Ｊ ｕ ａ ｎ
Ａ ｄ ａ ｎ ｅ ｚ Ｅ ｌ ｏ ｒ ｚ ａ 教授 和来 自美 国的 Ｒ ａ ｎ ｉ ａ ｎ ｉ Ｓ ｉ ｒ ｉ ｗ ａ ｒ ｄ ａ ｎ ｅ 教 授 共 同 主 持 ， Ｄ ｏ ｎ ｇ ｍ ｅ ｉ Ｚ ｈ ａ ｏ ， Ｊ ｉ ｅ ｈ ｅ ｎ Ｍａ ， Ｆ ｅ ｌ ｉ ｘ
Ｄｏ ｎ ａ ｔ ， Ｓ ｈ ｉ － Ｙｉ ｎ ｇ Ｌ ｉ ｎ， Ｔ ｅ ｒ ｅ ｓ ａ Ｂｅ ｒ ｄ ｕ ｇ ｏ Ｖｉ ｌ ｃ ｈ ｅ ｓ ， Ｃａ ｒ ｌ
Ｊ ｏ ｈ ａ ｎ Ｌ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｈ ｏ ｌ ｍ， Ｋ ｅ ｖ ｉ ｎ Ｊ ． Ｗｈ ｉ ｔ ｔ ｙ 等 国 内外著 名 研究 人 员 主讲 。 瑞 典查 尔姆 斯 理 工 大 学 赵 冬 梅 在 １ ２ ＭＷｔ ｈ的
循 环流化床上做 了基于锰矿石载氧体的生物 质化
学链 燃烧 的研 究 ， 利用 Ｓ Ｅ Ｍ 的分 析方 法对 反应 前 后
的锰矿石载氧体进行分析 ， 并对生物质灰对载氧体
3MWth化学链燃烧装置设计方法
3MWth化学链燃烧装置设计方法李振山;成茂;陈虎;蔡宁生;李维成;岳鹏飞【期刊名称】《新能源进展》【年(卷),期】2018(006)003【摘要】反应器系统是以煤为燃料的化学链燃烧系统的基础组成部分,是提供载氧体反应的场所,可将载氧体以合适的速率在不同的反应器之间传输,实现气固分离和不同性质颗粒的分离.因此,设计、研究反应器系统是实现以煤为燃料的化学链燃烧的根本前提.本文对反应器系统中的空气反应器、燃料反应器、炭分离器及整体的循环特性进行研究,总结建立了以煤为燃料的化学链燃烧反应器系统的设计方法,在此基础之上设计了3 MWth的化学链燃烧示范装置,为以煤为燃料的化学链燃烧热态系统的建造与运行奠定了基础.【总页数】6页(P169-174)【作者】李振山;成茂;陈虎;蔡宁生;李维成;岳鹏飞【作者单位】清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084;清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084;清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084;清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084;东方电气集团东方锅炉股份有限公司清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室,四川自贡643099;东方电气集团东方锅炉股份有限公司清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室,四川自贡643099【正文语种】中文【中图分类】TK0【相关文献】1.民用飞机辅助动力装置舱排液装置设计方法研究 [J], 刘大;章弘;周宇穗2.煤化学链燃烧装置中串联分离器的数值模拟与性能优化 [J], 姜旭;王翠苹;张龙龙3.3MWth煤化学链燃烧装置的设计计算与分析 [J], 陈虎;李振山;蔡宁生4.含储能装置的园区综合能源系统三级协同规划设计方法 [J], 郑海雁;邹磊;杨斌;薛溟枫;唐一铭;汪超群5.舞台装置结构设计方法及力学分析探究——以《基督山伯爵》舞台装置结构设计为例 [J], 常建军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
对在我国创新发展洁净燃煤发电技术的建议
对在我国创新发展洁净燃煤发电技术的建议
蔡宁生;章名耀
【期刊名称】《洁净煤燃烧与发电技术》
【年(卷),期】2000(000)003
【摘要】对几种洁净燃煤发电技术（ＣＦＢＣ、ＰＦＢＣ－ＣＣ和ＩＧＣＣ）的特点，国内外发展基础和方向作简要分析，提出在我国的研究开发基础上发展有创新特点的部分气化循环床燃烧联合循环（ＰＧＣＦＢ－ＣＣ）发电技术的方案。
【总页数】4页(P1-4)
【作者】蔡宁生;章名耀
【作者单位】东南大学热工程研究所,南京;东南大学热工程研究所,南京
【正文语种】中文
【中图分类】TM611
【相关文献】
1.对我国发展洁净燃煤发电技术的一些看法 [J], 吴一权;吴履琛
2.超超临界燃煤发电技术是我国目前发展洁净煤发电技术的优先选择 [J], 李君;吴少华;李振中
3.超超临界燃煤发电技术是我国目前发展洁净煤发电技术的优先选择 [J], 李君;吴少华;李振中
4.对在我国创新发展洁净燃煤发电技术的建议 [J], 蔡宁生;章名耀
5.对我国发展洁净燃煤发电技术的一些看法 [J], 吴履琛;王晓为
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化学链燃烧技术的研究进展
化学链燃烧技术的研究进展
秦翠娟;沈来宏;肖军;高正平
【期刊名称】《锅炉技术》
【年(卷),期】2008(039)005
【摘要】化学链燃烧技术是一种高效、清洁、经济的新型无火焰燃烧技术.介绍了化学链燃烧的基本概念及特点,总结了载氧体、化学链燃烧反应器及化学链燃烧系统分析的研究进展,并指出了化学链燃烧技术仍存在且亟待解决的问题.非金属载氧体、同体燃料化学链燃烧是该技术的最新研究热点,其中固体燃料化学链燃烧是未来研究的重要趋势.
【总页数】10页(P64-73)
【作者】秦翠娟;沈来宏;肖军;高正平
【作者单位】东南大学,洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏,南
京,210096;东南大学,洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏,南京,210096;东南大学,洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏,南京,210096;东南大学,洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏,南京,210096
【正文语种】中文
【中图分类】TQ534
【相关文献】
1.国内化学链燃烧技术研究进展 [J], 王坤;张利;徐元孚;王梓越;王建;
2.国内化学链燃烧技术研究进展 [J], 王坤;张利;徐元孚;王梓越;王建
3.化学链燃烧技术中非金属载氧体的研究进展 [J], 闫晓沛;马立超;张海峰
4.化学链燃烧技术中载氧体的研究进展 [J], 李媛;谢红艳;张俊涛
5.固体化学链燃烧技术及污染物释放研究进展 [J], 胡东海;黄戒介;李春玉;余钟亮;康思乐;张建利;王志青;杜梅杰;房倚天
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基于CPD模型数据的煤粉单步热解模型
基于CPD模型数据的煤粉单步热解模型陈登高;张志;李振山;蔡宁生【期刊名称】《燃烧科学与技术》【年(卷),期】2016(022)005【摘要】基于化学逾渗脱挥发分(CPD)煤热解模型数据，以单步热解模型为基础建立了煤热解新单步模型。
新模型的特点是指前因子与活化能随煤粉颗粒升温速率的变化而变化，而不再是常数；实际挥发分析出量同样与升温速率和热解温度相关联。
利用实验数据对新模型进行了验证，并离线计算、比较了新模型与现有单步模型的计算结果。
在此基础上，通过编写UDF将新模型添加到商业CFD计算软件Fluent平台上，利用新模型对煤热解实验结果进行了模拟与对比。
结果表明，与Fluent 默认单步模型相比，模拟得到的挥发分析出量及热解速率与实验结果更接近。
【总页数】6页(P413-418)【作者】陈登高;张志;李振山;蔡宁生【作者单位】清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084;清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084;清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084;清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TK123【相关文献】1.煤粉热解的挥发份组分析出模型 [J], 陈彩霞;孙学信;马毓义2.单颗粒煤粉热解过程中的破碎模型 [J], 金光;张昕悦;王俊峰;武文斐3.简化的Solomon热解模型和旋流煤粉燃烧NO生成的数值模拟 [J], 张宇;周力行;张健4.考虑热解产物组分的煤粉着火燃烧数学模型 [J], 齐永锋;章明川;于娟5.在变环境温度条件下煤粉热解通用模型的应用 [J], 傅维标;余卫舵因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
化学链燃烧在二氧化碳减排中的应用及其研究进展
化学链燃烧在二氧化碳减排中的应用及其研究进展
冯飞;公冶令沛;魏龙;张蕾
【期刊名称】《化工时刊》
【年(卷),期】2009(23)4
【摘要】随着人们对二氧化碳减排的日益重视,化学链燃烧(Chemical Looping Combustion,CLC)技术因为其具有高效、二氧化碳内分离和低NOx等特点,已受到较多关注.介绍了化学链燃烧的基本概念和特点、目前国内外的研究情况以及未来的发展趋势.
【总页数】5页(P67-71)
【作者】冯飞;公冶令沛;魏龙;张蕾
【作者单位】南京化工职业技术学院,江苏,南京,210048;江苏徐塘发电有限公司,江苏,徐州,221300;南京化工职业技术学院,江苏,南京,210048;南京化工职业技术学院,江苏,南京,210048
【正文语种】中文
【中图分类】X8
【相关文献】
1.化学链燃烧方式中氧载体的研究进展 [J], 刘黎明;赵海波;郑楚光
2.化学链燃烧中载氧体的研究进展 [J], 王洪敏
3.微藻生物技术在二氧化碳减排和生物柴油生产中的应用研究进展 [J], 李健;王广策
4.森林管理在二氧化碳减排中的应用 [J], 徐丽玛
5.化学链燃烧工艺中载氧体的研究进展 [J], 刘海涛;高海潮;高志芳
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搭建热态化学链反应器系统，长时间连续运行，测试开发的氧载体
热态
FR
•尺寸：Ф50mm，总高6m
AR
•物料量：~7kg (125~300μm) •反应温度：900℃ •总气流量：2.7Nm3/h
清华大学的相关研究
高活性、低成本氧载体研发
23
钾修饰钛铁矿（含10%钾）连续测试
700~900℃ 加料 600g改进 稳定运行 升温 加料 降温 降温
全球变暖
• •
全球变暖
3
过去100多年，地表平均温度上升了近0.85℃ 自1880年以来，共出现14个最暖年份，其中13个年份 出现在21世纪，而2015年又刷新了纪录。
以近三十年平均地表温度为基准点
21世纪的高温 近三十年地表 平均温度 近一百多年地 表平均温度
注：美国国家海洋和大气管理局数据
美国能源部2010年碳减排技术路线
化学链燃烧技术介绍
9
Me
MeO
空气反应器： Me O2 MeO 燃料反应器: MeO Cn H2m Mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ H2O CO2
Cn H 2m O2 CO2 H 2O
与传统燃烧不同，燃烧技术的变革
等价于:
CO2内分离，具有降低CO2分离能耗的优势 燃料反应器中污染物富集，具有良好的环保和经济效益
1994年，日本学者石田和中国学者金红光首先提出将其用于CO2捕集 （US5447024）
2001年，Lyngfelt等设计出串行流化床反应器应用于化学链燃烧
2013年，1 MWth的化学链煤燃烧装置在德国运行，验证了化学链技 术的可行性
国内外发展现状
氧载体的开发与测试
瑞典查尔姆斯理工大学
日本、韩国、中国相关工作
日本煤炭研究中心（J-Coal）设计建立100kWth化学链装置，燃料反应器采用双鼓 泡床。日本企业界后续将建立MW级化学链示范装置 韩国能源研究院专注于化学链气体燃烧，采用镍基氧载体，计划建立0.5MW装置 东南大学设计建造5kWth化学链煤燃烧装置，燃料反应器采用多鼓泡床串联结构 华中科技大学已建50kWth双鼓泡床化学链装置，采用钛铁矿作为氧载体
国内外发展现状
研究 机构 CSIC CSIC CSIC CSIC Chalmers Chalmers Chalmers Chalmers 实验 序号 Test1 Test2 Test2 Test3 M-I Ce-II Ce-III 钛铁矿 171 μm 钛铁矿 200 μm 氧载体 平均粒径
各机构实验装置运行的普遍问题
电
CO2压缩、 埋存、利用
空气 富氧燃烧
空分
现有的CO2分离均将使系统效率降低~10%
迫切需要研发高效、低成本的CO2分离方法
全球变暖与CO2减排
美国能源部CO2减排技术路线
8
化学链燃烧是最 具降低能耗潜力 的CO2捕集技术
CO2 捕集技术 IGCC燃烧 前捕集 富氧燃烧 化学链燃烧 成本 €/t-CO2 18-37 13-30 6-13
AR出 气含氧 量（%）
参考 文献
南非烟煤 200 μm
963 970 991
约15
CSIC 2015
石油焦 79 μm
926 931
15.4 10.5 12.4 Pontus 2014
Cerrejon煤 43 μm
922
960970
65.0
98-99
Carl 2014
即使在较高的FR温度下（900-1000oC）碳捕集效率较低（60-90%）。与炭分离器性能有关
无烧结团聚
稳定运行期间CO转化率>79%
6.9~5.8kPa
28h 后 CO 转化率 仅 从 100% 降 低 至 89% ，长时间 维持较高的活性
4.3kPa
清华大学的相关研究
高活性、低成本氧载体研发
24
铜修饰锰矿（含2%铜）连续测试
CO完全转化，运行 稳定，无团聚。
铜浸渍对锰矿石破碎磨损特性无 显著影响。 破碎磨损规律：连续运行初期磨 损大，运行稳定后磨损大大降低， 寿命为770h。
化学链系统碳转化率低（~80%）。旋风的出口，较细的碳颗粒容易损失 燃料反应器需氧分数较高
空气反应器出口气含氧量偏高（10-15%），锅炉出口烟气含氧量一般低于5%
国内外发展现状
关键技术问题分析
18
未燃尽气体（CO和H2等）转化不充分。 需提高氧载体活性，同时控制制备成本。 煤焦易进入空气反应器，系统碳捕集效率低
17
燃料 平均粒径
FR 温度 （oC） 905
系统 碳转化 率(%) 83.9 82.0 80.1 87.0
CO2 捕集率 ηCC(%) 60.7 79.4 81.3 87.6 77.7 74.9 88.4
需氧分数 ΩOD(%) 7.7 7.5 7.4 8.6 14.8 19.4 25.7 17.0
但成本高
国内外发展现状
中试的初步尝试
瑞典查尔姆斯理工大学
13
以现有12MWth CFB锅炉作为空气反 应器，耦合2-4MWth气化反应器作为 燃料反应器。
生物质投入到燃料反应器中，锰矿 石作为氧载体，空气反应器作为锅 炉，产生热蒸汽区域进行供暖。
接近一半的生物质颗粒进入到空气 反应器中，直接与空气发生燃烧反 应。系统碳捕集效率低。
全球变暖与CO2减排
巴黎协定
5
2015年12月12 日
2016年4月22日
2016年11月4日
• 《巴黎协 定》签订
• 中美签署 《巴黎协定》
• 《巴黎协定》 正式生效
2℃
全球 目标
“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上 低于2℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化 前水平以上1.5℃之内；在本世纪下半叶实现温 室气体源的人为排放与汇的清除之间的平衡”
清华大学的相关研究
铁基氧载体气固反应机理研究
12 10
Fe转化率(%)
高活性、低成本氧载体研发
19
反应物表面被覆盖速率降低
Fe转化率(%)
5 4 3 2 1
8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 时间(min)
实验值 速率方程
T↑部分表面 重新暴露出来 速率增加
900°C 800°C 700°C
0
实验值 速率方程
0 10 20 30 40 50 60
50
60
时间(min)
700℃ 900℃
基于速率方程理论，建立模型，指 导氧载体开发
清华大学的相关研究
铜基氧载体团聚机理研究
高活性、低成本氧载体研发
20
还原产物厚度（m）
时间（s）
晶粒/颗粒
500℃时，铜烧结明显 还原过程中铜离子发生移动
大量的CO和H2（浓度约20%）从燃
料反应器中排出。
提出1000MWth化学链煤燃烧反应器系统的设计（Anders Lyngfelt）
国内外发展现状
氧载体的开发与测试
西班牙煤炭研究院
14
使用铜基氧载体，大大降低未燃尽气体，并加速煤焦转化，提高碳捕集效率 专注于铜基氧载体的开发，研究如何大规模低成本制备
25kWth反应器设计与运行
空气反应器和燃料反应器均为鼓泡床， 两个反应器之间加有炭分离器 通过返料阀控制循环量 使用钛铁矿，未见使用铜基氧载体 遇到的问题同查尔姆斯类似：碳捕集 效率低，未燃尽气体，系统复杂
提出100MWth化学链煤燃烧反应器系统 的设计（Juan Adanez）
需合理设计关键部件：炭分离器
空气反应器出口氧气浓度过高（10-15%）。 需合理设计空气反应器的结构，并优化空气反应器的运行 目前的流化床化学链燃烧系统，多达3个循环回路，系统过于复杂 需优化设计，使得反应器系统复杂度降低 反应器系统的热量平衡 实验室装置难以实现自热运行，需放大装置和优化运行参数
1886 2183 2342 3123 3809
83.4 76.3 76.8 72.5 71.5
345 619 642 1046 1318
15.3 21.6 21.0 24.3 24.7
31 59 66 140 201
1.37 2.06 2.16 3.25 3.78
中国目前CO2排放总量位居世界第一，煤电排放约占45%。
11
合成和测试一系列应用于气体燃料的氧载体（Fe, Mn, Cu, Ni, Co）
铜基等释氧氧载体，大大提高煤焦转化速率，并提出氧解耦化学链燃烧CLOU的概念
复合氧载体（Fe-Mn等），改善氧载体的吸氧与释氧特性 成本较低的天然矿石：钛铁矿，锰矿石连续测试
活性氧 惰性组分
化学链燃烧技术研发历史
10
1946 Gilliland 申请专利 “生成工业用合成气” 利用氧载体与烃反应 （US2671721） 1950 Lewis 和 Gilliland 利用氧载体与含碳燃料反应生产纯的CO2 （US2665972）
1983年，德国学者Richter 和Knoche 提出用于提高电厂热效率
全球变暖与CO2减排
汽轮机 燃料 燃烧后 空气 N2 空气 燃烧前 空分 锅炉
目前CO2减排技术的高能耗高成本
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电 200° C,1bar CO2分离 烟气 3~15%CO2
400° C, 气化/ 65bar H2 CO 分离 2 燃料 重整 合成气 燃气轮机 空气 40%CO2 蒸汽 热 循环 O2 N2 汽轮机 O2 燃料 锅炉 电
良好的反应活性，不低的供氧量 抗磨损，颗粒寿命长 良好的流态化特性，不易团聚 成本低