化学链燃烧
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。
对燃烧的进一步认识－－链式反应
对燃烧的进⼀步认识－－链式反应燃烧作为⼀种剧烈的化学反应，是可燃物与氧化剂作⽤发⽣的放热反应，通常伴有⽕焰、发热、发光或发烟现象。
可燃物燃烧导致的⽕灾给国家、给社会带来巨⼤的损害。
燃烧的要素是:①可燃物、②氧化剂、③温度(引⽕源)。
所以在灭⽕的过程中，采取的以下措施是:冷却灭⽕，将可燃物冷却到其燃点或闪点以下，使燃烧中⽌;窒息灭⽕，燃烧都必须在最低氧⽓浓度以上进⾏，因此，通过降低燃烧物周围的氧⽓浓度可以起到灭⽕的作⽤;隔离灭⽕，把可燃物与引⽕源或氧⽓隔离开来，燃烧反应就会⾃动中⽌。
但是，这些灭⽕的原理却不能够⽤来解释现在利⽤越来越⼴泛的卤代烷灭⽕剂的灭⽕原理。
看来，⽀持燃烧，还有我们不知道的要素在其中，它就是⼀⼀链式反应。
2链式反应(1)链式反应:链式反应是化学反应历程中⾮常重要的⼀种，它包括⼆个基⽊过程:链引发、链转移、链终⽌。
(2)链式反应的基本过程链引发:反应物在⼀定外界条件作⽤⼘，产⽣具有⾼度活泼化学形态的⾃由基的过程。
条件链转移:⾼度活泼的⾃由基与反应物继续反应，持续不断的⽣成新的物质与活泼的⾃由基。
链终⽌:活泼⾃由基与其它活泼微粒结合，形成较稳定的化合物，从⽽通过⾃由基的减少，使反应停⽌。
3燃烧中的链式反应燃烧有焰燃烧与⽆焰燃烧两种。
对于⽆焰燃烧，有可燃物、氧化剂、温度(着⽕点)⼆个条件同时存在，相互作⽤，燃烧即会发⽣。
但是对于有焰燃烧，除以上⼆个条件，燃烧过程中还必须存在未受抑制的链式反应，燃烧才能够持续下去，这亦是燃烧发⽣的充分条件之⼀。
在有焰燃烧中，当某种可燃物受热时，该可燃物的分⼦会发⽣热裂解作⽤从⽽产⽣⾃由基(游离基)。
⾃由基是⼀种⾼度活泼的化学形态，能与其它的⾃由基和分⼦反应，⽽使燃烧持续进⾏下去，这就是燃烧的链式反应。
如:燃料(烃类⼀RH)燃烧时，产⽣活性游离基H· 、·O·和·OH，并发⽣下列链式反应：（可燃物分解，吸热反应） （放热反应）最后⼀步为强烈的放热反应，放热量远⼤于第⼀步可燃物分解的吸热量，同时再次分解出游离的·0·和·OH，使得燃烧得以持续。
燃烧链式反应机理
燃烧链式反应机理燃烧链式反应机理是指在燃烧过程中，由于反应物分子的高能量状态，使得反应物分子发生分解、重组等反应，从而形成新的反应物分子和产物分子的过程。
这个过程是一个自我加速的过程，也就是说，一旦反应开始，就会不断地进行下去，直到反应物完全消耗或者反应条件发生变化。
燃烧链式反应机理可以分为三个步骤：引发步、传递步和终止步。
引发步是指在燃烧开始时，由于外界的刺激（如火花、高温等），使得反应物分子发生分解，从而形成自由基。
传递步是指自由基与反应物分子发生反应，从而形成新的自由基和产物分子。
终止步是指自由基与反应物分子或其他自由基发生反应，从而形成稳定的产物分子，从而结束反应。
在燃烧链式反应机理中，自由基是非常重要的中间体。
自由基是指具有未成对电子的分子或原子，它们非常活泼，可以与其他分子或原子发生反应，从而形成新的自由基和产物分子。
自由基在燃烧过程中起到了至关重要的作用，它们可以引发反应、传递反应和终止反应。
在燃烧链式反应机理中，引发步是整个反应过程的关键。
引发步的发生需要外界的刺激，如火花、高温等。
一旦引发步发生，就会引起传递步的发生，从而形成越来越多的自由基和产物分子。
在传递步中，自由基与反应物分子发生反应，从而形成新的自由基和产物分子。
这个过程是一个自我加速的过程，也就是说，一旦反应开始，就会不断地进行下去，直到反应物完全消耗或者反应条件发生变化。
在燃烧链式反应机理中，终止步是整个反应过程的结束步骤。
终止步是指自由基与反应物分子或其他自由基发生反应，从而形成稳定的产物分子，从而结束反应。
终止步的发生需要一定的条件，如反应物浓度的降低、温度的降低等。
总之，燃烧链式反应机理是燃烧过程中非常重要的一个机理，它可以解释燃烧过程中的很多现象。
在燃烧过程中，自由基是非常重要的中间体，它们可以引发反应、传递反应和终止反应。
在燃烧过程中，引发步是整个反应过程的关键，一旦引发步发生，就会引起传递步的发生，从而形成越来越多的自由基和产物分子。
2 化学链燃烧之载氧体
溶胶
湿凝胶
湿凝胶
湿凝胶
陈 化 、 成 型
载氧体制备方法
载氧体 制备方 法 优点 缺点
机械混 合法
浸渍法 冷冻成 粒法
过程条件易控制， 目标产物产率高； 便于大规模生产
制备简单 组份混合程度好； 载氧体球形度好
组分混合均匀性差；产 品粒度分布不均； 易团聚，成本高
活性组分含量低； 活性组分分布不均匀 过程工艺复杂，成本高 醇盐价格昂贵；溶胶凝 胶制备过程时间长；凝 胶干燥中易出现气孔
1 mol CO2 2 mol H2O 1 mol CH4 还原反应器 530℃ 9.52 mol Air
4 mol NiO
氧化反应器 1200℃
G （a）CH4直接燃烧过程
4 mol Ni （b）化学链燃烧过程
化学链燃烧中载氧体把热量从空气反应器传递 到燃料反应器，与吸热反应有机结合的能量释放 方式，减小了燃料化学能转化为物理能过程的可 用能损失，实现了能量品位的梯级利用，提高能 量利用效率。
气稀释，因此CO2浓度很高 分离时只需要将H2O冷凝去除， 即可分离回收CO2， 不需要额外的CO2分离装置，降 低系统能耗及成本，提高系统效 率
化学链燃烧的优势
优势2—能量梯级循环利用
1 mol CH4 9.52 mol Air 1200℃ 燃烧室 1 mol CO2 2 mol H2O 7.52 mol N2 1200℃
载氧体的分类
分类 Cu基 CuO Cu2O Cu2O Cu Ni基 Mn基 Mn2O3 Mn3O4 MnO Fe基 Fe2O3 Fe3O4 FeO FeO Fe3O4 Fe Co基 Co3O4 CoO CoO Co Ca基
氧化态
NiO
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。
化学链燃烧技术的基本原理
化学链燃烧技术的基本原理一、引言在我们的日常生活中，燃烧是一种常见的化学反应过程，它能够将化学能转化为热能。
然而，传统的燃烧方式会产生大量的污染物，对环境造成了严重的破坏。
为了解决这一问题，化学链燃烧技术应运而生。
本文将详细介绍化学链燃烧技术的基本原理。
化学链燃烧技术是一种新型的燃烧方式，它利用催化剂将燃料与氧化剂结合，产生高效率、低污染的燃烧反应。
具体来说，化学链燃烧过程可以分为三个阶段：燃料阶段、氧化阶段和还原阶段。
1.燃料阶段在燃料阶段，我们将燃料引入燃烧室，例如天然气、石油或生物质等。
这些燃料与空气中的氧气发生化学反应，生成燃料离子和自由基。
这一阶段的反应速率较快，释放大量的热能。
2.氧化阶段在氧化阶段，燃料离子和自由基与空气中的氧气发生化学反应，生成二氧化碳和水蒸气。
这一阶段的反应速率较慢，是整个化学链燃烧过程的关键环节。
在这个阶段中，催化剂的作用至关重要，它可以显著提高反应速率和产物纯度。
3.还原阶段在还原阶段，未完全燃烧的自由基与催化剂发生反应，生成无污染的氢气、一氧化碳等还原性气体。
这些还原性气体具有较强的还原能力，可以进一步促进燃料与氧气的反应，从而提高燃烧效率。
同时，还原性气体也可以作为还原剂，在后续的反应中参与化学链的传递。
三、化学链的应用化学链不仅是一种高效的燃烧方式，而且具有广泛的应用前景。
它可以应用于各种类型的燃烧设备中，如燃气轮机、内燃机、锅炉等。
通过使用化学链燃烧技术，我们可以显著提高燃料的利用率，减少污染物的排放，同时降低设备的能耗和成本。
此外，化学链还可以应用于生物质能的开发利用中，实现资源的可持续利用。
四、结论化学链燃烧技术是一种新型的燃烧方式，它利用催化剂将燃料与氧化剂结合，产生高效率、低污染的燃烧反应。
通过燃料阶段、氧化阶段和还原阶段的协同作用，化学链燃烧技术可以显著提高燃料的利用率，减少污染物的排放，同时降低设备的能耗和成本。
随着环保意识的不断提高和技术的不断进步，化学链燃烧技术将在未来的能源领域中发挥越来越重要的作用。
煤基化学链燃烧系统的化学反应性能研究
摘要 ： 为了更有效地减少主要的温室气体 Ｃ ： Ｏ 的排放量 ， 在不添加额外 的分离装置和消耗额外能源 的情 况下 ， 急需找 到一
种可行的新型燃烧方式。 基于零 排放理念的化学链燃烧技术 ， 它不仅能有效地富集 高浓度的 Ｃ ： Ｏ， 而且还将 大幅提高能源的利用 效率 ， 实现多种污染物 的协同控制。 与煤焦反应时 ， 铁基氧载体表现出高的反应程度 ， 且尾气中 Ｃ Ｏ浓度均较低 ， 易于收集高浓度
的Ｃ ： Ｏ 。这些都证实了煤基 化学链燃烧技术的可行性 以及其低 排放特性 。 关键词 ：Ｏ ； 学链燃烧 ； Ｃ： 化 固定床反应器 ； 氧载体 ； 溶胶—凝胶法
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂ ｃ ｕ ｅ ｔ ｅ ｃ ｓ ａ ｓ ｄ ｂ ｈ ｌｂ ｌｗ ｒ ｎ ａ ｔ ａ ｔｄ ｍｏ ｅ ａ ｄ ｍｏ ｅ ａｔｎ ｉｎ，ａ ｎ ｗ ｃ ｍｂ ｓ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｓ ｒ ｃ ： ｅ ａ ｓ ｈ ｒ ｉ ｃ ｕ ｅ ｙ ｔ ｅ ｇｏ ａ ａ ｍｉ ｇ ｈ ｓ ａｔ ｃｅ ｒ ｎ ｒ ｔ ｔ ｉ ｓ ｒ ｅ ｏ ｅ ｏ ｕ ｔ ｎ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｉ ｗ ｔｏ ｔ ｐ ｃａ ２ｓ ｐ ａ ｉｎ ｅ ｕｐ ｎ ｎ Ｄ＇ ｎ ｒ ｙ ｃ ｎ ｕ ｔ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｏ ｒ ｄ ｃ ｈ Ｏ２ｅ ｓ ｉｎ ｅ ｅ ｔ ｅ ｙ Ｔ ｅ ｃ ｅ ｃ ｉ ｕ ｅ ｉ ＣＯ ｅ ａ ｔ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｄ ｍＯ Ｅｅ ｅ ｇ ｏ ｓ ｍｐ ｉ ｓ ｅ ｄ ｄ ｔ ｅ ｕ ｅ ｔ ｅ Ｃ ｍｉ ｏ ｆ ｃｉ ｌ ． ｈ ｈ ｍｉａ ｈ ｓ ｌ ｒ ｏ ａ ￣ ｏ ｓ ｖ ｌ ｌｏ ｉｇ ｃ ｍｂ ｓｉｎ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ，ｗ ｉｈ ｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｐ ｎ ｉｌ ｆｚ Ｙ ｍｉｓ ｎ，ｃ ｎ ｎ ｔ ｎ ｙ ｅ ｒ ｈ ｈ ｇ Ｏ２ ｏ ｃ ｎ ａｉｎ，ｂ ｔａｓ ｏ ｐ ｎ ｏ ｕ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｏ ｙ ｈ ｃ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｒ ｃｐ ｅ ｏ ｅｏ ｅ ｓ ｉ ｉ ｏ ａ ｏ ｌ ｎ ｃ ｉｈ Ｃ ｎ ｅ ｔ ｔ ｏ ｉ ｃ ｒ ｏ ｕ ｏ ｌ ｉ ｃｅ ｓ ｈ ｎ ｒｙ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｆ ｃ ｅ ｃ ｎ ｅ ｒ ａ ｅ ｔ ｅｅ ｓｉ ｎ ｏ ａｉｕ ｏ ｌｔ ｎｓ Ｉ ｅ ｃ ａ／ ｉ ｃ ｃｅｒ ａ ｔ ｎ ｅ ｂ ￣ ｄ ｏ ｙ ｅ ｎ ｒ ａ ｅ ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ｏ ｖ ｒｉ ｎ ｅ ｉｎ ｙａ ｄ ｄ ｃ ｅ ｓ ｈ ｍｉｓｏ ｆ ｒｏ ｓｐ ｌ ａ ｔ． ｎ ｔ ｈ ａｒ ｙ ｌ ｅ ｃｉ ，Ｆ － ａ ｅ ｘ ｇ ｎ ｉ ｖ ｕ ｈ ｒ ｏ ｓ ｃ ｒ ｅｓｈ ｖ ｉｈ ｒ ｅ ｃｉｎ ｃ ｎ ｅ ｓ ｎ ｒｔ ｎ ｗｅ Ｏ ｃ ｎ ｅ ｔａｉｎ ｉ ｕ ａ ｈ ｃ ａ ｉｒ ｏ ｅＣＯ２ ａ ｔ ｒ ． ｌ ｖｄ ｎ ｅ ｂ ｖ ａｒ ｒ ａ ｅｈ ｇ ｅ ａ ｔ ｏ ｖ ｒｉ ａｉ ａ ｄ ｌ ｒ ｏ ｃ ｎ ｒｔ ｆ ｅｇ ｓ ｉｈ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｐ ｕ ｅ Ａｌ ｅ ｉ ｅ ｃ ｓ ｏ ｅ ｉ ｒ ｏ ｏ ｏ ｏ Ｃ ｏ ｎｌ ｗ ｓｓ ｆ ｔ ｃ ａ ｃ ｎｔ ｓ ｆ ｅ ｅ ｓ ｉ ｔ ｏ ｅ ｃ ｏ ｉ ｇｃ ｍｂ ｓｉｎｏ ｏ ａ ｅ ｎ ｓｌｗｅ ｍｉｓ ｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ． ａ ｔ ｙｔ ａ ｉ ｌ ｙ ｆ ｈ ｍｉａ ｌ ｐ ｎ ｏ ｕ ｔ ｆ ａ ｂ ｓ ｄ ａ ｄ ｉ ｅ ｉ ｈ ｆ ｂ ｉ ｃ ｌ ｏ ｏ ｃｌ ｔ ｏ ｒｅ ｓ ｉ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｏ ｉ ｃ Ｋｅ ｒ ｓ Ｃ ； ｈ ｍｉａ ｏ ｉ ｇｃ ｍｂ ｓ ｏ ； ｘ ｄ ｂ ｄｒ ａ ｔｒ ｘ ｇ ｎ ｃ ｒｉｒ Ｓ ｌ Ｇｅ ｔ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｏ２ｃ ｅ ｃ ｌ ｏ ｐｎ ｏ ｕ ｔ ｎ ｆ ｅ ｅ ｃｏ ，ｏ ｙ ｅ ａ ｒ ； ｏ— ｌ ｌ ｉ ｉ ｅ ｅ ｍｅｈ ｄ
化学链燃烧.ppt
化学链燃烧反应器
表1 化学链燃烧反应器的研究情况
研究者（年份）
研究内容
(瑞典)Lyngfelt(2001)
首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004)
(韩国)Ryu (2004)
串行流化床的冷态试验，气体泄漏问题严重，可通过向反应器间 密封回路喷入水蒸气予以解决
• 瑞典Johansson 在流化床上以CH4+H2O/O2+N2 为燃料对比NiO/NiAl2O4 ,NiO/MgAl2O2 种 载氧体，选择更适合的载氧体,对比连续与间歇性试验2种不同的试验方法
• 中国郑瑛等在TGA 上以CH4 为燃料验证了CaSO4 作为载氧体时SO2 排放的存在 • (瑞典)Leion 在流化床上以石油焦炭为燃料研究了温度，水蒸气，SO2 浓度对 载氧体Fe2O3/ MgAl2O4 反应速率的影响 • 西班牙Diego 在10 kW化学链燃烧装置上以CH4/空气为燃料研究了Cuo/Al2O3 作为氧载体时燃料转化率、运行过程中载氧体性能变
化学链燃烧
Chemical Looping Combustion
目录 Contents
基于氧载体的化学链燃烧技术 研究意义及特点 研究现状 载氧体
化学链燃烧反应器 化学链燃烧系统分析 固体燃料化学链燃烧技术
基于氧载体的化学链燃烧技术
循环氧载体
无火焰燃烧
图1 化学链燃烧原理示意图
根除燃料型NOx 生成 控制热力型NOx 产生
低耗能
可以通过低能耗的冷凝水蒸气的方法直接对CO2 进行高浓度富集，不需要常规的分离装置和额外 的能量，实现燃料燃烧和CO2 分离一体化，提高 了系统效率。
化学链燃烧的特性及应用研究
化学链燃烧的特性及应用研究化学链燃烧的特性及应用研究摘要：化学链燃烧是指化学反应过程中，反应物分子之间通过化学键的断裂和形成，从而引发链式反应，持续释放出大量的热能，同时产生了广泛的应用。
本文对化学链燃烧的机理、特性及其应用进行综述，讨论了燃烧过程中各种物质及环境因素对反应的影响，分析了不同反应体系的反应机理及特点，介绍了链式反应在工业生产、能源转化和环境治理中的应用，为相关领域的研究提供了一定的参考。
关键词：化学链燃烧；机理；特性；应用一、介绍随着工业和生活水平的不断提高，对各种能源的需求越来越大。
其中，燃煤、燃油等化石能源一直是主要的能源来源，但它们的产生和使用都会对环境造成很大的污染。
因此，开发一种环保、高效的能源转化技术成为当今科技研究的热点之一。
化学链燃烧是一种利用化学反应释放热能的过程，其控制能否高效地利用化学反应释放出的能量，进而使其产生广泛应用。
二、化学链燃烧的机理及特性化学链燃烧是由大量的自由基反应组成的过程。
在反应过程中，第一步通常为初始反应，也就是活化反应，通过高能激发或激发源的夹击等方式产生的裂解或形成碎片反应，从而形成自由基。
其中，自由基是化学链反应链传递的基本单元。
在反应中，自由基通过吸附或解离等方式与物质相互作用，产生新的自由基，形成了“自由基链”的传递机制。
这种链式反应的特点就是反应速度非常快，难以预计，同时也存在安全问题。
在化学链反应过程中，各项反应因素之间的关系非常复杂，受物质特性、反应体系、环境因素等多方面的影响，同时反应机理也具有很大的差异性。
三、化学链燃烧的应用1. 工业生产化学链反应在工业生产中有着广泛的应用。
例如，氯气氧气爆炸是一种非常高效的化学合成方法，其中的化学链反应起到了十分重要的作用。
而在生物科技领域，药物的合成、酶的制备等也同样离不开化学链反应的应用。
2. 能源转化化学链反应可以被应用于能源转化中，这是一种将燃料转化为电能的技术。
电化学反应链反应是其中的一个重要应用方向。
化学链燃烧技术
化学链燃烧技术
化学链燃烧（Chemical Looping Combustion，简称CLC）基本原理是将传统的燃料与空气直接接触反应的燃烧借助于载氧剂（OC）的作用分解为2个气固反应，燃料与空气无需接触，由载氧剂将空气中的氧传递到燃料中。
化学链燃烧技术主要由载氧体、燃料反应器和空气反应器组成。
载氧体作为氧载体，在两个反应器中循环，实现氧的转移。
因此，氧载体的性能对化学链燃烧技术的应用非常关键。
对化学链燃烧反应器的研究已从最初的TGA，而后采用固定床、小型流化床，目前进展到串行流化床中试试验。
Lyngfelt 等人在世界上首次对化学链燃烧概念采用串行流化床反应器进行了中试验证。
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 。
固体燃料化学链燃烧技术的研究进展
第33卷 第4期2010年10月煤炭转化COA L CON V ERSIONV ol.33 N o.4O ct.2010*国家自然科学基金资助项目(50776091)、中国科学院广州能源研究所所长创新基金重点培育项目(o807z 2)和中国科学院广州能源研究所所长基金资助项目(o807rf).1)硕士生,中国科学院研究生院,100039 北京;中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室,510640 广州;2)博士、副研究员;3)博士、研究员,中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室,510640 广州收稿日期:2010 04 21;修回日期:2010 06 09固体燃料化学链燃烧技术的研究进展*黄 振1) 何 方2) 李海滨3) 赵增立3)摘 要 介绍了化学链燃烧技术(chemical looping com bustion,CLC)的基本概念及其特点;分析了固体燃料CLC 的反应机理;总结了固体燃料CLC 中氧载体的研究进展;探讨了几种不同的固体燃料CLC 的反应器装置,指出串行流化床反应器是将来着重研究的装置;介绍了化学链制氢技术(chemical looping hydrogen,CLH )、化学链重整技术(chemical looping r eform ing,CLR)和非耦合氧化学链燃烧技术(chemical looping w ith o xy gen uncoupling ,CLOU )三种CLC 技术的拓展,指出了固体燃料CLC 中存在的问题及进一步研究的方向.关键词 固体燃料化学链燃烧,氧载体,反应器,化学链重整,化学链制氢中图分类号 O643.2+0 引 言随着全球人口和经济规模的不断增长,能源使用带来的环境问题不断地为人们所认识,不止是烟雾、光化学烟雾和酸雨等危害,大气中二氧化碳(CO 2)浓度升高带来的全球气候变化也已成为不争的事实.据世界气象组织报道,2005年地球大气中的温室气体二氧化碳的含量创下新高,达到379 1 10-6,比2004年的377.1 10-6增加了0 53%.因此,研究CO 2减排技术迫在眉睫.碳捕集与封存技术(CO 2capture and storage,CCS)被认为是降低大气中CO 2浓度的有效途径之一,但目前采用的燃烧前CO 2回收、纯氧燃烧、燃烧后分离CO 2三种技术均导致系统效率显著降低和发电成本增加.Bolland 等[1]的研究表明,如果在现有的燃煤电厂增加CCS 工艺流程,将使整个系统的发电效率降低8%~13%.因此,如果能在燃烧过程中就能够产生高浓度的CO 2或便于CO 2分离的气相混合物,同时消除其他污染物的生成,将会大大降低捕集、储存CO 2所需要消耗的能量和成本.化学链燃烧是具有上述特性的一种新型的燃烧方式,因而受到越来越多的关注.1 CLC 概念及其特点化学链燃烧技术是20世纪80年代由德国科学家Richter 等[2]提出来的一种新型燃烧概念,其技术原理见图1.该燃烧技术把燃烧过程分成两步进图1 化学链燃烧技术原理Fig.1 Schematic o f chemical lo oping combustion行,在燃烧室,燃料与氧载体反应生成二氧化碳和水蒸气,反应如式(1)所示:(2n +m )M e x O y +C n H 2m(2n +m )M e x O y 1+m H 2O+n CO 2(1)在氧化剂生成室,被还原的氧载体被空气重新氧化,恢复晶格氧,反应如式(2)所示:M e x O y 1+1/2O 2Me x O y(2)氧载体起到把氧从空气中传递到燃料中的作用.整个燃烧过程放出的热量与传统燃烧过程放出的热量是一样的,但通过分步进行,避免了燃烧产物CO 2被空气稀释,得到的高浓度CO 2气体可以收集封存,减少了温室气体的排放.[3]化学链燃烧方式把直接燃烧分解为两步反应的间接燃烧,实现了化学能的梯级利用[4],所以具有更高的能量转化效率.如果燃料完全燃烧,燃料反应器中的产物气体只有CO 2和水蒸气,气体通过冷凝、去除,便可得到高浓度的CO 2,不需消耗能量即可实现CO 2的分离,节省了成本.同时,燃料和空气经过两个不同的反应器,N2不参与燃烧反应,避免了燃料型的NO x的产生.与常规燃烧相比,两个反应器的运行温度较低,有效地控制了热力型和快速型N O x的产生.2 固体燃料的CLC技术目前,对化学链燃烧的研究绝大部分集中在气体燃料的化学链燃烧过程.显然,气体燃料(如天然气、合成气、H2和煤气化产物等)与固体氧载体之间的高反应性更利于CLC系统的实现及能量转换效率的提高,但是,在中国,天然气等气体燃料缺乏而固体燃料(煤、生物质和城市垃圾等)较为丰富,研究固体燃料的化学链燃烧对我国能源清洁、高效利用和减少温室气体排放具有积极的作用.固体燃料用于CLC过程有间接利用和直接利用两种方案.[5 10]间接利用方案是设计单独的固体燃料气化反应器,固体燃料在O2或O2+H2O的气氛下发生气化反应,生成CH4,CO和H2的合成气,合成气再通入燃料反应器与氧载体发生反应.该方案的缺点在于:多设计了一个气化反应器,需要制备纯氧,从而使系统的成本增加;优点是:通过气化反应器得到了合成气,有利于反应的实现和效率的提高.直接利用方案是将固体燃料直接引入CLC系统的燃料反应器中,气化和氧化反应在同一反应器中进行,简化了系统的布置.该方案又有两种不同的实现途径:一种途径是固体燃料与氧载体直接接触反应;另外一种是燃料首先气化,气化后的气体产物再与氧载体反应.第一种途径的问题是固体 固体混合不充分,从而使反应速率受到限制;第二种途径的问题在于固体燃料的气化是整个系统反应的控制步骤,其较低的气化速率限制了燃料的燃烧过程.目前,第二种途径的实现方式得到越来越多的认同,在研究中得到较广泛的应用.近年来,研究人员对固体燃料的化学链燃烧的研究开始逐年增多,研究重点主要集中在三个方面:1)氧载体的选择及其性能的研究;2)反应器的设计与优化;3)化学链反应系统的拓展.3 CLC氧载体的研究目前,研究较多的用于CLC系统中的氧载体一般为过渡金属氧化物.氧载体在两个反应器之间循环,通过在空气反应器中的氧化再生过程,为燃料反应器中的还原反应提供了晶格氧,同时将空气反应器氧化再生的热量传递给燃料反应器.因此,氧载体的物理化学性能是整个化学链燃烧系统的关键所在.其性能主要包括以下五点[11]:1)要具有较高的氧化还原反应速率与气体选择性;2)较好的氧传递能力;3)良好的机械性能,能抗烧结、团聚、磨损、破碎;4)无毒性,在制备与应用的过程中对环境尽量不会造成二次污染;5)原材料价廉易得,具有较低的生产成本.根据氧载体的活性组分,把氧载体分为两类:金属氧化物基氧载体及硫酸盐氧载体,金属氧化物氧载体又包括单一金属氧化物氧载体、复合金属氧化物氧载体和钙钛矿氧载体.氧载体的制备方法分为固相法和液相法.[11]其中固相法有:机械混合法、浸渍法和冷冻造粒法等;液相法有:共沉淀法、溶胶凝胶法、低温燃烧合成法和微乳液法等.目前,主要研究的金属氧化物氧载体有Cu,Ni,M n和Fe等的氧化物.不同金属氧化物中活性氧的质量比见图2.图2 不同金属氧化物中活性氧的质量比F ig.2 M ass ratio of active oxyg en for different metal ox ides通常情况下,需要将其他的惰性载体与活性金属氧化物混合,以提高氧载体的综合性能,惰性载体不参与反应,其提供的多孔表面能提高氧载体颗粒的比表面积,有利于反应的进行;其作为黏结剂增加了颗粒的机械强度,从而减少颗粒的磨损;此外,作为一种离子导体增强了固体颗粒之间的离子渗透性.[12]常用的惰性载体有A l2O3,SiO2,N iA l2O4,海泡石,M gAl2O4,NiAl2O4,TiO2,ZrO2和Y2O3+ ZrO2(YSZ)等.用于固体燃料CLC的氧载体主要有铁矿石(Fe2O3),NiO,CuO和CaSO4等.铁基氧载体具有较高的熔点使其可以在高温下也能维持较好的反应性,而且价格低廉,来源广,同时其稳定性良好,不易发生碳沉积作用.其不足在于,与其他几种常用金属氧载体相比,其反应性稍差.M attisson等[8]通过热重实验表明,只有Fe2O3/Fe3O4之间的转化可应用于化学链燃烧过程.镍基载氧体具有很高的活性、较强的抗高温能力、较低的高温挥发性和较大的载氧量,但其价格较高且对环境有害,碳沉积严重也是它的一个缺点.铜基氧载体具有较高的活性和较大的84煤 炭 转 化 2010年载氧能力[13],而且不易与载体发生反应,碳沉积现象也较少.但铜基氧化物较低的熔点使其在高温下易发生分解,降低了在高温下运行的活性.上述几种氧载体中,只有铜基氧载体与燃料的反应为放热反应,从而可减少燃料反应器中对能量的需求.[14] Leion等[15]以铁矿石和钢制品氧化膜为氧载体,在流化床中对固体燃料进行化学链燃烧实验,研究表明,氧化膜也是一种性能良好的氧载体,其反应性能更优于铁矿石.Wang等[16]用Aspen Plus软件模拟以石油焦炭为燃料,CaSO4为氧载体,CO2为气化剂的化学链燃烧系统(见图3),结果表明,CaSO4可以作为固体燃料的氧载体,相比于金属氧载体,燃料反应器出口气中水蒸气含量下降,能减少热量的损失以及燃料反应器的腐蚀.图3 固体燃料燃烧的化学链处理过程F ig.3 Flow sheet of t he chemical loo ping pr ocess fo rthe co mbustion of so lid fuels表1总结了近几年固体燃料CLC氧载体的研究情况,可以看出:1)固体燃料CLC的氧载体主要是金属氧化物氧载体,寻求一种性能良好、价格低廉的氧载体是固体燃料CLC技术的关键;2)研究固体燃料CLC中氧载体的主要反应器为流化床,需研表1 固体燃料化学链燃烧中氧载体的最新研究情况T able1 Pr esent day state of r esear ch o n o x ygen carr iers fo r chemical loo ping co mbustio n o f solid fuels Au thors(year)Oxygen car riers Solid fuels Apparatus Research con tents(USA)Cao (2005)CuO,NiO,Fe2O3,CoO,M n bas edCoal,biomass,s olid w astesCFB/SDTOxygen tran sfer capability;reaction enthalpy;ch emicalreaction s mechanism,assessm ent of the feasibility of Cu Oas oxygen carriers for solid fuels(Sw eden)Leion(2007)Fe2O3/M g Al2O4ilmenitePetroleu m coke,several countrycoalsCFBT he effect of temperature,w ater vapor,and fuel volatileson th e carb on conver sion and reaction rate;ox ygen carrierson the impact of fuel gasification(Sw eden)Bergu erand(2007)Ilm eniteSouth Africancoal10kW threactor ofCLCT he chemical looping combustion for solid fuels w as realized;s olid conversion,gas yield of fuel reactor;CO2capturerate,oxygen carrier performance w ere analyz ed(Canada)Wang(2007)CaS O4Petroleu m cokeS oftw ar esimu lationT he CLC sys tem for the petroleum cok e as fu el,CaSO4asoxygen carriers and CO2as gasification agent(China)Yan g(2007)Fe2O3Lignite Fixed bed Reaction performance of Fe2O3and lignite;the capture rate of CO2(US A)Rub el (2008)NiO,Fe2O3,CuO,CoO Coal TG DSC M SComparis on reaction performan ce of oxygen car riers andcoal(S w eden)Leion(2008)Ir on ore,ox idescale from steelproductionPetroleu m coke,char coal,lign ite,bituminous coalsCFBCLC of s everal fu els;w hether the ox ide scale can be u sedas oxygen carriers;th e effect of intermediate gasificationpr odu cts on the chem ical reactions(Chin a)W u Jiah ua(2008)NiO/Al2O3Pine w ood10kW threactor ofinterconnectedflu idized bedsT he effect of fuel reactor tem perature,the ratio of steam/biom as s(S/B)on the gas product composition and combus tion efficiency in two reactions(China)Shen (2009)Fe2O3BiomassIn terconn ectedflu idized bedsT he effect of th e fuel reactor temperatur e on gas composition;th e proportion of biomass carbon reacting in th e fu elreactor;the conversion of biomass carb on to CO2in the fuel r eactor(Sw eden)Bergu erand(2009)Ilm eniteM exicanpetr oleum cok e10kW th reactorof CLCT he effect of th e temperatu re of fuel reactor(FR)on thecarb on capture and the solid fu el conver sion;the CO2capture;the oxyg en demand(S w eden)Leion(2009)NiOM exicanpetr oleum cok e,Indones ian coal,S ou th African coalCFBComparis on of the C LC pr ocess of several solid fuels usingNiO as ox yg en car riers;analys is the effect of S elem entson the perform ance of NiO(UK)Dennis (2009)Cu O Lignite and coke CFB T he performan ce of CuO prepared by im pregnation;reaction kinetics analysis发出高效、低成本的化学链燃烧反应器;3)相对于气体燃料的CLC系统,固体燃料的CLC系统规模较小,需研发较大规模的固体CLC系统,特别是以煤炭为燃料的CLC系统.85第4期 黄 振等 固体燃料化学链燃烧技术的研究进展4 固体燃料CLC 反应器由表1看出,研究固体燃料CLC 的反应器主要为流化床反应器,其中串行流化床反应器占主导地位.2001年,Lyngfelt [17]设计了用于化学链燃烧的串行流化床反应系统(见图4),并就该系统提出了许图4 化学链燃烧串行流化床系统F ig.4 F luidized bed coupled with a CL C system1 Air reactor;2 Cyclon e;3 Fuel reactor多关键参数,如:氧载体固体存量及其循环率、反应器尺寸及其压降等.该系统由两个相互串联的流化床组成:高速提升管作空气反应器,低速鼓泡流化床作燃料反应器.在该反应装置中,氧载体在空气反应器中被氧化,然后经过旋风分离器被传送到燃料反应器,在其中被还原;被还原后的氧载体通过回料阀重新传送到空气反应器.而氧化后的气体(主要是H 2O+CO 2)从燃料反应器排出,冷却分离后得到高浓度的CO 2,然后再进行CO 2的压缩,不凝结气体作为流化气重新通入燃料反应器中.流化床之间的气体泄漏问题通过两个固体颗粒回料阀来解决,这样就实现了氧载体的不断氧化还原和循环,完成了化学链燃烧过程.该反应器模型得到了广泛的认可,不少学者以此为基础,设计了各种反应器.Berguerand 等[5]提出10kWth 化学链燃烧装置(见图5).该装置由空气反应器、提升管、旋风分离器和燃料反应器四部分组成.其中,燃料反应器分为三个区域:低速鼓泡流化区(燃料挥发分析出、燃料气化,挥发分和合成气还原氧载体);分离碳区(从氧载体中分离多余的和未反应的碳);高速流化区(此区域有两个功能,首先让氧载体回到空气反应器,为下次循环做准备;其次增添一个旋风分离机,让一部分颗粒再次回到燃料反应器,提高燃料的反应效率).该装置以南非煤为燃料,连续运行了22h,大约有12h 是合理、稳定的化学链燃烧.在运行中遇到的问题总是和外部条件有关,比如进料、流化气的损图5 10kW th 固体燃料化学链燃烧装置Fig.5 Config uratio n fo r 10kWt h chemical loo pingcombustion of solid fuelsa Riser;b Air reactor;c Air reactorcyclon e;d Fuel r eactor失和数据的获取等.实验中燃料的转化为50%~79%,CO 2的收集率为82.5%~96%.Leio n 等[18]提出的流化床反应器(见图6)为图6 石英管流化床反应器F ig.6 Schematic of fluidized bed reacto r of quar tz圆锥形石英管反应器,装置上部分为分离区,避免氧载体和煤粉颗粒随着出口气体而一起流失;下面部分为反应区.用多孔石英板作为布风板,使固体燃料颗粒和氧载体均匀混合.该反应器以石油焦和几种煤(南非煤和印尼煤等)为固体燃料,以N iO 、铁矿石、钢制品氧化膜、铁钛矿和Fe 2O 3/M gAl 2O 4等为氧载体,成功地进行了实验.实验发现,S 元素的存在对以N iO 为氧载体的CLC 有影响,能让N iO 失活;氧化膜的反应性能更优于铁矿石和铁钛矿;H 2的存在能抑制固体燃料的气化;燃料的气化是固体燃料CLC 的控制步骤,燃料挥发分的高低严重影响着C 的转化率.Cao 等[19]提出循环流化床反应装置,该装置由三部分组成(见第87页图7):高速提升管作为空气反应器,下行式移动床或者冒泡流化床作为燃料反应器(燃料在此喂入);低速鼓泡床或者湍动流化床作为分离器,用来分离飞灰和未燃烧碳中的氧载体,86煤 炭 转 化 2010年并进行氧载体的进一步还原.通过一个大的密封环把还原器和分离器组装在一起;空气反应器、燃料反应器和分离器通过两个小的密封环连接.密封环是为了平衡系统的压力,让固体颗粒能从低静压的位置流入高静压的位置.该研究团队在此装置上研究了几种金属氧载体的CLC 过程,结果表明:锰基氧载体的氧转移能力最低;铜基氧载体是唯一能让还原反应自我维持进行的氧载体,在还原过程中不需要外部能量的输入,这是因为CuO的还原过程为放图7 固体燃料化学链燃烧中试装置Fig.7 System config uratio n fo r the pilot scale chemica llo oping co mbustion pro cess of so lid fuels热过程;热动力学分析表明:通过选择合适的氧载体,固体燃料的CLC 能使CO 2浓度富集到99%以上.Shen 等[20]研制了一套10kWth 级的串行流化床反应装置(见图8),该装置由三部分组成:快速流图8 10W th 生物质串行流化床化学链燃烧装置.8 Configuration for 10Wth chemical looping combustionof bio mass in inter co nnected fluidized beds化床(圆柱形且有布风板)作为空气反应器;旋风分离器;喷动床作为燃料反应器.该装置与国内外现有的串行流化床相比,燃料反应器用喷动床代替了鼓泡流化床,让固体燃料从鼓泡流化床反应器的上部进入改为从喷动床的底部喷入,目的是让燃料与高温的氧载体颗粒得到良好的混合,延长固体颗粒在喷动床内的停留时间有利于燃料的气化,同时也能防止颗粒结块的问题,此外,在喷动床物料循环溢流口处加一隔板,该隔板能有效地阻止快速流化床内气体混入喷动床,避免了燃料反应器气体产物被空气中的N 2稀释.该装置以生物质为固体燃料、Fe 2O 3为氧载体,装置运行了30h,主要考察了燃料反应器的温度对燃料气化所产生气体(CO,CO 2)的影响;此外,Cao 等[7]用SDT 作为反应器,研究了CuO 作为固体燃料化学链燃烧氧载体的可行性;Wang 等[16]用热力学软件模拟了非金属氧载体CaSO 4与煤的化学链燃烧;Rubel 等[21]用TG DSC M S 作为反应装置,比较了几种金属氧载体和煤的化学链燃烧.总之,固体燃料CLC 反应器的趋势是以串行流化床为设计基础,并在此基础上对其进行改进.目前,针对CLC 反应器的研究还需要解决一些重要问题,例如氧载体与未燃尽碳和飞灰的分离问题及两个反应器内的气体泄露问题等.5 化学链重整和化学链制氢化学链重整(CLR)是化学链燃烧(CLC)的拓展,其理论基础是化学链燃烧技术.其基本原理见图9.CLR 的目标产物是得到高浓度的合成气(CO+图9 化学链重整原理Fig.9 Schematic descr iption of chemical looping refo rmingH 2).与CLC 相比,CLR 的燃料反应器里氧载体质量减少,使燃料部分氧化成合成气.因此,控制燃料反应器里氧载体的质量是关键.Ryd n 等[22]以Ni 基氧载体,在循环流化床反应器中研究了天然气的化学链重整技术,实验证明了化学链重整技术的可行性,天然气重整为合成气的转化率高达96%~100%.de Diego 等[23]以Ni 基氧载体,在900Wth 的CLR 实验平台中研究了CH 4的化学链重整技术,研究发现的转化率达到98%以上.从原理上来讲,固体燃料的气化也可以通过化学链气化技术来实现,近年来,国内外相关研究机构已经开始研究固体燃料的化学链气化技术.化学链制氢(CLH )是CLC 衍生而来的一种新技术,其实质是水的裂解和金属氧化物的氧化还原87第4期 黄 振等 固体燃料化学链燃烧技术的研究进展过程.CLH 系统是由燃料反应器和水蒸气反应器两部分组成,燃料进入燃料反应器,与氧载体发生反应,生成CO 2和H 2O;还原态的氧载体进入蒸汽反应器和水蒸气发生反应,产生H 2.因此燃料反应器的出口气体为CO 2和H 2O,蒸汽反应器出口处为H 2和过量的水蒸气,通过冷凝去除水便得到高纯的CO 2和H 2.[24]Go 等[25]用Fe 基氧载体,在流化床反应器中实验了CH 4的化学链制氢,分别得到了高浓度的CO 2和H 2.Yang 等[26]用Fe 基氧载体研究了煤焦的CLH ,发现每克煤焦能产生1000mL 的H 2,H 2/焦的能源效率达到50.2%;由于在水蒸气反应器中还原态的Fe 基氧化物只能被氧化成Fe 3O 4,故需增设一个空气反应器让Fe 3O 4进一步氧化成Fe 2O 3.Chiesa 等[27]提出了由三个反应器组成的CLH 装置(见图10).图10 三反应器CLH 系统Fig.10 Conceptual scheme of the three r eactor CLH systemA R A ir reactor ;FR Fuel r eact or;SR Steam r eacto r固体燃料的CLC 由于燃料的气化反应速率较慢,限制了整个CLC 系统的反应速率.Mattisso n 等[28]提出了CLOU 技术,它是先让氧载体在燃料反应器中释放出O 2,然后让固体燃料进入燃料反应器与O 2发生反应.以M n 基和Cu 基为氧载体,在流化床反应器中研究石油焦的CLOU 技术,发现CLOU 的反应速率比常规的CLC 技术高50倍.6 结束语CLC 比传统燃烧方式有更高的能源利用效率,因其具有的CO 2内分离特性和氮氧化物零排放而受到越来越多的关注.在我国以煤为主的能源消费结构中,发展固体燃料特别是煤的CLC 对提高能源效率和保护环境等方面有着非常显著的作用.CLR 和CLH 技术是以CLC 技术为基础发展而来的两种新技术.通过固体燃料与氧载体的部分氧化还原可以得到高浓度的合成气;通过水蒸气的裂解和氧载体的氧化还原可以得到高纯的H 2,同时也实现了CO 2的收集.针对固体燃料,以CLC 为基础发展了CLOU 技术,实验证明CLOU 的反应速率比常规的固体燃料CLC 技术要高50倍.但是固体燃料的CLC 还处于起步阶段,还有很多的问题有待于进一步的研究:1)反应机理上来讲,氧载体与固体燃料的反应究竟是固 固之间的直接反应还是固体燃料在高浓度的气化剂条件下的气化反应先进行,或者是这两种反应机理的综合,不同的反应步骤中有哪些限制环节,这些问题需要进一步研究.2)研制出良好的反应活性、高稳定性、价格低廉且环境友好的氧载体.除研究金属氧载体外,以CaSO 4为主的非金属氧载体也需进一步的研究.3)设计和优化化学链燃烧反应器,获得长时间连续稳定的实验数据,固体燃料的转化率和二氧化碳的收集率是研究的重点.化学链燃烧技术及其相关的拓展应用是一种新颖的能源转化利用系统,具有良好的发展前景,随着人类对清洁能源的需求和日益严格的环境要求,有望会发展成为一种主流的燃烧技术.参 考 文 献[1] Bolland O,U ndnjm H.A Novel M ethodology for C om parin g CO 2Captu re Options for Natural Gas fired Combin ed CyclePlants[J ].Advances in Environmental Res earch,2003,7:901 911.[2] Richter H J,Knoch e K F.Reversibility of Combu stion Process,E fficiency and Costing,S econd Law Analysis Process es[C]!Gaggioli R A.Washin gton DC :ACS S ymposium S eries,1983,235:71 85.[3] H e Fang,Wang Hua,Dai Yongn ian.Application of Fe 2O 3/Al 2O 3Composite Particles as Oxygen Carrier of Chemical Loopin gCom bustion[J].Journal of Natural Gas Chemistry,2007,16(2):155 161.[4] 金红光,王宝群.化学能梯级利用机理探讨[J].工程热物理学报,2004,25(2):181 184.[5] Bergueran d N,Lyngfelt A.Design and Operation of a 10kWth Chem ical loopin g Combustor for S olid Fuels testing w ith S ou thAfrican Coal[J].Fuel,2008,87(12):2713 2726.[6] Berguerand N,Lyngfelt A.T he Us e of 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sion,Chinese A cad emyof S ciences,510640Guangz hou;2.Gr aduate of Chinese A cademyof Sciences,100049Beij ing)ABSTRAC T T he basic concept and char acteristics of CLC w ere intr oduced.The mechanism of solid fuels CLC was analyzed.The research progress of oxygen carriers was summarized.Several kinds o f reactors in CLC w ere discussed,amo ng w hich interconnected fluidized bed reactor w o uld be focused in future research.Besides,three kinds o f ex tended CLC technolog ies,i.e.the chem i cal lo oping hy dro gen(CLH),chemical looping refor ming(CLR),and chemical loo ping w ith ox y gen uncoupling(CLOU)w ere com pared.Finally,the ex isting problems and further resear ch fields w ere proposed.KEY WORDS solid fuels chemical looping co mbustio n,ox yg en carrier s,reactor,chemical looping reforming,chemical looping hydrog en 89第4期 黄 振等 固体燃料化学链燃烧技术的研究进展。
链状烷烃燃烧通式
链状烷烃燃烧通式
链状烷烃是一类碳氢化合物，其分子结构由一条或多条碳链组成。
当
链状烷烃与氧气接触时，就会发生燃烧反应。
这种反应是一种放热反应，也就是说，在反应过程中会释放出大量的能量。
链状烷烃的通式可以表示为CnH2n+2，其中n代表碳原子数。
例如，甲烷的通式为CH4，乙烷的通式为C2H6，丙烷的通式为C3H8，以
此类推。
这些化合物都属于链状烷烃。
在链状烷烃与氧气发生反应时，首先需要将其分解成碳和水。
这个过
程可以表示为：
CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 → nCO2 + (n+1)H2O
在这个反应中，每个碳原子都会形成一个二氧化碳分子，并且每个氢
原子都会形成一个水分子。
因此，在产物中会有相应数量的二氧化碳
和水。
同时，在这个过程中还会释放出大量的能量。
这些能量可以用来加速
反应速率，并使反应持续进行下去。
当链状烷烃完全燃烧时，反应产
物只包括二氧化碳和水，没有任何未反应的原料。
例如，当甲烷与氧气发生反应时，可以写成如下的化学方程式：
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
这个方程式表示了甲烷分解成二氧化碳和水的过程，并释放出大量的
能量。
同样地，乙烷、丙烷等链状烷烃也可以用类似的方式进行表示。
总之，链状烷烃的燃烧通式是一种非常重要的化学反应。
它不仅可以
帮助我们理解这些化合物在自然界中发生的过程，也可以为我们提供
一种有效地利用它们所蕴含能量的方法。
通过深入地理解这个反应机制，我们可以更好地掌握这些化合物在工业、能源等领域中的应用。
化学链燃烧技术中载氧体的研究概述
气 中含量最高 ， 因此二氧化碳 的减排成为控制温室
效应的关键 。在我 国， 煤 炭提供 了约 ７ ０ ％ 的能源 ， 以化石燃料为主要能源的火电厂 占我 国 Ｃ Ｏ ： 排放总 量 的３ ０ ％左右。化石燃料对世界 上几乎所有 国家
的温度远低于传统燃烧温度 ， 可 以有效地控制甚至 消除 Ｎ Ｏ ｘ的生成。化学 链 燃烧 可 以方便 的进行
ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｖ ｅ ｎ ｒ ｅ ｍｏ ｖ ｌ ａ ａ ｔ ｍｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｉｃ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｍｉ ｎ ａ ｎ ｔ ｓ ＮＯｘ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｔ ｏ ｎ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｄ ｉ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ｏ ｕ ｔ ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｅ ｎｅ ｒ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｉ ｔ ｏ ｎ．Ｔｈ ｅ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｏ ｘ ｙ ｇ ｅ ｎ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｓ ｉ ｓ ｈｅ ｔ ｋ ｅ ｙ ｔ ｏ ｉ ｔ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐｍｅ ｎ ｔ
ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ—ｌ ｏ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｏ ｘ ｙ ｇ ｅ ｎ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｌｓ ａ ， ｐ ｒ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｈｏ ｔ ｄ ｓ ， ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｍｅ ｈｏ ｔ ｄ ｓ ａ ｎ ｄ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｍ ａ ｒ ｎｃ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｗｅ ｒ ｅ
化学链燃烧中载氧体磨损及抗磨损方法研究进展
化学链燃烧中载氧体磨损及抗磨损方法研究进展
朱丹;刘方;宋晨;杨丽
【期刊名称】《低碳化学与化工》
【年(卷),期】2024(49)5
【摘要】大规模使用化石燃料导致CO_(2)大量排放,由此引发的全球气候问题受到广泛关注。
化学链燃烧采用循环载氧体为燃料提供活性氧,改进了传统燃烧方式,避免了N2对烟气的稀释,降低了CO_(2)的捕集成本,具有CO_(2)内分离的优点,在CO_(2)捕集领域具有较大发展潜力。
载氧体是化学链燃烧技术的核心,具有传递热量和释放晶格氧的双重作用,但面临磨损率大和寿命较短的问题,严重影响化学链燃烧技术的经济性。
综述了载氧体磨损的表观现象和内在机理,发现化学磨损是载氧体磨损的主要因素;总结了评估和预测载氧体磨损的方法,以及提高载氧体耐磨性的方法,并对未来载氧体的研究方向进行了展望。
【总页数】12页(P50-61)
【作者】朱丹;刘方;宋晨;杨丽
【作者单位】中国矿业大学低碳能源与动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TQ031.7;TK09
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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。
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3 魏 龙 张 蕾(南京化工职业技术学院,江苏南京210048;3江苏徐塘发电有限公司,江苏徐州221300)摘 要 随着人们对二氧化碳减排的日益重视,化学链燃烧(Chem ical Loop ing Combusti on,C LC )技术因为其具有高效、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。
关键词 二氧化碳减排 化学链燃烧 载氧剂 反应器收稿日期:2009-03-16作者简介:冯飞(1979～),男,讲师,博士生,从事热能工程与新能源等方面的研究。
E -mail:fnfa1997@t Appli cati on of Che m i cal Loopi n g Co mbusti on i n Carbon D i oxi de M iti gati on and Research Develop mentFeng Fei Gongye L ingpei 2 W ei Long Zhang Lei(Nanjing College of Che m ical Technol ogy,J iangsu Nanjin 210048;3Da Tang Electric Power CO.,LT D,J iangsu Xuzhou 221300)Abstract More attenti on is now already being paid t o che m ical l oop ing combusti on (CLC )since it’s being fea 2tured by high efficiency,inherent CO 2separati on and l ow NO X e m issi on .The basic concep ts of CLC and its main fea 2tures are intr oduced .The research p r ocess of oxygen carriers,react ors and syste m analysis was summarized .And the still existing and unsettled p r oble m s were p resented .The future research was summarized in the end of the paper .Keywords carbon di oxide m itigati on che m ical l oop ing combusti on oxygen carriers react ors 二氧化碳是目前全球最主要的温室气体,随着工业生产的发展和人们生活水平的提高,煤、石油、天然气等物质燃烧释放的二氧化碳越来越多,成为日益严重的温室效应的主要原因之一。
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图2 Lyngfelt 设计的CLC 串行流化床系统图
化学链燃烧反应器
表1 化学链燃烧反应器的研究情况 研究者（年份） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等 (2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
研究意义及特点
CO2 富集 生成物只有H2O和CO2，避免被N2 稀释，容易获 得高浓度CO2，减少Nox 产生。
高效率
实现能量的梯级利用，提高能源利用率。
低耗能
可以通过低能耗的冷凝水蒸气的方法直接对CO2 进行高浓度富集，不需要常规的分离装置和额外 的能量，实现燃料燃烧和CO2 分离一体化，提高 了系统效率。
化学链燃烧反应器
1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器 图4 50kW的化学连燃烧装置
化学链燃烧反应器
表1 化学链燃烧反应器的研究情况 研究者（年份） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
(2) 研究中所用燃料由单一成分气体向合成气发展、由气体燃料向固体燃料发展。 目前研究较多的为气体燃料（如天然气），从我国的能源结构来看，煤炭占主导地 位，应大力发展煤的化学链燃烧技术，找到适合固体燃料煤的高性能载氧体。
(3) 寻求反应性能优良、价格低廉并且无二次污染的非金属载氧体。 沈来宏等研究发现CaSO4 作为煤化学链燃烧反应的理想载氧体是可行的。如何提高 其反应活性、循环特性是今后研究的重点。
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等 (2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)
化学链燃烧反应器
无气体泄漏现象 载氧体活性基本不变 载氧体磨损率也很低
1-空气反应器；2-上升管；3-旋流分离器；4-燃料反应器 图3 10kW的化学连燃烧装置(a)
化学链燃烧反应器
表1 化学链燃烧反应器的研究情况 研究者（年份） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(荷兰)Noorman等 (2007)
(瑞典)Berguerand等 (2008)
基于固定床思想的化学链燃烧反应器系统的探索与研究
改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22h、11h
化学链燃烧反应器
烟道气
2 1
3
H2 O
燃料 空气 进料
不凝气
CO2
1-空气反应器；2-旋风分离器；3-燃料反应器
串行流化床的冷态试验，气体泄漏问题严重，可通过向反应器间 密封回路喷入水蒸气予以解决
搭建10kW化学链燃烧反应系统(a)，NiO/Al2O3 为载氧体，热态试 验连续运行100h，燃料天然气的转化率达99.5 % 建造了50kW的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5h 建立双室流化床系统，冷态试验，对颗粒循环量、气体泄漏等问 题进行研究，优化试验系统，为建立热态试验系统做准备 设计并建立热功率为300W化学链燃烧系统，以合成气、天然气为 燃料，对基于镍基、锰基的载氧体进行连续运行试验 设计并建立10kW的化学链燃烧系统(b)，基于CuO/Al2O3载氧体进 行试验连续运行100h 基于固定床思想的化学链燃烧反应器系统的探索与研究 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22h、11h
• 中国郑瑛等在TGA 上以CH4 为燃料验证了CaSO4 作为载氧体时SO2 排放的存在 • (瑞典)Leion 在流化床上以石油焦炭为燃料研究了温度，水蒸气，SO2 浓度对 载氧体Fe2O3/ MgAl2O4 反应速率的影响 • 西班牙Diego 在10 kW化学链燃烧装置上以CH4/空气为燃料研究了Cuo/Al2O3 作为氧载体时燃料转化率、运行过程中载氧体性能变
基于氧载体的化学链燃烧技术 研究意义及特点 研究现状 载氧体
化学链燃烧反应器 化学链燃烧系统分析
固体燃料化学链燃烧技术
目录 Contents
基于氧载体的化学链燃烧技术
循环氧载体
无火焰燃烧
根除燃料型NOx 生成 控制热力型NOx 产生 CO2 富集
图1 化学链燃烧原理示意图
燃料侧： (2n+m)MexOy +Cn H2m (2n m)MexOy 1 +mH2O+nCO2 空气侧： 2MexOy -1 +O2 2MexOy
串行流化床的冷态试验，气体泄漏问题严重，可通过向反应器间 密封回路喷入水蒸气予以解决
搭建10kW化学链燃烧反应系统(a)，NiO/Al2O3 为载氧体，热态试 验连续运行100h，燃料天然气的转化率达99.5% 建造了50kW的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5 h 建立双室流化床系统，冷态试验，对颗粒循环量、气体泄漏等问 题进行研究，优化试验系统，为建立热态试验系统做准备 设计并建立热功率为300W化学链燃烧系统，以合成气、天然气为 燃料，对基于镍基、锰基的载氧体进行连续运行试验 设计并建立10kW的化学链燃烧系统(b)，基于CuO/Al2O3载氧体进 行试验连续运行100 h 基于固定床思想的化学链燃烧反应器系统的探索与研究 改进的10kW化学链燃烧反应系统（固体燃料）中以煤、以石油焦 炭为燃料，实现连续运行22 h、11 h
载氧体
金属载氧体
Fe、Ni、Cu、Mn、Cd、Co等的氧化物或双氧载体。 在高温下表现出来的持续循环能力较差； 为提高其反应特性，提高寿命，抗烧结及增加表面积，常 附着于惰性载体上。
惰性附着基
Al2O3、SiO2、NiAl2O4、MgAl2O4、TiO2、ZrO2、MgO、 Y2O3+ ZrO2(YSZ) 、海泡石(sepiolite)等。 作为惰性载体，提高比表面积和机械强度以增强循环性能； 作为热载体，传递和存储能量。
非金属载氧体
CaSO4、SrSO4、BaSO4等硫酸盐非金属载氧体。 非金属氧化物作为氧载体在载氧能力、环保和价格方面具有 独特的优势，如何提高其化学反应性等指标是值得努力的方 向之一。
载氧体
• 中国杨一超等在固定流化床上以煤为燃料研究了加压条件下，Fe2O3/Fe3O4 的反应特性 • 中国高正平等，利用流化床以神华烟煤为燃料，并以水蒸气作为气化-流化介质，研究了温 度、反应时间、循环数对Fe2O3/Fe3O4 载氧体反应性的影响 • 瑞典Johansson 在流化床上以CH4+H2O/O2+N2 为燃料对比NiO/NiAl2O4 ,NiO/MgAl2O2 种 载氧体，选择更适合的载氧体,对比连续与间歇性试验2种不同的试验方法
化学链燃烧反应器
表1 化学链燃烧反应器的研究情况 研究者（年份） (瑞典)Lyngfelt(2001) (瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003) (瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统 串行流化床的冷态试验，气体泄漏问题严重，可通过向反应器间 密封回路喷入水蒸气予以解决 搭建10kW化学链燃烧反应系统(a)，NiO/Al2O3 为载氧体，热态试 验连续运行100h，燃料天然气的转化率达99.5 % 建造了50kW的化学链燃烧反应系统，连续运行3.5h 建立双室流化床系统，冷态试验，对颗粒循环量、气体泄漏等问 题进行研究，优化试验系统，为建立热态试验系统做准备 设计并建立热功率为300W化学链燃烧系统，以合成气、天然气为 燃料，对基于镍基、锰基的载氧体进行连续运行试验 设计并建立10kW的化学链燃烧系统(b)，基于CuO/Al2O3载氧体进 行试验连续运行100h
研究现状
在已进行的研究中化学链燃烧的研究主要集中 在气体燃料方面，近年来固体燃料化学链燃烧
及非金属载氧体成为热点，其中固体燃料化学
链燃烧也是未来化学链燃烧发展的大趋势。
研究现状
载氧体的选择与性能研究
1
3
化学链燃烧反应器 的设计与优化
2
反应系统分析以及与 其它技术的耦合
载氧体
即进行还原反应 氧化反应中 的反应能力
化学 反应能力
经济性 环境友好性
储量丰富 使用成本低 对环境无污染或污染小
抗破碎，抗磨损的能力 在循环应力作用下能够 保持较强的机械强度
机械用寿命 评价载氧体的重要指标
载氧能力 在反应过程中与氧 有较强的结合能力
其他指标
能承受的最高反应温度、抗烧 结和抗团聚能力、颗粒尺度分 布、内部孔隙结构等
化学链燃烧反应器
表1 化学链燃烧反应器的研究情况 研究者（年份） (瑞典)Lyngfelt(2001) 研究内容 首次设计了基于串行流化床反应器CLC系统
(瑞典)Johansson, Lyngfelt(2003)
(瑞典)Lyngfelt, Thunman(2004) (韩国)Ryu (2004) (奥地利)Kronberger, (瑞典)Johansson(2004) (瑞典)Abad, Johansson(2005) (西班牙)Diego, Garcí a-Labiano(2006) (荷兰)Noorman等 (2007) (瑞典)Berguerand等 (2008)