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化学链燃烧技术的研究进展

发布时间:2013年09月22日 字体大小:【

1983年,德国科学家RichterKnoche等首次在美国化学学会(ACS)年会上提出化学链燃烧这个概念,认为其具有比传统燃烧方式更高的能量利用效率,之后人们发现该燃烧方式具有CO2的内分离性质,因此随着全球对CO2的广泛关注,化学链燃烧技术在20世纪90年代开始迅速发展起来。

化学链燃烧是通过燃料与空气不直接接触的无火焰化学反应来释放能量,打破了传统的火焰燃烧概念,开拓了回收CO2的新途径,并且根除了燃料型、热力型NOx的产生。它的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(Oxygen CarrierOC)的作用分解为2个气-固反应:一方面利用载氧剂分离空气中的氧,另一方面载氧剂将分离的空气中的氧传递给燃料,进行燃料的无火焰燃烧。这样,燃料侧反应产物只有CO2和水蒸气,CO2没有被N2稀释,可以通过冷凝水蒸气的方法直接对CO2进行回收利用,不需要额外的能量和常规的分离装置,从而提高了系统效率。

由于化学链燃烧中燃料与空气不直接接触,空气侧反应不产生燃料型NOx。另外,由于无火焰的气-固反应温度远远低于常规的燃烧温度,因而可控制热力型NOx的生成。因此,这种新颖的燃烧方式可以根除(而不是某种程度的减少)NOx的生成。而且,不需要额外的能量和常规的分离装置来分离燃烧产物中的CO2,比采用尾气分离CO2的燃气-蒸汽联合循环电站效率高,并且也解决了环境污染问题。

目前对化学链燃烧技术的研究多采用的是气体燃料,包括甲烷、一氧化碳和氢气、合成气、煤气化产物等。显然,气体燃料与固体载氧体之间的高反应性不仅可以实现化学链燃烧技术,而且还可以提高系统的能量转换效率,对于韩国、日本、欧盟、美国这种以较低含碳量的石油和天然气为主要能源的国家和地区而言,供给气体燃料的化学链燃烧系统具有较大的优势,但是对于以煤这种高含碳量燃料为主要能源的国家,比如中国而言,则需要寻求实现固体燃料利用的化学链燃烧方式。目前,美国能源部(U.S.Department of Energy)和美国自然科学基金委(National Science Foundation ofUSA)都对直接供给固体燃料的化学链燃烧系统进行了资助,其中美国俄亥俄州立大学(Ohio State Un-iversity)L.S.Fan课题组进行了萘与铁基载氧剂反应的可行性研究,证明了燃用固体燃料利用化学链燃烧系统产氢是完全可行的;而美国西肯塔基大学(Western KentuckyUniversity)的燃烧科学与环境技术学院也初步提出了煤基化学链燃烧系统的研究思路。

实现固体燃料利用的化学链燃烧技术有两种方案,一种方案需要引入一个单独的气化过程,此时或者氧气或者是氧气+蒸汽用于气化固体燃料,使其成为气体燃料,这些气体燃料再与载氧剂发生还原反应,但是由于气化难度很大,并且需要高耗能的空气分离器,所以大大限制了这种方案的发展。而另外一种方案是固体燃料直接引入燃料反应器,利用再循环的二氧化碳或蒸汽使燃料反应器内固体燃料流化,同时作为气化装置和氧化装置:作为气化装置时,焦炭与蒸汽或二氧化碳反应;作为氧化装置时,气体燃料被载氧剂氧化,而载氧剂则被还原。

2013/20130922121456.pdf    点击下载PDF原文。

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