论文部分内容阅读
CO2作为一种人类排放量最大的温室气体,其在化石燃料燃烧中所产生的量占人类排放总量的四分之三。为了减缓温室效应及其所带来的生态问题,发展适用于化石燃料清洁利用的碳捕集技术是一个亟待解决的问题。化学链燃烧（Chemical Looping Combustion,CLC）作为一种在燃烧过程自动分离CO2的燃烧技术,具有碳分离成本极低、能量梯级利用等优势,已得到了广泛的关注。固体燃料化学链燃烧相较于气体燃料过程复杂,反应速率较慢,故针对固体燃料化学链燃烧的研究极其必要。本文选取了一种价格低廉、性能适中的铁矿石作为载氧体,在固定床和循环流化床系统上实现了耦合纯氧气化的煤化学链燃烧过程的自热运行,采用数值模拟对循环流化床系统中的冷态三维全场气固流动特性进行了研究,并对未来大型化CLC反应器运行过程的热状态进行了监测。首先,在热重分析仪中考查了一种廉价贫铁矿载氧体用于CLC的可行性。在不同温度下研究了该载氧体与煤气化产物之一CH4的化学链燃烧性能,并对该载氧体的反应机理进行了探究,获得了其与CH4反应的动力学参数。结果表明在载氧体被还原过程遵循两个平行反应的动力学,其表观活化能分别为157.5kJ/mol和126.9kJ/mol。该贫铁矿载氧体与其他种类铁矿石相比,具有适中的反应性,可用于化学链燃烧。同时,在热重分析仪中进行了多次还原-氧化循环反应,研究了载氧体在该条件下的循环稳定性。其次,在两级固定床反应器中以煤和贫铁矿分别作为燃料和载氧体,将煤气化和气化产物的燃烧分离在不同的反应器中进行,研究了煤分离气化化学链燃烧（Separated Gasification CLC,SGCLC）自热运行的条件和性能。在采用不同氧浓度的气化介质时,通过床层温度变化获得了在该反应器中SGCLC自热运行的条件。在自热条件下,分别改变气化反应器（Gasifier,GR）和还原反应器（Reduction Reactor,RR）的温度,以研究不同反应温度对煤化学链燃烧性能的影响。结果表明,在自热条件下,RR温度为850℃时气体燃烧效率为97.91%,当RR温度升高至1050℃时,气体燃烧效率升至99.96%;GR温度从850℃升至1050℃时,碳转化率从61.02%增至96.64%。在950℃的15次间歇SGCLC中,载氧体反应性能均能稳定保持在较高水平。采用鼓泡流化床、快速流化床和逆流移动床分别作为GR、RR和空气反应器（Air Reactor,AR）,搭建了具有两级返料和气固分离的固体燃料分离气化化学链燃烧循环流化床系统。在所搭建的反应器系统中,采用粗粒径石英砂和中等粒径载氧体作为床料,研究了RR中流化数（Nr）和AR中流化数（Na）分别变化时,系统冷态运行特性及压力分布。较长时间的运行结果表明,该系统具有良好的运行稳定性。在试验的调节范围内,AR侧与燃料侧的压力分布相对独立。在以水蒸气为气化介质、神华烟煤为燃料的热态CLC测试中,当AR和RR温度分别为900℃和850℃时,CO2收率可达92.7%以上,CH4和CO含量较低。进一步,在所搭建的循环流化床系统上,采用少量纯氧作为气化介质,实现了该SGCLC系统的连续自热运行。在不同的反应器温度、给煤速率、蒸汽流量、氧量以及松动风等工况下,研究了该SGCLC系统自热运行的条件、反应性能以及碳捕集性能。当运行中的氧煤比Roc不低于27.6%时,系统可运行在自热状态,并且具有较高的碳捕集效率和气体燃烧效率。当自热运行温度从830℃升至930℃时,系统的气体燃烧效率、煤转化率及碳捕集效率分别从95.30%、87.36%、97.05%提高到97.67%、91.87%以及97.77%。给煤速率的增大在提高系统运行负荷的同时,降低了系统中燃料的转化效率,与之相反,适当地增加蒸汽流量可有效提高GR中煤的转化率,但气体燃烧效率和碳捕集效率略有下降。为了对系统的设计及运行优化提供可靠信息,在系统搭建前采用计算流体动力学方法对系统内的气相、石英砂和载氧体的流动特性进行了数值模拟研究。采用欧拉-欧拉双流体模型,建立了SGCLC循环流化床系统中的三维冷态全场气固流动模型。在该基础上,设计并搭建了SGCLC循环流化床系统。其后,采用试验结果验证了数值模型的可靠性。当流化数Nr从19.40增大至26.80时,GR中的床层膨胀程度增大,底部颗粒浓度从0.31降至0.21,上部几乎无石英砂被吹至RR。与此同时,气相速度沿高度方向降低。RR中载氧体浓度随Nr增大而减小,呈上稀下浓分布。随着气固流动的发展,在RR中上部,气体和载氧体间的气固滑移速度趋于稳定。利用三种工况下的数值模拟结果对气固滑移速度和Nr、高度Z之间的关系进行了拟合,采用其他工况下的结果进行验证,表明该拟合结果具有很高的精度,可用于对变工况运行时系统内气固流动特性的精准预测。最后,对大型CLC系统运行过程的热状态进行了监测仿真。采用模糊推理和卡尔曼滤波耦合的逆分析方法,利用外壁温度信息对大型CLC系统启动过程中反应器内部的热状态进行了监测仿真。采用所构建的FI-AKF和FI-KFW两种方案对反应器内部热状态监测结果表明,FI-KFW可以实现实时准确的监测。在内壁异常工况下,研究了FI-KFW方法中测点数目、测量噪声等对内壁热流和反应器壁面温度监测结果的影响。在测量噪声标准差分别为0.10、0.50、1.00和1.50时,内壁热流监测相对均方根误差为1.36%、1.89%、3.42%和7.55%,最大温差监测误差处于（-7.5℃,7.5℃）范围内,表明FI-KFW具有较强的鲁棒性和良好的精度,可为CLC系统的安全运行和故障诊断提供有效保障。