【摘 要】
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开发煤炭清洁、高效利用新方式是减少碳排放的关键一环。煤炭作为我国能源的安全基石,避免因煤炭燃烧而带来的环境问题至关重要。化学链燃烧技术（Chemical Looping Combustion,CLC）作为世界公认的第三种碳捕集技术,具有显著的优越性。由于煤自身组成的复杂性,含有硫、氮等大量污染元素,导致燃料反应器出口烟气组成复杂,影响CO2的捕集与直接利用。烟气中含硫污染物可与载氧体作用生成金属硫
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（2186080107）； 宁夏重点研发计划（2018BEE03009）； 国家一流学科建项目（NXYLXK2017A04）； 国家重点研发计划课题（2018Y0605403-04）；
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开发煤炭清洁、高效利用新方式是减少碳排放的关键一环。煤炭作为我国能源的安全基石,避免因煤炭燃烧而带来的环境问题至关重要。化学链燃烧技术（Chemical Looping Combustion,CLC）作为世界公认的第三种碳捕集技术,具有显著的优越性。由于煤自身组成的复杂性,含有硫、氮等大量污染元素,导致燃料反应器出口烟气组成复杂,影响CO2的捕集与直接利用。烟气中含硫污染物可与载氧体作用生成金属硫化物,导致载氧体硫中毒,影响载氧体性能。而研究氮的迁移转化行为,有助于控制氮氧化物的排放,减少对环境的危害,以及为硫、氮污染物的协同脱除提供理论指导。本研究对CuFe2O4与Fe2O3/Al2O3载氧体的煤化学链燃烧过程进行了系统研究与讨论。本研究采用模拟与实验相结合的方法,探究了载氧体释氧方式、反应温度、载氧体-燃料比例（O/C）对硫、氮污染物迁移转化机理的影响。对燃料中硫、氮元素的迁移路径,物相分配与相态分布进行了详细论述,本文的主要发现如下:（1）不同构型的载氧体（CuFe2O4与Fe2O3/Al2O3）在相同的O/C与反应温度下,对烟气内CO、CH4、CO2释放规律影响不同。尖晶石结构的CuFe2O4兼具Fe2O3与CuO的双重优点,可释放分子氧与晶格氧,具有良好的释氧特性与反应特性。相比于Fe2O3/Al2O3可促进CO与CH4向CO2转化,易获得高浓度CO2,当反应温度为850℃、O/C=5时,CO2浓度可达到99%。CuFe2O4中铁相的掺杂可显著提高载氧体的循环稳定性,在10次循环实验中CuFe2O4比表面积逐渐提升,烟气出口 CO2浓度保持稳定,无明显烧结现象,适用于烟煤化学链燃烧过程。（2）煤中的硫在煤化学链燃烧过程中主要以H2S与SO2的形式释放,H2S在反应过程中呈现先升高后下降的趋势,而SO2则呈现出双峰释放的趋势。CuFe2O4释放的分子氧,可促进煤中含硫化合物的分解,导致烟气内H2S与SO2含量提高,H2S向SO2转化加剧。O/C与反应温度的提高,可促进CuFe2O4氧传递过程,因此烟气中H2S与SO2量也有所上升。根据热力学模拟结果与反应后载氧体XRD谱图可发现,当反应温度较低时CuFe2O4与Fe2O3/Al2O3易发生硫中毒现象生成Cu2S与FeS,但随着反应温度升高,载氧体释氧得到加强,载氧体硫中毒现象减弱,SO2释放量明显增多。（3）氮在煤化学链燃烧过程中的迁移转化行为与硫明显不同。NH3与HCN是NOx前驱体,在煤热解阶段大量释放。载氧体可将HCN的转化为NO,其中CuFe2O4对HCN氧化作用较强,可促进HCN向NO与N2o的转化。因此使用氧解耦载氧体（CuFe2O4）时,烟气内NOx含量显著提高。而Fe2O3/Al2O3对HCN的催化氧化作用较弱,Fe2O3/Al2O3更多的将HCN转化为N2。O/C与反应温度对氮的迁移转化机理无明显影响。因此氮在煤化学链燃烧过程中物相的分布形式与载氧体的释氧方式有关,且与传统燃烧过程相比化学链燃烧所释放的NOx含量更低,NOx向N2的转化比例更高。
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