本文關(guān)鍵詞：燃煤化學(xué)鏈燃燒中煤與鐵基載氧體結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性的關(guān)系及其相互作用研究

  更多相關(guān)文章： 燃煤化學(xué)鏈燃燒 結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性 鐵基載氧體 生物質(zhì)灰改性 雙流化床反應(yīng)器

【摘要】：化石燃料燃燒排放的CO2是導(dǎo)致全球氣候變化的主要原因,近年來(lái)引起世界各國(guó)的普遍關(guān)注。與現(xiàn)有的碳捕集技術(shù)相比,化學(xué)鏈燃燒技術(shù)在實(shí)現(xiàn)煤炭高效利用的同時(shí)有效降低了COz的捕集能耗,是當(dāng)前具有發(fā)展前景的第二代碳捕集技術(shù)。在燃煤化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)體系中,煤、載氧體和反應(yīng)器是決定系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率和CO2捕集效率的關(guān)鍵因素。然而,目前針對(duì)煤和載氧體反應(yīng)性能的研究?jī)H停留在宏觀反應(yīng)器層面,對(duì)煤和載氧體結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性的關(guān)系及其相互作用機(jī)制尚不清楚,在載氧體研發(fā)方面還缺乏廉價(jià)、高效且適合規(guī)�；苽涞妮d氧體以及改性方法。針對(duì)以上問(wèn)題,本文以我國(guó)的典型煤種為燃料,選取具有代表性的鐵基載氧體,從“結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性”的角度出發(fā),在微觀層面上研究了煤和載氧體的結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)性能的影響以及煤與載氧體之間的相互作用,基于上述研究結(jié)果,構(gòu)建適合燃煤化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)體系的新型雙流化床反應(yīng)器,并在該反應(yīng)器上進(jìn)行可行性驗(yàn)證。由于煤的熱解反應(yīng)很快,焦炭的氣化反應(yīng)控制著整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速率�；诖�,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和表征手段考察了煤階(褐煤、煙煤和無(wú)煙煤)、熱解溫度和熱解速率對(duì)我國(guó)典型煤種制得的煤焦的氣化反應(yīng)性能、孔隙結(jié)構(gòu)和微晶結(jié)構(gòu)的影響,并就煤灰與鐵基載氧體之間的相互作用進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,煤階越低,煤焦孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá),使得煤焦的氣化反應(yīng)性能更佳；熱解溫度對(duì)三種煤的影響行為不同,褐煤焦隨熱解溫度的升高孔隙結(jié)構(gòu)變差,微晶結(jié)構(gòu)有序化程度升高,煤焦氣化反應(yīng)性能下降,而煙煤焦和無(wú)煙煤焦在熱解溫度為900℃時(shí)獲得最好的氣化反應(yīng)性能,其中煤焦孔隙結(jié)構(gòu)是影響其反應(yīng)性能的主要因素；三種快速熱解煤焦具有更發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),微晶結(jié)構(gòu)有序化程度較低,氣化反應(yīng)性能明顯優(yōu)于慢速熱解煤焦。煤灰對(duì)鐵基載氧體理化性質(zhì)影響的研究表明,三種煤灰均能提高鐵基載氧體的反應(yīng)活性,但都導(dǎo)致鐵基載氧體孔隙結(jié)構(gòu)變差,循環(huán)反應(yīng)性能降低。硫酸渣是黃鐵礦制備硫酸過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣,其主要成分為Fe203和Fe304,本文將硫酸渣作為鐵基載氧體與合成的Fe-Al(10nm)載氧體和天然MAC鐵礦石進(jìn)行了性能比較,從反應(yīng)性、循環(huán)熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、抗燒結(jié)團(tuán)聚性能等方面考察了三種鐵基載氧體的物理結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)性能的影響,并采用同步輻射原位XRD技術(shù)分析了鐵基載氧體還原／氧化過(guò)程中晶相結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。結(jié)果表明,硫酸渣因其成本低、反應(yīng)性能好且具備規(guī)模化制備的潛力而具有很好的應(yīng)用前景。不同因素對(duì)硫酸渣反應(yīng)性能影響的研究表明,隨載氧體／燃料質(zhì)量比和流化介質(zhì)中水蒸氣濃度的增加、煤焦顆粒粒徑的減小以及溫度的升高,硫酸渣反應(yīng)性能更好。與Fe-Al(10nm)和MAC鐵礦石相比,硫酸渣對(duì)煤焦氣化反應(yīng)的促進(jìn)程度更明顯,循環(huán)反應(yīng)熱穩(wěn)定性甚至優(yōu)于MAC鐵礦石,而Fe-Al(10nm)則因抗燒結(jié)性能較差導(dǎo)致循環(huán)熱穩(wěn)定性降低,但采用雙棍擠壓造粒法成型的硫酸渣顆粒機(jī)械強(qiáng)度和抗磨損性能較差,其中碰撞磨損是影響三種鐵基載氧體抗磨損性能的主要原因。對(duì)鐵基載氧體晶相結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的分析表明,還原溫度為550℃時(shí)鐵基載氧體發(fā)生還原反應(yīng),晶體內(nèi)部分子排列變化明顯,晶粒尺寸在經(jīng)過(guò)還原／氧化反應(yīng)后變大,表明晶粒發(fā)生聚集導(dǎo)致鐵基載氧體發(fā)生燒結(jié)�；谥鞒煞址治鼍C合評(píng)價(jià)模型對(duì)鐵基載氧體物理結(jié)構(gòu)參數(shù)、活性成分含量與其反應(yīng)性能之間進(jìn)行了關(guān)聯(lián)和分析,獲得了反映鐵基載氧體結(jié)構(gòu)參數(shù)和活性成分含量信息最多的主成分,建立了鐵基載氧體反應(yīng)性能綜合評(píng)價(jià)模型,模型預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,證明了主成分分析法在關(guān)聯(lián)載氧體結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性方面的可行性。采用熵權(quán)法對(duì)鐵基載氧體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和活性成分含量進(jìn)行了權(quán)重分析。結(jié)果表明,孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(總孔容積和比表面積)是影響其反應(yīng)性能的主要因素,其次為活性成分含量和顆粒密度。針對(duì)鐵礦石載氧體反應(yīng)活性低以及現(xiàn)有改性方法成本較高的問(wèn)題,提出采用生物質(zhì)灰改性鐵礦石的廉價(jià)方法,并考察了生物質(zhì)灰類(lèi)型、負(fù)載比例等因素對(duì)MAC鐵礦石物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性能的影響。結(jié)果表明,改性MAC鐵礦石的物理化學(xué)性能與生物質(zhì)灰中的堿土金屬含量和種類(lèi)及其熔融特性密切相關(guān),雖然三種生物質(zhì)灰(黃豆秸稈灰、玉米秸稈灰、小麥秸稈灰)均能夠提高M(jìn)AC鐵礦石的反應(yīng)活性,但黃豆秸稈灰因其灰熔點(diǎn)高、堿土金屬含量以及K元素含量最高,使得黃豆秸稈灰改性的MAC鐵礦石具有最好的孔隙結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性能,且隨黃豆秸稈灰含量增加MAC鐵礦石反應(yīng)性能逐漸提高。黃豆秸稈灰改性的MAC鐵礦石在循環(huán)反應(yīng)性能方面表現(xiàn)穩(wěn)定,具有較強(qiáng)的抗燒結(jié)能力�；谌济夯瘜W(xué)鏈燃燒系統(tǒng)的反應(yīng)特點(diǎn),提出并構(gòu)建了燃料反應(yīng)器采用細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),且穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下為快速流態(tài)化的新型加壓雙流化床中試反應(yīng)器,以強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)煤顆粒及其氣化產(chǎn)物與載氧體顆粒之間的混合程度以及熱質(zhì)交換強(qiáng)度。采用神華煙煤作為燃料、鐵礦石作為載氧體對(duì)該中試反應(yīng)器的運(yùn)行性能進(jìn)行了考察,并對(duì)燃煤加壓化學(xué)鏈燃燒技術(shù)應(yīng)用于雙流化床反應(yīng)器的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,該反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)常壓和加壓條件下長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行,加煤時(shí)間為19個(gè)小時(shí),穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間為13.5個(gè)小時(shí),加壓條件下能夠有效促進(jìn)揮發(fā)分和氣化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化程度,使得CO2捕集濃度、碳轉(zhuǎn)化率、氣體轉(zhuǎn)化率和系統(tǒng)燃燒效率得到不同程度的提高,鐵礦石反應(yīng)性能表現(xiàn)穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)顆粒燒結(jié)或團(tuán)聚的現(xiàn)象。
【關(guān)鍵詞】：燃煤化學(xué)鏈燃燒 結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性 鐵基載氧體 生物質(zhì)灰改性 雙流化床反應(yīng)器
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TK16
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 主要符號(hào)表10-14
• 第一章 緒論14-40
• 1.1 全球變暖與CO_2減排14-15
• 1.2 CO_2減排技術(shù)15-17
• 1.2.1 燃燒后CO_2捕集技術(shù)16
• 1.2.2 燃燒前脫碳技術(shù)16-17
• 1.2.3 富氧燃燒技術(shù)17
• 1.3 CCS技術(shù)發(fā)展需求現(xiàn)狀17-18
• 1.4 化學(xué)鏈燃燒技術(shù)18-37
• 1.4.1 化學(xué)鏈燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介18-20
• 1.4.2 燃煤化學(xué)鏈燃燒技術(shù)20-21
• 1.4.3 燃煤化學(xué)鏈燃燒技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題的研究進(jìn)展及分析21-37
• 1.5 課題的研究背景、目的、思路及內(nèi)容37-39
• 1.5.1 研究背景和目的37
• 1.5.2 研究思路和內(nèi)容37-39
• 1.6 本章小結(jié)39-40
• 第二章 煤的結(jié)構(gòu)對(duì)燃煤化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)反應(yīng)性能的影響40-61
• 2.1 引言40
• 2.2 基于鐵基載氧體燃煤化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)原理40-41
• 2.3 實(shí)驗(yàn)部分41-46
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料41-43
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及工況43-45
• 2.3.3 煤焦和載氧體的表征45
• 2.3.4 數(shù)據(jù)處理45-46
• 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論46-59
• 2.4.1 煤階對(duì)燃煤化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)反應(yīng)性能的影響46-49
• 2.4.2 熱解溫度和熱解速率對(duì)燃煤化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)反應(yīng)性能的影響49-55
• 2.4.3 煤灰對(duì)Fe-Al(10nm)載氧體理化性質(zhì)的影響55-59
• 2.5 本章小結(jié)59-61
• 第三章 鐵基載氧體結(jié)構(gòu)對(duì)燃煤化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)反應(yīng)性能的影響61-78
• 3.1 引言61-62
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分62-63
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料62
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟62-63
• 3.2.3 數(shù)據(jù)處理63
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論63-76
• 3.3.1 三種鐵基載氧體的性能評(píng)價(jià)63-75
• 3.3.2 鐵基載氧體還原/氧化過(guò)程中的晶相結(jié)構(gòu)分析75-76
• 3.4 本章小結(jié)76-78
• 第四章 鐵基載氧體反應(yīng)性能綜合評(píng)價(jià)體系的建立78-89
• 4.1 引言78
• 4.2 多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)簡(jiǎn)介78-79
• 4.3 主成分分析法79-81
• 4.3.1 主成分分析法原理79-81
• 4.3.2 主成分分析法的改進(jìn)81
• 4.4 鐵基載氧體反應(yīng)性能綜合評(píng)價(jià)體系的建立81-88
• 4.4.1 鐵基載氧體反應(yīng)性能測(cè)試81-83
• 4.4.2 主成分求解過(guò)程83-85
• 4.4.3 載氧體結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性的關(guān)聯(lián)85-86
• 4.4.4 指標(biāo)權(quán)重的確定86-88
• 4.5 本章小結(jié)88-89
• 第五章 生物質(zhì)灰改性鐵礦石的燃煤化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)特性研究89-106
• 5.1 引言89
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分89-92
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)材料89-91
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟91
• 5.2.3 數(shù)據(jù)處理91-92
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論92-105
• 5.3.1 生物質(zhì)灰類(lèi)型的影響92-94
• 5.3.2 生物質(zhì)灰與煤灰改性的MAC鐵礦石反應(yīng)性能比較94-96
• 5.3.3 生物質(zhì)灰和褐煤灰對(duì)MAC鐵礦石微觀結(jié)構(gòu)的影響96-98
• 5.3.4 黃豆秸稈灰負(fù)載比例對(duì)MAC-SSA載氧體反應(yīng)性能的影響98-99
• 5.3.5 MAC-20SSA載氧體反應(yīng)性能評(píng)價(jià)99-103
• 5.3.6 生物質(zhì)灰提高M(jìn)AC鐵礦石反應(yīng)性的機(jī)理探討103-105
• 5.4 本章小結(jié)105-106
• 第六章 基于鐵礦石載氧體燃煤加壓化學(xué)鏈燃燒中試試驗(yàn)研究106-124
• 6.1 引言106-107
• 6.2 試驗(yàn)部分107-112
• 6.2.1 試驗(yàn)材料107
• 6.2.2 中試反應(yīng)器及輔助系統(tǒng)107-110
• 6.2.3 試驗(yàn)步驟及工況110-111
• 6.2.4 性能指標(biāo)及分析方法111-112
• 6.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論112-123
• 6.3.1 中試反應(yīng)器的運(yùn)行特性分析112-115
• 6.3.2 中試反應(yīng)器的性能指標(biāo)分析115-117
• 6.3.3 飛灰特性分析117-118
• 6.3.4 反應(yīng)壓力對(duì)鐵礦石物理結(jié)構(gòu)的影響118-120
• 6.3.5 運(yùn)行時(shí)間對(duì)載氧體理化性質(zhì)的影響120-121
• 6.3.6 鐵基載氧體與鈣基載氧體的比較121-123
• 6.4 本章小結(jié)123-124
• 第七章 全文總結(jié)及展望124-127
• 7.1 全文總結(jié)124-126
• 7.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)126
• 7.3 研究展望126-127
• 致謝127-128
• 參考文獻(xiàn)128-147
• 作者簡(jiǎn)介147-148
• 攻讀博士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果148-150

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 嚴(yán)鴻和,陳玉祥,許昭明,楊皖蘇;專(zhuān)家評(píng)分機(jī)理與最優(yōu)綜合評(píng)價(jià)模型[J];系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐;1989年02期

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本文編號(hào)：547250