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,近年來引起世界各國的普遍關(guān)注。與現(xiàn)有的碳捕集技術(shù)相比,化學(xué)鏈燃燒技術(shù)在實現(xiàn)煤炭高效利用的同時有效降低了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,目前針對煤和載氧體反應(yīng)性能的研究僅停留在宏觀反應(yīng)器層面,對煤和載氧體結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性的關(guān)系及其相互作用機制尚不清楚,在載氧體研發(fā)方面還缺乏廉價、高效且適合規(guī)�；苽涞妮d氧體以及改性方法。針對以上問題,本文以我國的典型煤種為燃料,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)器上進行可行性驗證。由于煤的熱解反應(yīng)很快,焦炭的氣化反應(yīng)控制著整個系統(tǒng)的反應(yīng)速率�；诖�,本文通過實驗研究和表征手段考察了煤階(褐煤、煙煤和無煙煤)、熱解溫度和熱解速率對我國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,而煙煤焦和無煙煤焦在熱解溫度為900℃時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鐵礦石進行了性能比較,從反應(yīng)性、循環(huán)熱穩(wěn)定性、機械強度、抗燒結(jié)團聚性能等方面考察了三種鐵基載氧體的物理結(jié)構(gòu)對系統(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)�；苽涞臐摿Χ哂泻芎玫膽�(yīng)用前景。不同因素對硫酸渣反應(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,硫酸渣對煤焦氣化反應(yīng)的促進程度更明顯,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械強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合評價模型對鐵基載氧體物理結(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)性能綜合評價模型,模型預(yù)測的數(shù)據(jù)與實驗數(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)法對鐵基載氧體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和活性成分含量進行了權(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題,提出采用生物質(zhì)灰改性鐵礦石的廉價方法,并考察了生物質(zhì)灰類型、負(fù)載比例等因素對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MAC鐵礦石的反應(yīng)活性,但黃豆秸稈灰因其灰熔點高、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,提出并構(gòu)建了燃料反應(yīng)器采用細(xì)長結(jié)構(gòu)設(shè)計,且穩(wěn)定運行狀態(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)交換強度。采用神華煙煤作為燃料、鐵礦石作為載氧體對該中試反應(yīng)器的運行性能進行了考察,并對燃煤加壓化學(xué)鏈燃燒技術(shù)應(yīng)用于雙流化床反應(yīng)器的可行性進行了驗證。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時間的穩(wěn)定運行,加煤時間為19個小時,穩(wěn)定運行時間為13.5個小時,加壓條件下能夠有效促進揮發(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK16
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 主要符號表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)鍵問題的研究進展及分析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 實驗部分41-46
• 2.3.1 實驗材料41-43
• 2.3.2 實驗步驟及工況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 實驗結(jié)果與討論46-59
• 2.4.1 煤階對燃煤化學(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 實驗部分62-63
• 3.2.1 實驗材料62
• 3.2.2 實驗裝置及步驟62-63
• 3.2.3 數(shù)據(jù)處理63
• 3.3 實驗結(jié)果與討論63-76
• 3.3.1 三種鐵基載氧體的性能評價63-75
• 3.3.2 鐵基載氧體還原/氧化過程中的晶相結(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)性能綜合評價體系的建立78-89
• 4.1 引言78
• 4.2 多指標(biāo)綜合評價簡介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81
• 4.4 鐵基載氧體反應(yīng)性能綜合評價體系的建立81-88
• 4.4.1 鐵基載氧體反應(yīng)性能測試81-83
• 4.4.2 主成分求解過程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 實驗部分89-92
• 5.2.1 實驗材料89-91
• 5.2.2 實驗裝置及步驟91
• 5.2.3 數(shù)據(jù)處理91-92
• 5.3 實驗結(jié)果與討論92-105
• 5.3.1 生物質(zhì)灰類型的影響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)性能評價99-103
• 5.3.6 生物質(zhì)灰提高MAC鐵礦石反應(yīng)性的機理探討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)鏈燃燒中試試驗研究106-124
• 6.1 引言106-107
• 6.2 試驗部分107-112
• 6.2.1 試驗材料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 試驗結(jié)果及討論112-123
• 6.3.1 中試反應(yīng)器的運行特性分析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)壓力對鐵礦石物理結(jié)構(gòu)的影響118-120
• 6.3.5 運行時間對載氧體理化性質(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126
• 7.3 研究展望126-127
• 致謝127-128
• 參考文獻(xiàn)128-147
• 作者簡介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)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 嚴(yán)鴻和,陳玉祥,許昭明,楊皖蘇;專家評分機理與最優(yōu)綜合評價模型[J];系統(tǒng)工程理論與實踐;1989年02期

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本文編號：547250