（热能工程专业论文）基于铁基载氧体燃煤加压化学链燃烧研究.pdf

乙 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ) - o l v 3 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 羔径主主导师签名： i 釜! 基 日期： l 一 摘要 摘要 随着人们对全球变暖认识的深入，减少温室气体二氧化碳( c 0 2 ) 排放已成为全世界关注的焦点。 化学链燃烧技术能够实现高效f l 乇f l l 耗的进行燃煤c 0 2 分离捕获，目前气体燃料化学链燃烧已经得到 中试验证，研究重点转向固体燃料化学链燃烧。我国以煤为主要能源，亟需研发控制燃煤c o z 减排 的新技术。本论文主要针对廉价铁矿石载氧体进行了燃煤加压化学链燃烧研究，研究了廉价铁矿石 载氧体在煤加压化学链燃烧反应过程中的还原反应特性和持续循环能力，并对反应动力学进行了初 步研究。 首先利用热力学数据对固体燃料化学链燃烧化学反应进行分析，基于g i b b s 自由能最小原理对 化学反应进行了模拟，获得化学反应达到热力学平衡时，得到还原温度、载氧体燃料比、氧化温度、 氧气载氧体摩尔比等操作参数对气体平衡组成和产物分布的影响，模拟结果获得化学链燃烧反应最 优运行工况区间，其最优温度区间为9 0 0 1 0 0 0 。 在热力学研究的基础上，采用加压热重装置研究了基于铁基载氧体煤加压化学链燃烧。研究结 果表明，增加反应器的压力可以促进水蒸气及还原性气体向焦炭和载氧体颗粒表面扩散，促进焦炭 气化及载氧体的还原反应，增加了燃料及载氧体的转化率。确定了煤加压化学链燃烧过程在9 0 0 一 9 5 0 c 温度段的反应模型为扩散控制反应的j a n d e r 模型，并利用该模型获得了煤加压化学链燃烧反应 活化能和频率因子。 在加压化学链燃烧反应系统中，分别在流化床及固定床流型内研究了基于廉价铁基载氧体煤加 压化学链燃烧的还原反应特性，压力对出口干气体中c 0 2 的浓度、c 0 2 累积浓度、c 0 2 捕获效率、 燃料转化率、载氧体转化率等影响。流化床反应器中c 0 2 最大捕获率在0 5 m p a 时为9 2 8 ，当压力 由0 1 m p a 增加到0 5 m p a ，碳的转化率由7 5 4 增加到8 9 9 ，在0 5 m p a 时载氧体的转化率最大为 0 4 9 7 ；固定床反应c 0 2 最大捕获率在0 5 m p a 时为7 1 5 ，当压力由o 1 m p a 增加到o 5 m p a ，碳的 转化率由6 8 5 增加到7 9 6 ，在0 5 m p a 时载氧体的转化率最大为o 5 6 3 ；主要由于流化床反应系 统较之固定床系统，还原性气体与载氧体接触时间短，而且混合效果差，导致流化床系统c o z 的捕 获效率较低，其反应器结构需进一步改进。通过x r d 及s e m 分析，发现载氧体晶相没有发生变化 但颗粒变为多孔状结构。在实验研究过程中，没有发现载氧体颗粒破碎及团聚现象发生。 在流化床及固定床流型内研究基于廉价铁基载氧体煤加压化学链燃烧的循环反应特性。在温度 为9 7 0 ，压力为o 1 m p a 、0 5 m p a 时分别进行载氧体的还原氧化循环实验研究，研究了二十个循 环过程出口干气体产物浓度、出口气体累积浓度、燃料转化率、载氧体转化率、载氧体微观孔结构 及表征分析变化情况。在二十个还原氧化循环过程中，流化床反应器中，反应器压力为0 1 m p a 、 0 5 m p a 时，c 0 2 出口累积浓度分别在5 5 6 0 、6 5 7 0 之间波动，碳的转化率分别在7 5 、8 0 之间波动，载氧体的转化率分别在o 4 0 5 、0 5 0 6 之间波动；固定床反应器中，反应器压力为0 1 m p a 、 o 5 m p a 时，c 0 2 出口累积浓度分别在8 0 8 5 、9 0 9 5 之间波动，碳的转化率分别在7 5 、8 5 之间波动，载氧体的转化率分别在o 4 5 0 5 5 、0 6 之间波动，反应器最佳反应压力为0 5 m p a 。随着 循环反应进行，没有发现明显的铁基载氧体与煤灰相互作用形成复杂的化合物导致载氧体不可再生 性失活。因此该廉价铁矿石载氧体应用于煤加压化学链联合循环系统具有广阔的前景。 关键词：c 0 2 捕获；化学链燃烧；铁基载氧体；反应活性；热重；热力学 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y si t i s g e n e r a l l ya c c e p t e dt h a tt h ei n c r e a s i n gg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n sa g g r a v a t e st h e i n c r e a s eo fe a r t ht e m p e r a t u r ea n dc a u s e sg l o b a lc l i m a t ec h a n g e s t h ec o m b u s t i o no ff o s s i lf u e l sf o rp o w e r g e n e r a t i o ne m i t sag r e a ta m o u n to fg l o b a lc 0 2e m i s s i o n s c h e m i c a l - l o o p i n gc o m b u s t i o n ( c l c ) i sa p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rt h ec o m b u s t i o no fg a so rs o l i df u e lw i t he f f i c i e n tu s eo fe n e r g ya n di n h e r e n t s e p a r a t i o no fc 0 2 ac l cs y s t e mc o n s i s t so ft w oi n t e r c o n n e c t e dr e a c t o r s t h ef u e la n dt h ea i rr e a c t o r t h e o x y g e ni st r a n s f e r r e db yt h es o l i do x y g e nc a r r i e rf r o mt h ea i rt ot h ef u e l 1 1 1 ew a t e ri nc o m b u s t i o np r o d u c t s c a nb ee a s i l yr e m o v e db yc o n d e n s a t i o na n dp u r ec a r b o nd i o x i d ei so b t a i n e dw i t h o u ta n yl o s so fe n e r g yf o r s e p a r a t i o n i nt h i sp a p e r ，p r e s s u r i z e dc h e m i c a l - l o o p i n gc o m b u s t i o no fc o a lw i t hi r o no r eo x y g e nc a r r i e r w a se x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d t h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so fi r o n - b a s e do x y g e nc a r r i e r ( f e 2 0 3 ) w a ss t u d i e d u s i n gt h es o f t w a r eo fa s p e np l u s ；t h er e d u c t i o nk i n e t i co ft h ep r e s s u r ec h e m i c a l l o o p i n gc o m b u s t i o no f c o a lw i t hi r o no r eo x y g e nc a r r i e rw a sa n a l y z e db yt h ep r e s s u r et g ae q u i p m e n ts y s t e m ；t h er e d u c t i o n r e a c t i v i t yo ft h ei r o n o r eo x y g e nc a r r i e rw a ss t u d i e da td i f f e r e n t p r e s s u r e s ；c y c l i cp e r f o r m a n c ea n d c h a r a c t e r i z a t i o no fi r o no r eo x y g e nc a r r i e rw a si n v e s t i g a t e db yc y c l i cr e d u c t i o n o x i d a t i o ne x p e r i m e n t t h ed e t a i l e df i n d i n g sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y , t h e r m o d y n a m i ca n a l y s e so ff e 2 0 3o x y g e nc a r r i e rw i t hs i m u l a t i o nc o a lg a s e sw e r ep e r f o r m e d o nt h ep r i n c i p l eo ft h eg i b b sf r e ee n e r g ym i n i m i z a t i o nv i aa s p e np l u ss o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h em a i np r o d u c t so fr e d u c t i o na r ec 0 2a n dh 2 0 ，w h i l et h es o l i dp r o d u c t sa r ef e 3 0 4 t h ee f f e c t s o fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，f e 2 0 3 f u e lm o l a rr a t i o ，a n d0 2 f e 3 0 4m o l a rr a t i oo nt h ee q u i l i b r i u mc o m p o s i t i o n o fg a s e o u sa n ds o l i dp h a s ep r o d u c t sw e r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，t h er e d u c t i o nk i n e t i co ft h ep r e s s u r ec h e m i c a l - l o o p i n gc o m b u s t i o no fc o a lw i t hi r o no r e o x y g e nc a r r i e rw a sa n a l y 7 z e di nt h ep r e s s u r et g ae q u i p m e n ts y s t e m w i t ht h ei n c r e a s eo fp r e s s u r e t h e p r o c e s se n h a n c e st h eg a s i f i c a t i o nr a t eo fc o a ld u et ot h es p e e d i n gd i f f u s i o no fg a s e o u sr e a c t a n t sa n d p r o d u c t si nt h ep o r e so fc o a lc h a r a l s ot h er e a c t i o nr a t eo ft h ew g s rw a se n h a n c e db yt h ep r e s s u r e t h e r e f o r e ，t h ec a r b o nc o n v e r s i o ni n c r e a s e dw i t ht h ep r e s s u r e a n di ti sd e t e r m i n e dt h a tt h ed i f f u s i o n r e a c t i o nc o n t r o lj a n d e rm o d e l i ss u i t a b l ef o rt h er e a c t i o nb e t w e e n9 0 0 9 5 0 a c c o r d i n gt h em o d e l t h e p r e s s u r i z e dc h e m i c a l - l o o p i n gc o m b u s t i o nr e a c t i o na c t i v a t i o ne n e r g ya n df r e q u e n c yf a c t o rw e r ec a l c u l a t e d f u r t h e r m o r e ，p r e s s u r i z e dc l cc o m b i n e dc y c l e ( p c l c c c ) s y s t e mi sp r o p o s e da sp r o m i s i n gc o a l c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yw i t hh i g h e rs y s t e m e f f i c i e n c yc o u p l i n g w i t hc o m b i n e dc y c l e ，h i g h e rf u e l c o n v e r s i o n ，a n dl o w e rc o s tf o rc 0 2s e q u e s t r a t i o n i nt h i ss t u d yp r e s s u r i z e dc h e m i c a ll o o p i n gc o m b u s t i o no f c o a lw i t hc v r di r o no r ew a si n v e s t i g a t e di nal a b o r a t o r yf i x e d f l u i d i z e db e dr e a c t o r 1 1 1 ep r e s s u r i z e d c o n d i t i o ns u p p r e s s e si n i t i a lc o a lp y r o l y s i sp r o c e s sw h i l ei ti n t e r e s t i n g l ye n h a n c e sc o a lc h a rg a s i f i c a t i o na n d r e d u c t i o nw i t hi r o no r ei ns t e a m ，a n dt h u se n h a n c e st h eo v e r a l lr e a c t i o nr a t eo fc h e m i c a l l o o p i n g c o m b u s t i o n t h eo x i d a t i o nr a t e sa n dv a r i a t i o no fo x y g e nc a r r i e rc o n v e r s i o na r eh i g h e ra te l e v a t e dp r e s s u r e s r e f l e c t i n gh i g h e rr e d u c t i o nl e v e li n t h ep r e v i o u sr e d u c t i o np e r i o d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n a l y s e ss h o wt h a tp a r t i c l e sb e c o m ep o r o u sa f t e re x p e r i m e n t sb u tm a i n t a i ns t r u c t u r ea n ds i z ea f t e rs e v e r a l c y c l e s a g g l o m e r a t i o no fp a r t i c l e sw a sn o to b s e r v e di na l le x p e r i m e n t sa ta l lp r e s s u r e s c o m p a r et h e f l u i d i z e db e dr e a c t o rs y s t e ma n df i x e db e dr e a c t o rs y s t e m ，t h er e d u c i n gg a sa n dt h eo x y g e nc a r r i e rm i x e d p o o r l ya n dt h ec o n t a c tt i m ei ss h o r t ，r e s u l ti nt h el o wc 0 2c a p t u r ee f f i c i e n c yi nt h ef l u i d i z e db e dr e a c t o r s y s t e m t h es t r u c t u r eo f t h er e a c t o rn e e d st of u r t h e ri m p r o v e f i n a l l y t h ep r e s s u r i z e dc l co fc o a lw i t hc v r d i r o no r ew a si n v e s t i g a t e di nal a b o r a t o r yf l u i d i z e d f i x e db e dr e a c t o rf o c u s i n go nc y c l i cp e r f o r m a n c e c v r di r o no r ep a r t i c l e sw e r ee x p o s e da l t e r n a t e l yf o r2 0 c y c l e st or e d u c t i o nb y0 4go f c h i n e s ex u z h o ub i t u m i n o u sc o a lg a s i f i e dw i t h8 7 s t e a m n 2m i x t u r ea n d o x i d a t i o nw i t h5 0 2 n 2a t9 7 0 。ca t0 1m p aa n d0 5m p a w i t ht h er e d o xc y c l e sp r o c e e d s t h eo u t l e t p r o d u c tg a sc o n c e n t r a t i o n ，g a sa c c u m u l a t i v ec o n c e n t r a t i o n ，f u e lc o n v e r s i o n ，o x y g e nc a r r i e rc o n v e r s i o n ， i i a b s t r a c t o x y g e nc a r r i e rp o r es t r u c t u r ew a si n v e s t i g a t e d a te l e v a t e dp r e s s u r e ，t h eo x y g e nc a r r i e rr e d u c t i o nl e v e la n d f u e lc o n v e r s i o ni n c r e a s e d x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n a l y s i sv e r i f i e st h ee x t e n to fr e d u c t i o nl e v e li n c r e a s e s w i t hc y c l e sa n dp r e s s u r e n od e t e c t a b l ef o r m a t i o no fc o m p o u n do fi r o no x i d ea n dc o a la s hw a so b s e r v e d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p es p e c t r o s c o p y ( s e m ) a n a l y s e ss h o wt h a tt h ea c t i v a t e di r o no r ep a r t i c l e s b e c o m e sp o r o u s a g g l o m e r a t i o no fp a r t i c l e sw a sn o to b s e r v e di na l le x p e r i m e n t sa tb o t hp r e s s u r e s p o r e s i z ea n a l y s e ss h o wt h a tt h eo x y g e nc a r r i e rp a r t i c l e sm a i n t a i n e dm e s o p o r ef o rb o t ha t m o s p h e r i ca n de l e v a t e d p r e s s u r e t h es u r f a c ea r e aa n dp o r ev o l u m ei n c r e a s e sd e t e r m i n et h ea c t i v a t i o no fi r o n o r ep a r t i c l e s e l e v a t e dp r e s s u r e sm a yr e s u l ti nas l i g h tl o s so fp o r ev o l u m ea n dd e c r e a s eo fa v e r a g ep o r ed i a m e t e r i n d i c a t i n gt h a ts l i g h ts i n t e r i n go c c u ra th i i g hp r e s s u r e ，w h i c hd o e sn o ta p p e a rt oi n f l u e n c et h er e a c t i v i t yo f t h ea c t i v a t e do x y g e nc a r r i e rp a r t i c l e s o v e r a l l ，p r e s s u r i z e dc l ce x p e r i m e n t si np r e s e n tw o r ks u g g e s tt h a tp c l co fc o a li sp r o m i s i n ga n d f u r t h e ri n v e s t i g a t i o n sa r en e c e s s a r y k e y w o r d s ：c 0 2c a p t u r e ，c h e m i c a l - l o o p i n gc o m b u s t i o n ，i r o no r eo x y g e nc a r r i e r ，r e a c t i v i t y ，t h e r m o g r a v i m e t r i c ，t h e r m o d y n a m i c 1 1 1 东南大学硕士学位论文 主要符号表 g 进口气体第f 组分摩尔浓度m o l m 3 以 g进口燃料气体c 总量，m o ln o c l c 化学链燃烧( c h e m i c a l - l o o p i n gc o m b u s t i o n )f i i 。 已化学反应表观活化能，k j t o o l n o 呲 k 化学反应平衡常数 r m 载氧体瞬时质量，k g r 。 m o 氧原子摩尔质量g m o i f m o x载氧体完全氧化质量，k g t 加r e d 载氧体完全还原质量，k g 口 舳 进口反应气体第i 组分摩尔分数 形 y i , o m 出口干烟气第i 组分摩尔分数甄 场 比孔容，m 3 g 希腊字母 h d h ? 4 ，g d g ? a ，g d 下标 l r e d 0 x i n 反应的燃烧焓变，k j m o l 化合物在标准状态时生成热，k j m o l 反应的g i b b s 自由能 化合物的标准生成g i b b s 自由能，k j m o l 反应在标准状态生成的g i b b s 自由能， l d m o l 第f 组分或时刻 还原阶段 氧化阶段 进口 i v 反应级数 载氧体中可以完全转移到燃料的氧， m o l 反应器进口气体摩尔速率，m o l s 出口干烟气摩尔流率，m o s 理想气体常数，j ( m o lk ) 载氧体的载氧能力或含氧量，定义为 r o - - ( m o x - m r e d ) 朋“ 时间s 绝对温度k 总转化率 反应过程中样品质量 样品初始质量 左r载氧体转化率变化 以 出口干烟气中第i 组分的收率， p 表观密度 尸。载氧体c a s 0 4 摩尔密度，m o l m 3 0 a t r e a c t a n t p r o d u c t 出口 反应物 产物 目录 目录 摘! i 荽i a b s t r a c t 。i i 主要符号表i v 目录v 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义。1 1 2 煤化学链燃烧技术一2 1 2 1 煤化学链燃烧原理2 1 2 2 煤加压化学链燃烧发电技术3 1 3 煤化学链燃烧分离c 0 2 的研究进展。5 1 4 课题研究的目的和主要内容。7 1 4 1 研究目的7 1 4 2 主要研究内容8 第二章基于铁基载氧体化学链燃烧的热力学分析9 2 0 弓i 言。9 2 1 热力学分析方法9 2 2 化学链燃烧化学平衡模拟方法10 2 3 反应方程及计算方法1 0 2 4 计算结果1 1 2 4 1 燃料反应器热力学计算结果1 l 2 4 2 燃料反应器的敏感性分析1 2 2 4 2 1 载氧体与燃料的摩尔比对各平衡组分的影响1 2 2 4 2 2 温度对各平衡组分的影响1 3 2 4 2 3 不同反应气体的产率和载氧体的载氧率1 3 2 5 本章小结1 4 第三章铁基载氧体煤加压化学链燃烧热重试验研究1 5 3 0 弓f 言1 5 3 1 实验原料1 5 3 2 基于铁基载氧体煤加压化学链燃烧原理1 6 3 3 实验系统1 6 3 3 1 美国t h e r m oc a h n 公司t h e r m a x5 0 0 加压热重分析仪1 6 3 4 实验步骤及工况。1 8 3 5 实验数据处理1 9 3 5 1 转化率1 9 3 6 实验结果及讨论1 9 3 6 1 不同温度对还原反应的影响1 9 3 6 2 不同压力对还原反应的影响2 0 v 东南大学硕士学位论文 3 6 3 不同压力及温度对还原反应转化率2 0 3 6 4 载氧体的s e m 结果分析21 3 6 5 还原反应动力学分析2 l 3 7 本章小结2 3 第四章基于铁基载氧体煤加压化学链燃烧还原反应试验研究2 4 4 0 弓i 言2 z i 4 1 试验部分2 4 4 1 1 试验材料2 4 4 1 2 加压小型流化床试验装置2 4 4 1 3 试验步骤和工况2 5 4 2 数据处理。2 7 4 3 结果和讨论2 8 4 3 1 气化过程温度及水蒸气分压对气化产物的影响2 8 4 3 2 气化过程不同压力下气体产物浓度随时间的变化关系2 8 4 3 3 气化过程中，压力对累积浓度的影响3 0 4 3 4 还原反应过程中，温度及水蒸气分压对反应的影响3 0 4 3 5 还原过程不同压力下气体产物浓度随时间的变化3 1 4 3 6 还原反应过程，压力对气体累积组分影响3 3 4 3 7 还原反应过程中压力对c 0 2 收率的影响3 4 4 3 8 碳的转化率随反应器压力的变化3 4 4 3 9 压力对载氧体的转化率以及反应特性的影响3 5 4 3 1 0 载氧体颗粒的表观分析3 6 4 4 本章小结3 9 第五章基于铁基载氧体煤加压化学链燃烧多循环试验研究4 0 5 0 弓l 言z i o 5 1 实验部分4 0 5 1 1 实验样品4 0 5 1 2 试验步骤和工况4 0 5 2 数据分析4 1 5 3 结果与讨论4 2 5 3 1 常压下典型循环气体浓度变化曲线4 2 5 3 2 o 5 m p a 典型循环气体浓度变化曲线4 3 5 3 3 氧化过程气体浓度变化曲线4 4 5 3 4 气体累积浓度随循环次数变化4 5 5 3 5 碳转化率随循环次数变化4 7 5 3 6 载氧体的转化率随循环次数变化4 8 5 3 7 载氧体颗粒的比表面积及孔结构分析4 8 5 3 8 载氧体颗粒的表面特性分析5 0 5 3 8 1 载氧体颗粒的x r d 分析5 0 5 8 3 2 载氧体颗粒的s e m 分析5 2 5 4 本章小结5 3 第六章全文总结和展望 厶 v i 5 5 目录 6 1 全文总结5 5 6 1 1 铁基载氧体化学链燃烧热力学分析。5 5 6 1 2 铁基载氧体煤加压化学链燃烧热重实验研究5 5 6 1 3 基于铁基载氧体煤加压化学链燃烧还原反应试验研究。5 6 6 1 4 基于铁基载氧体煤加压化学链燃烧多循环试验研究一5 6 6 2 创新点5 7 6 3 展望5 7 参考文献5 9 致谢6 5 攻读硕士学位期间论文发表。6 6 v i i 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 随着经济快速发展，能源消耗量随着经济增长逐年的增加，消耗煤，石油，天然气等化石燃料 释放出的废气日益增加，由此导致的环境污染和温室效应严重地威胁人类赖以生存的地球环境。c o z 气体的浓度从工业前的2 8 0 p p l l l 上升到现在的3 7 0 p p m ，使降雨、风、云层、洋流以及南北极冰帽大 小等关键可变凶素发生变化，使冰川化，海平面上升使部分陆地淹没，同时也会使厄尔尼诺等异常 气候频发，而且冬季缩短、夏季延长，由于蒸发增强，大片地区的土壤湿度将会降低，造成土地沙 漠化。减少温室气体c 0 2 的排放量成为人们日益关注的焦点。2 0 0 7 年初以来，联合国政府问气候变 化专门委员会( r p c c ) 陆续发表了第四次气候变化评估报告。i p c c ( 2 0 0 7 ) 报告进一步从科学上确认了 人类活动引起全球气候变暖的事实。并表明气候变暖对全球水平的自然和生物系统产生了可识别的 影响。i p c c 报告显示，气候变化将增加自然灾害，数十亿人将受到影响，上亿人将面临饥荒的威胁。 尽管气候变化在科学上还存在不确定性，但国际社会通过合作和对话，共同应对气候变化带来的挑 战是基本共识【l d 】。鉴于温室效应的巨大危害，世界各国都在为温室效应的防治做出努力。然而，由 于在世界范围内，化石能源仍然将占统治地位，在我国由于人口众多，经济发展快，对能源的需求 量大，以煤炭为主的一次能源供应格局将长期难以根本转变，未来较大力度减缓c 0 2 排放必须发展 适合中国国情的革新性能源与环境相容的技术。减少c 0 2 的排放量的主要措施有提高能源的转化和 利用效率，提高可再生能源在能源结构中所占的比例，以及通过c 0 2 的分离和捕获技术，在短期内， 大幅度的提高能源的转化和利用效率，提高可再生能源所占的比例不太现实，而c o ：得分离和捕获 技术需要消耗大量的能量，导致能量转化系统的效率下降。面对当前经济高速发展所带来气候变化 的严峻形势，我国需调整能源结构，制定相关的科技规划和产业政策，减缓c 0 2 排放作为发展国家 能源战略的重要目标，努力控制c 0 2 的排放，为缓解全球气候变化做出积极的贡献卜7 | 。 c 0 2 分离和捕获技术种类繁多，归纳起来主要有三大类：前燃脱碳( p r e c o m b u s t i o n ) 、后燃脱碳 ( p o s t - c o m b u s t i o n ) 和富氧燃烧( o x y f u e l ) ，如图1 1 所示。前燃脱碳是采用整体煤气化联合循环技术 ( i g c c ) 在燃烧前端将c 0 2 分离，首先化石燃料经过气化或重整转化成主要成份为c o 和h 2 的煤 气，然后利用水煤气化变换反应大大提高c 0 2 的浓度，c 0 2 分离后得到富氢，可用于燃气燃烧发电。 燃烧前脱碳的关键是转化制氢及高温下氢气的膜分离系统，开发的重点是膜式转化装置及高温膜分 离材料。燃烧后脱碳，即从烟气中分离出c 0 2 ，目前，该c 0 2 同收途径的首选是化学溶剂吸收法， 类似于燃煤电厂的烟气脱硫，这种技术路线适合于从现役常规燃煤电厂中捕集c 0 2 。燃烧后脱碳的 技术难点主要是溶剂m e a ( 单乙醇氨) 对烟气的适应性以及烟气中存在s 0 2 、n o x 及粉尘等杂质。 此外，化学溶剂的再生过程需要耗用大量的低压水蒸气( 9 - 1 2b a r 、3 5 0 4 0 0 ) ；同时燃烧后分 离的c 0 2 压力较低( qb a r ) ，储存运输时还要将其压缩至超临界流体状态( 约1 0 0b a r ) ，耗用大 量的压缩功；c o z 回收、压缩、储存及下游运输的基础设施等环节的投资成本和运行维护成本较大。 富氧燃烧技术也称为o j c 0 2 燃烧技术，或空气分离烟气再循环技术，该方法用空气分离获得 的纯氧和一部分锅炉排气构成的混合气代替空气做矿物燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排气中的 c 0 2 浓度。采用0 2 c 0 2 混合物( 循环烟气部分) 而不是纯氧的原因是为了控制火焰温度。该技术的 主要挑战是锅炉火焰和热传输的特征以及防止空气泄露进入炉内等。富氧燃烧的优势在于：烟气中 厶 东南大学硕上学位论文 含有高浓度的c 0 2 ( 9 0 ) ，简化了后续的分离纯化过程；由于燃烧环境中氮气量很少，n o x 排 放量会大大降低。缺点在于：该过程需要空分来制取富氧或纯氧，另外回收c 0 2 压力较低，需进行 压缩；对于发电厂来说，制氧设备和c 0 2 压缩设备所消耗的电力可占用电量的1 0 以上，使得总的 电站效率下降。 上述三种技术是目前对由化石燃料燃烧产生的c 0 2 进行捕集的主流技术。燃烧前脱碳