（热能工程专业论文）基于fe载氧体的固体燃料化学链燃烧实验研究.pdf

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，论文中不包含其它人已经发表或 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。 研究生签名：采阻袭且l 日期：垒丝至出蚓 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、缩印或其它复制手段保存论文。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 坪。 研究生签名：盥建团! ) 导师签名： 摘要 摘要 c 0 2 是众所周知的温室气体，减少排放温室气体的必要性已经达成了广泛的共识。 其中来自化石燃料造成的c 0 2 排放是最主要的排放源，可以通过提高能源转换和利用效 率及提高可再生能源( 生物质能) 的利用来减少c 0 2 排放，但是，从世界范围来说，化 石燃料仍然是最主要的能源来源。另外一个减排方式可以通过对燃烧前后的化石燃料进 行c 0 2 分离和固定来实现，目前，已经有大量可分离c 0 2 的技术出现，不过这些技术都 有一个显著的缺点就是需要消耗大量的能量来获得高纯的c 0 2 ，这可使电厂效率下降 7 0 o - 1 2 。因此，寻找一个只需很少的能量就能够实现c 0 2 分离的方法是十分重要的。 化学链燃烧是一个含有c 0 2 内分离的新颖的燃烧技术。其在用于化石燃料燃烧的过 程中既可实现c 0 2 分离也能大大降低热力型n o 。等污染物的排放。化学链燃烧是将传 统的燃烧分成两步，分别在两个反应器巾进行，即用于载氧体与燃料反应的燃料反应器 和用于载氧体与空气反应的空气反应器，载氧体在两个反应器之间循环。 本文设计并建立了1 0 k w t i i 级串行流化床实验装置，该系统是由循环床、鼓泡流化 床和旋风分离器组成，其中循环床作为空气反应器，鼓泡流化床作为燃料反应器，循环 床和鼓泡流化床之间通过返料管连接。以f e 2 0 3 为载氧体，在1 0 k w t h 级串行流化床上进 行了生物质化学链燃烧的试验研究，探讨了燃料反应器温度、生物质进料量和水蒸气量 对两个反应器( 燃料反应器+ 空气反应器) 气体产物组成的影响。结果表明较高的反应 器温度虽然有助于气化反应的进行，但是受载氧体的载氧率和颗粒循环速率的影响反而 不利于c 0 2 捕集。随着生物质进料量的增加，燃料反应器需氧量的上升，不利于燃料反 应器c 0 2 的捕集。而水蒸气量的增加有利于燃料反应器c 0 2 的捕集，但是同时也导致 h 2 的出现。 为了缓解载氧体颗粒表面的烧结，本文提出在化学链燃烧过程中，对空气反应器进 行分级送风。以f e 2 0 3 为载氧体，在1 0 k w t h 级串行流化床实验装置上进行煤化学链燃烧 分级送风实验，探讨了一二次风的配比对两个反应器( 空气反应器+ 燃料反应器) 气体 产物组成以及煤中碳转化率的影响：利用s e m 、b e t 以及x r d 对反应前后载氧体的物 化性能进了分析。结果表明，分级送风方法能够有效地缓解载氧体的烧结程度，有助于 载氧体在长时间使用过程中反应性能的维持。 为了进一步较好的解决两个反应器之间的气体串混问题，本文设计并建立了l k w t h 级串行流化床实验装置。使用来自澳洲的铁矿石为载氧体，以煤为燃料，探讨了铁矿石 在运行1 0 h 的化学链燃烧系统中的寿命及燃料反应器温度、蒸气量、空气量等参数对系 统出口气体的影响。结果表明：在1 0 h 运行过程中，天然铁矿石展现出良好的氧化还原 性能和较好的持续循环的能力；高的燃料反应器温度虽然有利于煤气化反应的进行，但 是反倒不利于c 0 2 捕集：适量的水蒸气有利于半焦气化等反应的进行，但是过量则不利 l 倍率增 反应有 a b s t r a c t a b s t r a c t c a r b o nd i o x i d ei saw e l l k n o w ng r e e n h o u s eg a s a n dm a ya f f e c tt h ec l i m a t eo ft h ee a r t h i ti sg e n e r a l l ya c c e p t e dt h a tar e d u c t i o ni ne m i s s i o n so fg r e e n h o u s eg a s e si sn e c e s s a r y t h e r e l e a s eo fc 0 2f r o mf o s s i lf u e lc o m b u s t i o ni st h em o s ti m p o r t a n to ft h e s ee m i s s i o n s t h i s c o u l db ea c h i e v e db yi n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yc o n v e r s i o na n du s eo fe n e r g y , a sw e l l a si n c r e a s i n gt h eu s eo fr e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e s s u c ha sb i o f u e l h o w e v e r , i nt h es h o r t t e r m ，f o s s i lf u e l sa r es t i l lt h ed o m i n a n te n e r g ys o u r c ew o r l d w i d e a na d d i t i o n a lo p t i o nf o r a c h i e v i n gr e d u c t i o nw o u l db es e p a r a t i o na n ds e q u e s t r a t i o no fc 0 2b e f o r eo ra f t e rc o m b u s t i o n o ff o s s i lf u e l an u m b e ro fk n o w nt e c h n i q u e sc a nb eu s e dt oc a r r yo u tt h i ss e p a r a t i o n b u ta s i g n i f i c a n td i s a d v a n t a g ew i t hm o s to ft h e s et e c h n i q u e si st h el a r g ea m o u n to fe n e r g yt h a ti s r e q u i r e dt oo b t a i nt h ec 0 2i np u r ef o r m ，w h i c hm e a n st h a tt h ee 衢c i e n c yo fp o w e rp l a n t s d e c r e a s e sb v7 12 i ti st h u si m p o r t a n tt of i n dam e t h o dw h e r e b yc 0 2c a nb es e p a r a t e df r o m t h ef l u eg a s e sw i t has m a l ll o s si ne f f i c i e n c y c h e m i c a l 1 0 0 p i n gc o m b u s t i o n ( c l c ) i sn o v e lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yw i t hi n h e r e n t s e p a r a t i o no ft h eg r e e n h o u s eg a sc 0 2 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 ) h a s b e e n p r o p o s e dr e c e n t l ya sa na l t e r n a t i v ep r o c e s sf o rt h ec o m b u s t i o no ff o s s i lf u e l s ，s u c h 弱c o a l ，o i l ， o rn a t u r a lg a s ，p r o v i d i n gc o m p l e t ec 0 2 c a p t u r et o g e t h e rw i t hs u b s t a n t i a lr e d u c t i o no ft h e r m a l n o xe m i s s i o n s i nc l c ，aw h o l ec o m b u s t i o np r o c e s si sd i v i d e di n t ot w o s t e pp r o c e s s e s ， w hi c ha r ec a r r i e do u ti nt w od i f f e r e n tr e a c t o r s f u e li sb u r n e du s i n gt h el a t t i c eo x y g e no ft h e s o l i do x y g e nc a r r i e r si nt h ef u e lr e a c t o r 伯i s oc a l l e dr e d u c t i o nr e a c t o r ) i ft h er e d u c t i o n r e a c t i o ni sf a s te n o u g ha n dh i g h l ys e l e c t i v e ，c o m p l e t ec o n v e r s i o no ft h ec o m b u s t i b l ec a nb e a c h i e v e d ，a n dc o n s e q u e n t l y , t h eo u t l e tg a sf r o mt h i sr e a c t o ri se x c l u s i v e l yc o m p o s e do fc 0 2 a n dw a t e rv a p o r i nt h es e c o n ds t a g e t h er e d u c e do x y g e nc a r r i e ri st r a n s p o r t e di n t oa na i r r e a c t o r ( a l s oc a l l e do x i d a t i o nr e a c t o r ) w h e r ei ti sr e o x i d i z e db ya i r a t i e rp a s s i n gt h r o u g ha c y c l o n et os e p a r a t et h es o l i do x y g e nc a r r i e rf r o mt h eh o tg a s e sf n 2a n du n r e a c t e d0 2 ) ，t h e o x y g e nc a r r i e ri sr e c y c l e di n t ot h ef u e lr e a c t o ra g a i n al0 k w t hc o n t i n u o u sr e a c t o ro fi n t e r c o n n e c t e df l u i d i z e db e dw a sd e s i g na n ds e tu p ， s i m u l a t i n gc h e m i c a l - l o o p i n gc o m b u s t i o n t h ep r o t o t y p ec o m p r i s e do f af a s tf l u i d i z e db e d 硒 a na i rr e a c t o r , ac y c l o n e a n das p o u t f l u i db e da saf u e ir e a c t o r t h eh i g hv e l o c i t yf l u i d i z e d b e di sd i r e c t l yc o n n e c t e dt ot h es p o u t f l u i db e dt h r o u g ht h ec y c l o n e e x p e r i m e n t so nc h e m i c a l l o o p i n gc o m b u s t i o no fb i o m a s sw i t haf e 2 0 3b a s e do x y g e nc a r r i e rw a sc a r r i e do u to nt h e i n t e r c o n n e c t e df l u i d i z e db e d t h ee f f e c t so ff u e lr e a c t o rt e m p e r a t u r e b i o m a s sf e e dr a t ea n d s t e a mo nt h eg a sc o m p o s i t i o no ft h ea i rr e a c t o ra n df u e lr e a c t o r sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s h o w st h a ta l t h o u g ht h eh i g h e rf u e ir e a c t o rt e m p e r a t u r ec o u l dc o n t r i b u t et os t r e n g t h e nt h e p r o c e s so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o n ，w h i l ec 0 2c a p t u r er a t ed e c r e a s e db yt h el o wo x y g e nr a t eo f o x y g e nc a r r i e ra n dt h er a t eo fr e d u c t i o nr e a c t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fb i o m a s sf e e dr a t e t h e 0 2n e e d so ff u e lr e a c t i o ni n c r e a s e s w h i c hd o e sn o tc o n t r i b u t et ot h ec 0 2c a p t u r e t h e i n c r e a s i n go fs t e a mf e e dr a t ec o u l dc o n t r i b u t et ot h ec 0 2c a p t u r e ，b u th 2c o n c e n t r a t i o nr o s e r a p i d l ya f t e rt h ef i r s ts t a b i l i z e d t or e li e v et h es u r f a c es i n t e r i n go fo x y g e nc a r r i e rp a r t i c l e s ，a i rs t a g i n gf o rc h e m i c a l l o o p i n gc o m b u s t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ea i rf l o wf o ro x y g e nc a r r i e rr e g e n e r a t i o ni n t h ea i rr e a c t o ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，i e ，p r i m a r ya n ds e c o n d a r ya i r e x p e r i m e n t sw i t ha i r i i i a b a s t r a c t s t a g i n ga n dw i t h o u ta i rs t a g i n gw e r ec a r d e do u ti na10 k i n t e r c o n n e c t e df l u i d i z e db e d s w i t ht w ob a t c h e so ff r e s hi r o no x i d e p a r t i c l e sa so x y g e nc a r d e r , r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c to fa i r s t a g i n go ng a sc o m p o s i t i o no ft h er u e la n da i rr e a c t o r s a n dc a p t u r ee f f i c i e n c yo fc o a lc a r b o n w e r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h es u r f a c em o r p h o l o g ya n dp h a s ec o m p o s i t i o no ff r e s h a n dr e a c t e do x y g e nc a r r i e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db yu s i n gs e m 、b e ta n dx r d t h er e s u l t s s h o w e dt h a ta i rs t a g i n gf o rc h e m i c a ll o o p i n gc o m b u s t i o nc o u l dr e l i e v es i g n i f i c a n t l yt h e s u r f a c es i n t e r i n go fr e a c t e do x y g e nc a r r i e rp a r t i c l e s ，a n dk e p tas u f f i c i e n tr e a c t i v i t yf o r o x y g e nc a r d e ri nt h ep r o c e s so fc h e m i c a il o o p i n gc o m b u s t i o n i no r d e rt or e d u c et h eg a sm i x i n gb e t w e e nf u e lr e a c t o ra n da i rr e a c t o r , a1k w t hc o n t i n u o u s r e a c t o ro fi n t e r c o n n e c t e df l u i d i z e db e dw a sd e s i g na n ds e tu p e x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do u t w i t hh e m a t i t ef r o ma u s t r a l i aa so x y g e nc a r f i e ra n dc o a la sf u e l t h ee f f e c t so fat o t a lo fl0h t e s t ，r u e lr e a c t o rt e m p e r a t u r e ，s 1 3a n da i ro nt h eg a sc o m p o s i t i o no ft h ea i rr e a c t o ra n dr u e l r e a c t o rw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec r u d eh e m a t i t es h o w sh i g hr e a c t i v i t y a n df a v o r a b l ec i r c u l a t i o ni nat o t a lo f10h t e s t ：a i t h o u g hh i g h e rf u e lr e a c t o rt e m p e r a t u r ea v a i l t h ec o a lg a s i f i c a t i o n ，b u td o e sn o tf a v o rt ot h ec 0 2 c a p t u r e ；a d d i n gm o d e r a t ev a p o rc o u l d e n h a n c et h ec h a rg a s i f y i n g ，b u ts u p e r a b u n d a n tv a p o rw e n ta g a i n s tt h er e d u c er e a c t i o n ，s ot h e o p t i m i z a t i o ns t e a m c o a li s1 2 ：c y c l ei n d e xc o u l do r i e n tw i t hm o r ea i r , w h i c hs t r e n g t h e nt h e c o a lg a s i f y i n g ，b u tt h a tw a sd e l e t e r i o u st oc 0 2c a p t u r e k e yw o r d ：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 ) , o x y g e nc a r r i e r , i n t e r c o n n e c t e df l u i d i z e db e d , s o l i df u e l i v 目录 目录 摘! 耍i a b s t r a c t i i i 目j i 乏v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 1 1 温室效应现状及危害1 1 1 2c 0 2 排放现状3 i i 3c 0 2 分离技术3 1 2 化学链燃烧技术的研究现状8 1 2 1 载氧体的研究现状9 1 2 2 化学链燃烧反应器的研究现状“ 1 2 3 化学链燃烧反应系统分析研究现状1 3 1 2 4 基于固体燃料的化学链燃烧研究现状1 5 1 3 本课题研究内容16 参考文献1 7 第二章基于f e 基载氧体的生物质化学链燃烧试验研究2 0 2 1 引言2 0 2 2 基于f e 2 0 3 的生物质化学链燃烧理论分析2 l 2 3 试验系统2 2 2 3 1 载氧体与生物质2 2 2 3 2 反应系统2 2 2 4 结果分析与讨论2 3 2 4 1 燃料反应器温度的影响2 3 2 4 2 生物质量的影响2 5 2 4 3s b 的影响2 6 2 5 结论2 7 参考文献2 7 第三章基于f e 2 0 3 的煤化学链燃烧分级送风实验2 9 3 1 引言2 9 v 目录 3 2 实验部分3 0 3 2 1 实验装置与流程3 0 3 2 2 实验材料3 l 3 3 结果与讨论3l 3 3 1 一二次风配比的影响3 2 3 3 2 载氧体表面形态和物相组成分析3 3 3 4 结论3 5 参考文献3 6 第四章基于铁矿石的1 k w 墙级串行流化床煤化学链燃烧实验研究3 8 4 1 引言3 8 4 1 1 固体燃料3 8 4 1 2 载氧体3 9 4 2 试验与分析4 0 4 2 1 试验装置与步骤4 0 4 2 2 载氧体与燃料4 2 4 3 结果与分析4 3 4 3 1 系统运行1 0 h 的载氧体寿命研究4 3 4 3 2 燃料反应器温度的影响4 6 4 3 3 水煤比的影响4 7 4 3 4 空气反应器空气量的影响4 9 4 4 结论5l 参考文献5 2 第五章全文总结和展望5 3 5 1 全文总结5 3 5 2 创新点5 5 5 3 建议与展望5 5 j 贮谢5 7 攻读硕士学位期间发表的论文5 8 v i 1 1 1 温室效应现状及其危害 温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射 到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层 大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。如果大气不 存在这种效应，那么地表温度将会下降约3 或更多。反之，若温室效应不断加强， 全球温度也必将逐年持续升高。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳 等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候 变暖等一系列严重问题，引起了全世界各国的关注【l 。4 】。 太旧总辐射量避罾太空- ，的虐红井巍靶时 图1 1 温室效应简略图 温室气体有效地吸收地球表面、大气本身相同气体和云所发射出的红外辐射。大气 辐射向所有方向发射，包括向下方的地球表面的放射。温室气体则将热量捕获于地面一 对流层系统之内。这被称为“自然温室效应”。大气辐射与其气体排放的温度水平强烈耦 合。在对流层中，温度一般随高度的增加而降低。从某一高度射向空间的红外辐射一般 产生于平均温度在1 9 c 的高度，并通过太阳辐射的收入来平衡，从而使地球表面的温 度能保持在平均1 4 。温室气体浓度的增加导致大气对红外辐射不透明性能力的增强， 从而引起由温度较低、高度较高处向空间发射有效辐射。这就造成了一种辐射强迫，这 种不平衡只能通过地面对流层系统温度的升高来补偿。这就是“增强的温室效应”。 温室效应的危害：由环境污染引起的温室效应是指地球表面变热的现象。它会带 来以下列几种严重恶果： 1 ) 地球上的病虫害和传染疾病增加：气化变化对人类本身的直接影响是极端高温 产生的热效应，在出现异常高温的日子里，死亡率将增加1 2 倍。气候变暖将更加适合 东南大学硕士学位论文 病原体滋生，疟疾，莱姆病、西尼罗热等传染病和哮喘等呼吸系统发病率增加。简言之， 全球气候变化将极大地危害人类健康、破坏生态系统，进而给全社会带来巨大的经济损 失。 2 ) 海平面上升：科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展， n 2 0 5 0 年全球温度将上升2 4 。f 1 2 0 0 0 年以来，冰川消融的平均速度分别为上世纪9 0 年代和8 0 年代的1 6 倍和3 倍，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升。i p c c 专家预n n 2 1 0 0 年海平面将会上升1 8 - 5 9 c m 。一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其 中包括几个著名的国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼。这些地区( 特别是人口稠密、 经济发达的河口和沿海低地) 可能会遭受淹没或海水入侵，海滩和海岸遭到侵蚀，土地 恶化，海水倒灌和洪水加剧，港口受损，并影响沿海养殖业，破坏供排水系统 3 ) 反常气候和极端天气出现频率增加。气候变暖导致的气候灾害增多可能是一个更 为突出的问题。全球平均气温略有上升，就可能带来频繁的气候灾害过多的降雨、 大范围的干旱和持续高温，造成大规模的灾害损失。科学家们根据气候变化的历史数据， 推测气候变暖可能破坏海洋环流，引发新的冰河期，给高纬度地区带来可怕的气候灾难； 4 1 淡水资源减少。当全球变暖时淡水资源的可利用程度大大降低，温度的增加意味 着下降的地表的水将更多的被蒸发；同时，温度增加带来的海平面的上升也将吞噬部分 淡水资源。加上人口的增加也将加重全球变暖的负面影响。 5 ) 影响农业和自然生态环境。随着c 0 2 浓度增加和气候变暖，可能会增加植物的光 合作用，延长生产季节，是世界一些地区更适合农业耕作。但全球气温和降雨形态的迅 速变化，也可能是世界许多地区的农业和自然生态系统无法适应或者不能很快适应这个 变化，使其遭受很大的破坏性影响，造成人范围的森林植被破坏和农业灾害。 温室效应对中国的影响：中国的气候在2 l 世纪将继续明显变暖，其中华北冬天的变 暖趋势尤为明显。预计2 0 2 0 年全同年平均气温比1 9 6 1 1 9 9 0 年高出约1 3 至2 1 ， 而到2 0 3 0 年，则全国年平均气温将升高1 5 至2 8 ，至2 0 5 0 年，全国年平均气温将 升高2 3 至3 3 。与此相对应的是在过去1 0 0 年中，中国的年平均升温幅度仅为0 5 至o 8 。如不采取措施，到2 0 3 0 年，中国种植业总体上可能下降5 1 0 ；到本世纪 后半叶，主要粮食作物小麦、水稻和玉米的产量将可能下降3 7 ；加上人口的增加，这 将使得中国到2 0 3 0 年需增加1 亿吨的粮食产量，即另需l 千万公顷的耕地来生产足够 的粮食。未来2 0 到3 0 年，气候变化将严重影响中国的粮食安全；由于气候变暖，三江 平原湿地及生物多样性都将减少，濒危物种增加，大面积沼泽会消失：长江三角洲附近 的湿地，将受到海平面上升的威胁而减少，潮滩地被淹没：未来5 0 年，青藏高原8 0 - 9 0 的岛状冻土发生退化，表层冻十层会减少l o 到1 5 ，冻土融化会影响青藏铁路的安全； 内陆湖泊将加速萎缩，那些依靠冰川融水补给的湖泊最终会因冰川缩小和消失而萎缩。 预计未来5 0 年中，中国西部冰川面积将减少2 7 ；由于气温上升，黄河和内陆河流的 蒸发量会增加1 5 ，北方缺水和南方洪涝均将加剧；气温持续升高将会刺激中国空调制 冷电力消费，从而给电力供应带来严峻挑战。此外，由于热浪濒袭，极端高温事件引起 的死亡人数和严重疾病均会增加i l 五 州。 2 第一章绪论 1 1 2 二氧化碳排放现状 温室气体主要包括：c 0 2 、h 2 0 、c h 4 、n 2 0 、c f c 1 1 、c f c 1 2 和0 3 等( 定义来自 京都议定书) 。二氧化碳( c 0 2 ) 是温室效应最弱的气体，但排放量最大，占温室气体 总排放量的7 2 ，其占温室气体总辐射强度的份额为5 5 。c 0 2 在大气中的降解时间为 5 0 - - 2 0 0 年，存在期在2 0 0 年以上，其温室效应的后果将是长远的。所以，在所有的温 室气体中，c 0 2 对加强温室效应比其它四种温室气体加在一起的影响还要大，因此，控 制温室效应要首先要控制c 0 2 的排放，而c 0 2 的排放主要来自人类活动的化石燃料( 煤、 石油和天然气) 的燃烧。 自工业革命以来，资源与能源大量消耗，特别是煤、石油、天然气等古物然的燃烧 所排放的大量c 0 2 含量增加。据测算，目前全球每年向大气排放的c 0 2 约为2 4 0 亿吨。 甲烷等微量气体也随着人类的各种活动而升高。据联合国政府间气候变化专门委员会 ( i p c c ) 不久前公布的研究结果，目前全球平均温度经1 0 0 0 年前上升了0 3 o 6 c 。 而在此前一万年间，地球的平均温度变化不超过2 。联合国机构还预测，由于能源需 求不断增加，科学家预测，2 0 3 0 年全球二氧化碳排放量将逾4 0 0 亿公吨，到2 0 5 0 年， 全球c 0 2 排放量将增至7 0 0 亿吨，全球平均气温将上升1 5 - 4 5 。 表j 1i e a 2 0 0 1 年对世界c 0 2 排放的预测 据统计，现在每年全球工业产生的c 0 2 就高达6 0 亿吨，在我国由于燃煤利用所排放 的c 0 2 占我国c 0 2 排放总量的8 5 。其次，毁林和生物质( 如柴草、秸秆等) 的燃烧也 在人类活动排放的c 0 2 中占有相当大的比例。 1 1 3c 0 2 分离技术 c 0 2 来源主要分为两大类：一、能源和电力生产( 即煤、石油、天然气等化石燃 料的燃烧) ；二、工业生产过程中排放出来的c 0 2 ( 如水泥、钢铁和电解铝等生产过程) 。 资料表明，工业生产过程排放的c 0 2 量不到总量的10 。因此，对于c 0 2 减排重点应 放在如何控制能源和电力生产巾的c 0 2 排放量上。而从我国的能源结构现状来看，煤炭 比重一直占总能源结构的6 5 以上，并且煤的单位热量生产中c 0 2 排放量分别比石油和 天然气高出3 6 和6 1 左右。所以，控制能源和电力生产中的c 0 2 排放量是我们减排 工作的重中之重。 东南大学硕士学位论文 表1 2 我国能源发展的现状与预测 为了减缓能源和电力生产中c 0 2 的排放，一方面寻求效率更高、排放较少的化石能 源的利用方法，譬如，提高电站的效率、采用超高参数的发电机组、联合循环等，既降 低发电的成本，同时也减少t c 0 2 的排放；另一方面，从烟气产物中捕获c 0 2 并将其与 大气隔离以减少排放。目前c 0 2 分离和捕捉技术主要分为：燃前脱碳( p r e c o m b u s t i o n ) 、 燃后脱碳( 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 ) 。 燃烧后脱碳 富氧燃烧 图1 2c 0 2 捕集技术的三条技术路线 燃前脱碳 燃烧前回收c 0 2 途径的思路：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。第一阶段是将燃料转化为c o 和h 2 ，主要包括以下两个反应 蒸汽重整 c x h y + x h 2 0 一x c 0 2 + ( x + y 陀) h 2 ( 1 1 ) 部分氧化 c x h y + x 0 2 一x c 0 2 + ( y 2 ) h 2 水煤气变换c o + h 2 0 哼c 0 2 + h 2 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 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 4 第一章绪论 装置及高温膜分离材料。此项技术预计在2 0 0 8 2 0 1 0 年建成示范装置，与常规醇胺法相 比，估计可降低捕集成本6 0 左右。 i g c c 是最典型的可以进行燃烧前脱碳的系统。一般i g c c 系统的气化炉都采用富氧 或纯氧技术，所需分离气体体积大幅度变小、c 0 2 体积分数显著变大，从而大大降低投 资和运行费用，使i g c c 成为未来电力行业发电技术的优选。美国的未来电力、中国的 绿色煤电、日本的鹰计划以及澳大利亚的零排放发电等技术均计划采用i g c c 作为基础， 进行燃烧前的脱碳 2 0 2 c 0 2 循环燃烧技术 针对燃煤电厂特点所发展的c 0 2 减排技术是0 2 c 0 2 循环燃烧技术。其原理见图3 。该 技术采用纯氧和再循环的烟气代替空气进行助燃，燃烧后的气体经干燥脱水后可得c 0 2 浓度高达9 5 的烟气，该烟气冷凝脱水后，总量的7 0 7 5 进行再循环，剩余的烟气经压 缩脱水及有害气体脱除后得到高浓度的c 0 2 ，具有很好的商业用途。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 。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。目前 富氧燃烧仍在实验研究和验证阶段，实际应用还需要解决较多的问题。该技术是一种既 能直接获得高浓度c 0 2 ，又能综合控制燃煤污染排放的新一代煤粉燃烧技术，有巨大的发 展潜力，因为它是基于被广泛接受的煤粉燃烧技术而发展起来的，具有确定的价格和风 险，容易得到工业界的支持。 图1 3 富养燃烧技术原理图 3 燃后脱碳 燃烧后脱碳，即从烟气中分离出c 0 2 ，目前主要的技术有吸收分离法、吸附分离法、 膜分离法、低温蒸馏法等。 i ) 吸收分离法 东南大学硕士学位论文 吸附分离法是通过吸收溶液对烟气进行洗涤c 0 2 分离的方法。按照吸收剂的不同可 分为化学吸收法和物理吸收法。化学吸收法是利用吸收溶液与c 0 2 发生化学反应生成弱 稳定性的化合物，然后在加热条件下解吸出二氧化碳来实现烟气中c 0 2 的捕捉和分离， 该方法收到化学反应平衡的限制，适用于中等或较低c 0 2 分压的烟气。主要有：有机胺 溶液吸收法、热碱溶液吸收法、氨水吸收法以及一些新的吸收方法等。物理吸收法是通 过在加压环境下利用混合气体在有机溶剂中溶解度的不同来实现二氧化碳气体与其它 气体的分离，溶剂的再生通过降压实现，所需再生能量较少，较为适用于c 0 2 分压高的 烟气。 i i ) 吸附分离法 吸附分离法是基于气体与吸附剂表面活性点之间的分子问引力来实现的。吸附分离 法主要分为p a s ( 利用吸附量随压力变化来分离c 0 2 ) 和t s a ( 利用吸附量随温度变化 来分离c 0 2 ) ，两者结合称为p s t a 法。t s a 法系统中的能耗是p s a 法的2 3 倍，但体积庞 大，吸附剂的再生时间长，因此，p s a 法i ：g t s a 法更具优势。 i i i ) 膜分离法 膜分离法是基于c 0 2 与其它气体透过膜材料的速率不同，即膜材料对c 0 2 有选择性 透过性来实现c 0