化学链燃烧-清洁高效发电技术协作网2016年会主旨报告-蔡宁生(1)
中国化学链燃烧技术研发进展与展望
中国化学链燃烧技术研发进展与展望目录一、内容简述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究意义 (3)二、中国化学链燃烧技术的发展历程 (5)2.1 技术起源 (6)2.2 技术发展阶段 (7)三、化学链燃烧技术的核心原理 (8)3.1 化学链燃烧技术的定义 (9)3.2 核心原理 (10)四、中国化学链燃烧技术的研发进展 (11)4.1 能量利用效率提升 (12)4.2 系统污染物减排 (13)4.3 新型催化剂的研发与应用 (15)4.4 工程化应用的突破 (16)五、中国化学链燃烧技术的应用现状 (17)5.1 工业领域的应用 (18)5.2 科研领域的应用 (19)5.3 其他领域的探索 (20)六、中国化学链燃烧技术的市场前景 (21)6.1 市场需求分析 (22)6.2 市场竞争格局 (23)6.3 发展趋势与挑战 (24)七、中国化学链燃烧技术研发的挑战与对策 (26)7.1 技术难题及攻克策略 (27)7.2 人才培养与团队建设 (28)7.3 政策支持与产业环境 (29)八、结论与展望 (30)8.1 研究成果总结 (31)8.2 未来发展方向 (33)8.3 对中国化学链燃烧技术的期许 (34)一、内容简述研发背景：介绍化学链燃烧技术的起源、发展及其在能源领域的应用价值，阐述中国在这一领域的研究意义。
研发进展：详细介绍中国在化学链燃烧技术研发方面所取得的成果，包括技术突破、研究成果、应用实例等。
技术原理：阐述化学链燃烧技术的基本原理，包括化学反应过程、关键要素等，以便读者更好地理解该技术。
现状分析：对中国化学链燃烧技术的当前状况进行全面评估，包括技术成熟度、产业应用、市场竞争等方面的分析。
展望未来：结合国内外形势和技术发展趋势，对中国化学链燃烧技术的未来发展方向进行展望，包括技术创新、产业应用、政策支持等方面的预测。
挑战与对策：分析中国在化学链燃烧技术研发及产业化过程中面临的挑战，如技术瓶颈、产业政策支持、资金投入等，并提出相应的对策和建议。
化学链燃烧中铁基载氧体性能优化研究综述
优点
但铁 而被认为是最有前景的载氧体之一， 基载氧体活性较低， 成为限制其大规模应用的瓶颈。
［1 － 2 ］
针对这一问题， 国内外研究人员对铁基载氧体的性 能提升进行了大量研究。 本文中简单介绍 CLC 原 理， 对近年来报道的铁基载氧体的性能优化方法进 行综述， 并提出铁基载氧体优化研究方面尚存在的 一些重要问题以及优化研究建议。
基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 51206044 ） ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ JB2014199 ） 教授， 博士生导师， 研究方向为固体燃料的高效清洁利用 、 燃烧与污染物控 作者简介： 梁志永（ 1985 － ） ， 男， 博士生； 董长青（ 1973 － ） ， 男， 博士， 010 － 61771315 ， cqdong1@ 163． com。 制、 节能等领域， 通讯联系人，
2017 年 2 月
梁志永等： 化学链燃烧中铁基载氧体性能优化研究综述
表1
研究者 胡月等［3］
· 37·
惰性载体负载铁基载氧体现状
惰性载体 Al2 O3 、 主要成果 氧化铝作载体时载氧体具有最高
ZrO2 、 的反应活性， 在 7 次循环中转化率均 MgAl2 O4 保持 95% 以上 Qin 等［4］ Al2 O3 、 通过密度泛函理论计算详细研究 Fe2 O3 间相互作用机理， 为铁基载氧 体合适载体的筛选提供了理论依据 石司默等［5］ 粉煤灰 粉煤灰的再利用， 提高了载氧体活 性、 热稳定性和孔隙率 Li 等［6 － 7］ TiO2 TiO2 负 载 能 有 效 促 进 氧 离 子 扩 散， 从而提高铁基载氧体反应活性及 活性稳定性 Galinsky 等［8］ 镧锶铁钙 钛矿 镧锶铁钙钛矿作载体的载氧体稳 定性和抗积炭性能均有所增强， 活性 TiO2 及 YSZ 负载提高 更是较 Al2 O3 、 7 Shafiefarhood 等［9］ 镧锶铁钙 钛矿 50 倍 制备的 镧 锶 铁 钙 钛 矿 － 氧 化 铁 壳 核结构 的 载 氧 体， 提高了载氧体对 CH4 部分 氧 化 合 成 气 的 选 择 性、 反 应活性、 稳定性及抗积碳性
化学链燃烧的研究现状及进展
第26卷第4期 2006年8月动 力 工 程Journal of P ower EngineeringV ol.26N o.4 Aug.2006 文章编号:100026761(2006)042538206化学链燃烧的研究现状及进展李振山, 韩海锦, 蔡宁生(清华大学热能工程系;热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084)摘 要:化学链燃烧具有高效、二氧化碳内分离和低NO x 等特点,已受到较多关注。
介绍了化学链燃烧方式的基本概念,概括分析了它的主要特点,对化学链燃烧系统中具有重要作用的载氧剂的研究现状进行了详细的分析,并对有关化学链燃烧系统设计、试验以及与其它系统耦合方面的进展进行了描述,最后对化学链燃烧发展方向进行了展望。
图4表3参14关键词:工程热物理;化学链燃烧;载氧剂;二氧化碳内分离中图分类号:TK 121 文献标识码:ARe search Status and Progre ss of Chemical 2Looping CombustionLI Zhen 2shan , H AN Hai 2jin , C AI Ning 2sheng(MOE ’s K ey Lab of Thermal Science and P ower Engineering ;Department of Thermal Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 710049,China )Abstract :M ore attention is now already being paid to chemical 2looping combustion (C LC )due to it ’s being featured by high efficiency ,inherent C O2separation and low NOX emission.An introduction is being presented to the basic concept of C LC ,together with a brief analysis of its main features and a detailed review concerning the research status of oxygen carriers (OC ),which play an im portant role in C LC combustion ,as well as a description of relevant system designing and performance tests.Progress in conjunction with other systems is als o mentioned.In conclusion ,prospects of future development are discussed.Figs 4,tables 3and refs 14.K eywords :engineering therm ophysics ;chemical 2looping combustion ;oxygen carrier ;inherent C O 2separation收稿日期:2006201210作者简介:李振山(19752),男,辽宁沈阳人,博士研究生,主要从事近零排放碳基燃料制氢与煤气化多联产方面的研究。
催化助热燃烧—一项重要的燃烧新技术
催化助热燃烧—一项重要的燃烧新技术
蔡俊修
【期刊名称】《煤炭转化》
【年(卷),期】1993(16)1
【摘要】催化助热燃烧利用催化剂点燃和保持气相反应,保证燃料完全燃烧,提高了热效率,稳定地调节火焰温度,减少NO_x排放量,对提高能源利用率和保护环境有好处。
采用蜂窝状陶瓷负载贵金属,(复)氧化物活性组分,或以多种材质的活性独石,可
满足许多燃烧场合的要求。
今后在催化剂体系选取时,应把高温热稳定性放在首位。
【总页数】9页(P45-53)
【作者】蔡俊修
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TQ038
【相关文献】
1.一项重要发明——煤的燃烧激化剂 [J],
2.大气污染控制的一项重要措施—LFC清洁燃烧技术 [J], 程有良
3.燃烧(助)剂用量及煅烧温度对TiO2光催化性能的影响 [J], 张苏敏;李娟;李慧;邓峰;史载锋
4.盐助溶液燃烧法制备MnFe2O4催化过一硫酸盐降解双酚A [J], 岳敏;王璟;韩玉泽;张萍
5.甲烷在逆流换热微燃烧器内催化燃烧的数值模拟 [J], 钟北京;伍亨
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化学链燃烧中CuO载氧体释氧吸氧特性研究
化学链燃烧中CuO载氧体释氧吸氧特性研究徐鹏;牟超;戴领【摘要】首先利用热重法考察了氧解耦化学链燃烧(CLOU)中CuO载氧体在不同氧气气氛以及不同温度等工况下的释氧特性、Cu2O在不同温度下的吸氧特性以及CuO载氧体的持续循环能力.最后采用Achar-Brindley-Sharp-Wendworth方法对氧化铜在不同氧气浓度下的动力学参数进行了拟合求解.结果表明,CuO释氧速率随反应温度的提高而增加.氧气浓度越高,CuO在释氧温度区间的活化能大幅增加,因此开始析出氧气的温度也越高.对于Cu2O,温度越高,反应后阶段的吸氧速率越快.经过20次循环,CuO的释氧吸氧能力逐渐降低.【期刊名称】《煤炭转化》【年(卷),期】2015(038)001【总页数】5页(P64-68)【关键词】氧解耦化学链燃烧;CuO;释氧特性;吸氧特性;动力学分析【作者】徐鹏;牟超;戴领【作者单位】中煤科工集团重庆研究院有限公司,400030重庆;中煤科工集团重庆研究院有限公司,400030重庆;中煤科工集团重庆研究院有限公司,400030重庆【正文语种】中文【中图分类】TK16;O643目前，由温室气体引起的温室效应已成为全球性的环保问题，温室气体中CO2对温室效应的贡献量约占全部温室气体的50%.[1]据统计，我国CO2排放量居世界第二位，约占全世界排放总量的13%[2]，因此控制和减少CO2的排放是解决温室效应引起的全球气候变暖问题的关键.燃烧前CO2回收、纯氧燃烧以及燃烧后分离CO2等碳捕集与封存技术被认为是减少大气CO2浓度的有效途径之一，但均会导致系统效率降低和发电成本增加.[3]1983年，Richter et al[4]首次在美国化学学会年会上提出化学链燃烧(chemical looping combustion，CLC)的概念，使得二氧化碳零排放燃烧技术成为可能.在化学链燃烧中，由于载氧体只将空气中的氧传递到燃料反应器中，N2从空气反应器被直接排走(可彻底根除NOx的产生)，因此可以从燃烧产物中获得浓度极高的CO2.在CLC技术基础上，Mattisson etal[5]提出了氧解耦化学链燃烧技术(chemical looping with oxygen uncoupling，CLOU).该技术的特点在于金属氧化物载氧体能在燃料反应器中释放O2，并在空气反应器中重新吸收O2.由于化学链燃烧技术主要应用于煤等传统固态燃料的燃烧[6]，因此，在燃料反应器中气态的氧气与固态燃料的反应速率大大高于CLC中固体载氧体与固体燃料之间的反应速率.目前，CuO，Mn2O3和Co3O4等三种载氧体[7-10]在CLOU上研究比较多，其中 CuO以其载氧率高和释氧温度低等优点得到了学者的广泛关注.[11-12]Mattisson et al[7]用冷冻成粒法制备了CuO/ZrO2载氧体，并以焦油为燃料对CLOU系统的反应速率做了测试，结果表明，CLOU系统的反应速率是相同温度下CLC系统的50倍.Abad et al[13]制备的CuO/MgAl2O4载氧体同样对煤有很快的反应速率，并且在960 ℃的温度下对CO2的捕集率可以到达100%.王保文等[14-15]也对铜基载氧体的制备方法及其在CLOU燃烧中的持续循环能力作了研究.目前，对于CLOU的研究主要集中于载氧体在流化床等燃烧器上的考察等方面，而对CuO载氧体应用于CLOU过程的基础理论实验研究较少.由于CLOU过程的关键在于载氧体的释氧和吸氧特性，因此本研究采用热重分析仪全面考察了CuO载氧体的释氧和吸氧特性，对其循环持续能力做了测试，并利用动力学分析方法对其进行了动力学分析，为进一步研究铜基载氧体在化学链燃烧器上的应用提供参考.主要利用德国NETZSCH公司STA409PC型热重分析仪对CuO的动力学特性进行分析.该仪器测量装置主要由以下几部分组成：天平系统、电加热炉和计算机数据采集系统.测量的温度范围为25 ℃～1 550 ℃，升温速率为0.1 ℃/min～50 ℃/min；能测量的气氛为：惰性气体、氧化气体、部分还原气体和部分腐蚀气体等.对于本实验，CuO的用量为20 mg.保护气体为N2，流量为30 mL/min.定义CuO释氧率XR为释放出的氧气占CuO总质量的质量分数，即为了分析方便，定义Cu2O吸氧率XA为吸收的氧气占Cu2O完全氧化后生成的CuO的质量分数，即对CuO载氧体在20%(体积分数，下同)O2(空气气氛)，10% O2以及无氧气氛(纯CO2气氛)下其释氧率随温度变化的关系进行了实验研究，结果见图1.样品从室温升温至1 100 ℃，升温速率为20 ℃/min.由图1可以看出，虽然在这三种工况下，CuO都能到达10%的释氧率，但是CuO载氧体开始析出O2的温度却不一样，氧气浓度越高，开始析出氧气的温度也越高.在无氧气氛下，CuO开始释放氧气的温度大约在850 ℃，而在10% O2和20% O2气氛下，CuO开始释氧的温度分别为980 ℃和1 030 ℃左右.究其原因，产生这种差别主要是因为在氧气环境下，O2的存在会阻碍CuO载氧体中氧气的析出.O2浓度越高，阻碍作用越强.当温度上升到某一值，使得CuO载氧体O2的析出作用大于气氛中O2的阻碍作用时，载氧体便开始释氧.由图1还可以看出，释氧的快慢也受温度影响，温度越高释氧越快.图2为CuO载氧体在10 ℃/min，20 ℃/min和30 ℃/min升温速率下CuO释氧率随温度变化的关系曲线.反应气氛为CO2气氛(无氧气氛)，流量为50 mL/min，温度升至1 100 ℃.由图2可以看出，CuO载氧体开始释氧的温度与升温速率有关.10 ℃/min升温速率下的CuO最早开始释放出氧气，20 ℃/min升温速率下的次之，30 ℃/min升温速率下的CuO最晚开始释放出氧气.当CuO开始释放出氧气后，随着温度的升高，释氧率迅速增加，最后这三种升温速率下的CuO都可以达到10%的最大释氧率.但是升温速率的不同，会导致CuO到达10%释氧率的温度也不一样.由图2还可以看出，升温速率为10 ℃/min时，CuO达到10%释氧率的温度为950 ℃左右；升温速率为20 ℃/m in时，CuO达到10%释氧率的温度为990 ℃左右；当升温速率为30 ℃/min时，CuO达到10%释氧率的温度则要达到1 050 ℃左右.因此可以得出结论：在升温过程中，升温速率越大，CuO开始释放氧气的温度以及达到10%完全释氧率的温度越高.CuO在不同温度下的释氧率曲线见图3.由第2.2节可知，升温速率越大，CuO开始释放氧气的温度越高.为了让CuO在达到待测温度时才开始释放氧气，因此，选择更大的升温速率(40 ℃/min).在温度升至待测温度后，恒温1 h.反应气氛为CO2气氛，流量为50 mL/min.由图3可以看出，随温度的增加，CuO的释氧速率也随之加快.1 000 ℃下CuO 的释氧速率最快，950 ℃下次之，900 ℃下的释氧速率最慢.CuO在900 ℃下，从氧气开始释放到氧气释放完全，需要大约25 min.这意味着如果燃料反应器的温度为900 ℃，那么CuO载氧体需要在燃料反应器里停留25 min才能将氧气释放完全，显然此温度不符合化学链燃烧的要求.而CuO在950 ℃～1 000 ℃下释放出10%氧气的时间则大大缩短，仅需要小于5 min的时间.因此，燃料反应器的温度控制在950 ℃～1 000 ℃比较合适.CuO载氧体在燃料反应器中释氧后产生Cu2O，Cu2O在空气反应器中重新吸收氧气形成CuO.为确定Cu2O在空气反应器的最佳反应温度，对其不同温度下的吸氧再生特性做了实验研究，结果见图4.样品在CO2气氛下从室温加热到待测温度(600 ℃，700 ℃和800 ℃)，并在此温度稳定5 min，然后气氛切换至空气气氛[V(N2)∶V(O2)=4∶1].升温速率为20 ℃/min，样品用量为20 mg.由图4可以看出，空气气氛下Cu2O与O2反应的速率很快，且在最初吸氧阶段，吸氧速率不受反应温度控制.但到反应后阶段，Cu2O的吸氧特性开始表现出不同的情况.在800 ℃下，Cu2O一直能保持较大的吸氧速率，很快达到10%的吸氧率；700 ℃下的吸氧速率在后阶段较800 ℃下的要慢，需要更长的时间达到10%的吸氧率；而600 ℃下的Cu2O在后阶段的吸氧速率最慢，但在足够长的时间里仍能达到10%的吸氧率.因此，空气反应器的温度应该越高越好，但不能高于CuO在空气气氛下的开始释氧温度.载氧体将空气反应器中的氧传递到燃料反应器作为氧化燃料，然后又重新回到空气反应器，如此往复循环.因此，载氧体在多次循环后氧化还原能力的高低是化学链燃烧技术所面临的一个问题.对于CuO载氧体，其氧化还原能力可由其释氧吸氧能力来体现.本研究考察了CuO载氧体在1 000 ℃反应温度下的循环持续稳定性.实验时以40 ℃/min的升温速率加热到1 000 ℃后保持恒温，然后在N2和空气之间进行反复切换，通过氧浓度的改变实现吸氧/释氧反应的交替发生，如此进行20次循环.实验结果见图5.由图5可以看出，纯CuO的释氧和吸氧率在起初三次循环后仍能保持10%的释氧率，但随着循环次数的增加，其释氧率逐渐下降.循环到第20次的时候，其释氧率为6.8%，比刚开始10%的氧气析出量降低了3.2%左右.这主要是由CuO在高温下烧结而造成的.采用Achar-Brindley-Sharp-Wendworth方法对氧化铜载氧体在不同氧气浓度下的热解动力学参数进行拟合求解并分析.根据热分析的第一类动力学方程有[16]：方程(3)分离变量，两边取对数得：此即Achar-Brindley-Sharp-Wendworth方程.对于一般的化学反应，其机理函数f(α)的表达式可选用：f(α)=(1-α)n.因此，最后可得：令式(5)左边为y，1/T为x，a=ln(A/β)，b=-E/R，则方程变为y=a+bx.假定一个n值，采用最小二乘法原理对数据进行一元线性拟合，根据拟合方程的斜率以及截距等可得到a，b值，进而可求出表观活化能E和相关系数r等动力学参数.温度区间选取CuO刚开始释氧到完全释氧之间的温度，n的取值区间为(-1，2)，程序中n从-1开始，每次递增0.1，最后选择使相关系数r最大的n作为最优反应级数.计算结果见表1.由表1可以看出，线性拟合的相关系数r均在0.985以上，具有较高线性度.在相同升温速率下，随着氧气浓度的提高，氧化铜释氧段表观活化能呈大幅上升趋势.无氧气氛下时，CuO在释氧区间的活化能为364.69 kJ/kg，当氧气浓度变为10%和20%时，活化能增大到1 406.74 kJ/kg和2 068.38 kJ/kg.这个结果说明：相比于无氧气氛，在有氧气氛下需要更多的能量才能让CuO载氧体释放出氧气.同时这个结果也从动力学层面解释了第2.1节中氧气浓度越高，开始析出氧气时的温度也越高的结论.1) 在不同O2气氛下，CuO都能达到10%的释氧率，氧气浓度越高，开始析出氧气的温度也越高.而在升温过程中，升温速率越大，CuO开始释放氧气的温度以及达到10%完全释氧率的温度也越高.2) CuO载氧体释氧的速率随着反应温度的提高而加快，因此对于燃料反应器，CuO的还原温度在950 ℃～1 000 ℃较好.3) 对于空气反应器，温度越高，Cu2O在反应后阶段的吸氧速率越快.4) 动力学计算表明，随着氧气浓度的增加，CuO在释氧温度区间的活化能也大大增加.5) 对CuO载氧体的循环能力实验研究表明，CuO的释氧吸氧能力随着循环次数的增加而逐渐降低.。
化学链燃烧技术研究进展--毛玉如 苏亚欣 马晓峰
图 3 流化床化学链燃烧技术系统示意图
Lyngfelt 等设计和搭建了一个采用化学链燃烧技 术的 10kW 锅炉试验装置 (图 3) [6] 。该系统包括两个 相互联系的流化床 ,一个高速上升床和一个低速鼓 泡床 ,Ni 基粒子作为氧气携带者在两床之间循环 ,该 系统很象燃烧固体燃料的循环流化床 。在高速上升 床 ,氧气从燃烧空气传到 Ni 基粒子 ,在低速鼓泡床再 传给燃料 。2003 年 100h 的连续试验显示 ,基于燃料 热值 的 燃 料 转 化 率 达 9915 % , 出 口 气 体 中 大 约 有 015 %的 CO 、1 %的 H2 和 011 %的 CH4 。空气反应器 侧没有 CO2 逸出 ,过程中 CO2100 %被 (下转第 55 页)
参考文献 : 1《、南平市畜牧业发展规划》(2005～2010 年) 2 、福州大生态环境工程有限公司 1 福建长富第六牧场能
源环境工程技术方案
(上接第 24 页) 捕捉 ,这样从燃料反应器一侧几乎得到了纯的 CO2 蒸汽流 。在测试阶段 ,Ni 基氧化物粒子强度或反应 性也没有下降 。
3 结语
化学链燃烧技术的能量释放机理是通过燃料与 空气不直接接触的无火焰化学反应 ,打破了自古以 来的火焰燃烧概念 ,开拓了根除燃料型 、热力型 NOx 产生与回收 CO2 的新途径 , 有着光辉的发展前景 。 为了明确化学链燃烧反应的机理和开发适用的固体 反应材料 ,很多国家和机构利用热重仪 、固定床式反 应器和流化床反应器 ,进行了探索性的研究 ,并提出 以化学链燃烧构成的联合循环 ,但就世界范围内 ,它 还处于初步探索阶段 ,进行化学链燃烧技术的全面 技术经济性评估尚需大量实验数据的支持 。
基于赤铁矿的生物质化学链燃烧过程中氮氧化物的释放特性
基于赤铁矿的生物质化学链燃烧过程中氮氧化物的释放特性肖申;沈来宏;肖军;牛欣;顾海明;宋涛【摘要】在单批次进料固定床上，基于赤铁矿载氧体，研究了还原反应阶段反应温度和水蒸气量对谷壳的氮氧化物释放特性的影响。
研究表明，碳转化率随反应温度升高而增加，但随水蒸气量呈先增加后下降，并在水蒸气量为1．0 g／min 时达到最大值。
在实验条件下，还原阶段未检测到 NO2。
随着反应温度由750℃升高到900℃，NO 的生成率增加，而 N2 O 的生成率先增加后降低，在850℃时达到最大值。
水蒸气量由0．5 g／min 升高到2．0 g／min，N2 O 和 NO 的生成率均增加，且 NO 增加速率高于 N2 O。
在反应后的载氧体中，检测到 KAlSi3 O8存在，表明载氧体与生物质中的 K 元素发生反应。
%Nitrogen emission during chemical looping combustion (CLC) of rice husk based on hematite in a batch fixed bed reactor was studied.Different variables affecting the process, such as reduction temperature and steam content, were tested.The results show that higher reduction temperature results in a hig her carbon conversion which reaches the highest value when the steam flow is 1.0 g/min.Furthermore, there are no NO2 detected at all experiments.The rise of reduction temperature from 750 to 900 ℃ could contribute to the rise of NO, whereas the concentration of N2 O reaches the highest value at 850 ℃.Both N2 O and NO increase remarkably with the increase of steam flow.Nevertheless, the increasing rate of NO is faster than that of N2 O. Besides, KAlSi3 O8 is detectable in the reduced oxygen carrier, attributing to the reaction of K in biomass with hematite.【期刊名称】《燃料化学学报》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】9页(P490-498)【关键词】化学链燃烧;生物质;赤铁矿;氮氧化物【作者】肖申;沈来宏;肖军;牛欣;顾海明;宋涛【作者单位】东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TK6化学链燃烧技术(Chemical Looping Combustion,CLC)是一种新型的燃烧方式,它通过不同品味能的梯级利用,将新型能源转换与CO2富集过程有机结合起来。
国家重点研发计划“煤的化学链燃烧和气化技术”项目实施方案论证暨启动会在南京召开
国家重点研发计划“煤的化学链燃烧和气化技术”项目实施方案论证暨启动会在南京召开各位读友大家好，此文档由网络收集而来，欢迎您下载，谢谢属牛的今年多大2018年11月2日，“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项“煤的化学链燃烧和气化技术”项目牵头单位东南大学和高技术中心重点专项管理办公室（以下简称“专项办”）在南京联合组织召开了项目启动暨实施方案论证会，东南大学领导、项目咨询专家组、项目牵头单位科研管理部门代表、项目负责人和、专项总体专家组责任专家，以及专项办相关约50名代表参加了会议。
东南大学金保昇副校长在发言中表示，学校将建立相应的管理制度，严格按照国家重点研发计划管理办法，切实履行法人责任，建立健全相应的管理和监督机制，做好项目的服务和管理工作。
会上，专项办相关负责人按照《国务院关于优化科研管理提升科研绩效若干措施的通知》等文件，介绍了专项总体情况，解读了重点研发计划过程管理相关文件，交流了管理实践经验和思考。
希望项目团队能够带着承担国家项目的高度荣誉感和感完成任务，并提出相关，一是细化组织管理机制，树立以项目团队管理为主的管理观念，推进项目研究工作；二是关注基础性研究在团队内的共享和交流，确保项目技术增量产出；三是突出关键技术难点，凝练关键核心技术，遇到困难不绕道、不回避，勇于迎难而上，多出原始性、创新性的。
该项目针对煤化学链燃烧和气化技术，研究加压下载氧体与煤的反应特性，拟开发满足工业应用的载氧体及其规模化制备技术，拟建立3MWth煤化学链燃烧中试装置和1MWth煤化学链气化中试装置。
项目负责人从项目研究目标、主要研究工作、实施关键节点与具体实施计划、组织管理机制和形式及测评方法等方面介绍了项目实施方案。
与会专家认真听取了实施方案报告，与项目团队进行了充分研讨，在项目执行层面梳理了项目到课题到任务间的衔接关系、项目关键研究与项目整体进度接口关系；对化学链反应器匹配、载氧体循环特性、载氧体/煤灰颗粒的分离、煤种适应性等方面提出了和意见；同时项目团队加强研究到中试平台技术风险研究。
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搭建热态化学链反应器系统，长时间连续运行，测试开发的氧载体
热态
FR
•尺寸：Ф50mm，总高6m
AR
•物料量：~7kg (125~300μm) •反应温度：900℃ •总气流量：2.7Nm3/h
清华大学的相关研究
高活性、低成本氧载体研发
23
钾修饰钛铁矿（含10%钾）连续测试
700~900℃ 加料 600g改进 稳定运行 升温 加料 降温 降温
全球变暖
• •
全球变暖
3
过去100多年，地表平均温度上升了近0.85℃ 自1880年以来，共出现14个最暖年份，其中13个年份 出现在21世纪，而2015年又刷新了纪录。
以近三十年平均地表温度为基准点
21世纪的高温 近三十年地表 平均温度 近一百多年地 表平均温度
注：美国国家海洋和大气管理局数据
美国能源部2010年碳减排技术路线
化学链燃烧技术介绍
9
Me
MeO
空气反应器： Me O2 MeO 燃料反应器: MeO Cn H2m Mቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ H2O CO2
Cn H 2m O2 CO2 H 2O
与传统燃烧不同，燃烧技术的变革
等价于:
CO2内分离，具有降低CO2分离能耗的优势 燃料反应器中污染物富集，具有良好的环保和经济效益
1994年，日本学者石田和中国学者金红光首先提出将其用于CO2捕集 （US5447024）
2001年，Lyngfelt等设计出串行流化床反应器应用于化学链燃烧
2013年，1 MWth的化学链煤燃烧装置在德国运行，验证了化学链技 术的可行性
国内外发展现状
氧载体的开发与测试
瑞典查尔姆斯理工大学
日本、韩国、中国相关工作
日本煤炭研究中心（J-Coal）设计建立100kWth化学链装置，燃料反应器采用双鼓 泡床。日本企业界后续将建立MW级化学链示范装置 韩国能源研究院专注于化学链气体燃烧，采用镍基氧载体，计划建立0.5MW装置 东南大学设计建造5kWth化学链煤燃烧装置，燃料反应器采用多鼓泡床串联结构 华中科技大学已建50kWth双鼓泡床化学链装置，采用钛铁矿作为氧载体
国内外发展现状
研究 机构 CSIC CSIC CSIC CSIC Chalmers Chalmers Chalmers Chalmers 实验 序号 Test1 Test2 Test2 Test3 M-I Ce-II Ce-III 钛铁矿 171 μm 钛铁矿 200 μm 氧载体 平均粒径
各机构实验装置运行的普遍问题
电
CO2压缩、 埋存、利用
空气 富氧燃烧
空分
现有的CO2分离均将使系统效率降低~10%
迫切需要研发高效、低成本的CO2分离方法
全球变暖与CO2减排
美国能源部CO2减排技术路线
8
化学链燃烧是最 具降低能耗潜力 的CO2捕集技术
CO2 捕集技术 IGCC燃烧 前捕集 富氧燃烧 化学链燃烧 成本 €/t-CO2 18-37 13-30 6-13
AR出 气含氧 量（%）
参考 文献
南非烟煤 200 μm
963 970 991
约15
CSIC 2015
石油焦 79 μm
926 931
15.4 10.5 12.4 Pontus 2014
Cerrejon煤 43 μm
922
960970
65.0
98-99
Carl 2014
即使在较高的FR温度下（900-1000oC）碳捕集效率较低（60-90%）。与炭分离器性能有关
无烧结团聚
稳定运行期间CO转化率>79%
6.9~5.8kPa
28h 后 CO 转化率 仅 从 100% 降 低 至 89% ，长时间 维持较高的活性
4.3kPa
清华大学的相关研究
高活性、低成本氧载体研发
24
铜修饰锰矿（含2%铜）连续测试
CO完全转化，运行 稳定，无团聚。
铜浸渍对锰矿石破碎磨损特性无 显著影响。 破碎磨损规律：连续运行初期磨 损大，运行稳定后磨损大大降低， 寿命为770h。
化学链系统碳转化率低（~80%）。旋风的出口，较细的碳颗粒容易损失 燃料反应器需氧分数较高
空气反应器出口气含氧量偏高（10-15%），锅炉出口烟气含氧量一般低于5%
国内外发展现状
关键技术问题分析
18
未燃尽气体（CO和H2等）转化不充分。 需提高氧载体活性，同时控制制备成本。 煤焦易进入空气反应器，系统碳捕集效率低
17
燃料 平均粒径
FR 温度 （oC） 905
系统 碳转化 率(%) 83.9 82.0 80.1 87.0
CO2 捕集率 ηCC(%) 60.7 79.4 81.3 87.6 77.7 74.9 88.4
需氧分数 ΩOD(%) 7.7 7.5 7.4 8.6 14.8 19.4 25.7 17.0
但成本高
国内外发展现状
中试的初步尝试
瑞典查尔姆斯理工大学
13
以现有12MWth CFB锅炉作为空气反 应器，耦合2-4MWth气化反应器作为 燃料反应器。
生物质投入到燃料反应器中，锰矿 石作为氧载体，空气反应器作为锅 炉，产生热蒸汽区域进行供暖。
接近一半的生物质颗粒进入到空气 反应器中，直接与空气发生燃烧反 应。系统碳捕集效率低。
全球变暖与CO2减排
巴黎协定
5
2015年12月12 日
2016年4月22日
2016年11月4日
• 《巴黎协 定》签订
• 中美签署 《巴黎协定》
• 《巴黎协定》 正式生效
2℃
全球 目标
“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上 低于2℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化 前水平以上1.5℃之内；在本世纪下半叶实现温 室气体源的人为排放与汇的清除之间的平衡”
清华大学的相关研究
铁基氧载体气固反应机理研究
12 10
Fe转化率(%)
高活性、低成本氧载体研发
19
反应物表面被覆盖速率降低
Fe转化率(%)
5 4 3 2 1
8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 时间(min)
实验值 速率方程
T↑部分表面 重新暴露出来 速率增加
900°C 800°C 700°C
0
实验值 速率方程
0 10 20 30 40 50 60
50
60
时间(min)
700℃ 900℃
基于速率方程理论，建立模型，指 导氧载体开发
清华大学的相关研究
铜基氧载体团聚机理研究
高活性、低成本氧载体研发
20
还原产物厚度（m）
时间（s）
晶粒/颗粒
500℃时，铜烧结明显 还原过程中铜离子发生移动
大量的CO和H2（浓度约20%）从燃
料反应器中排出。
提出1000MWth化学链煤燃烧反应器系统的设计（Anders Lyngfelt）
国内外发展现状
氧载体的开发与测试
西班牙煤炭研究院
14
使用铜基氧载体，大大降低未燃尽气体，并加速煤焦转化，提高碳捕集效率 专注于铜基氧载体的开发，研究如何大规模低成本制备
25kWth反应器设计与运行
空气反应器和燃料反应器均为鼓泡床， 两个反应器之间加有炭分离器 通过返料阀控制循环量 使用钛铁矿，未见使用铜基氧载体 遇到的问题同查尔姆斯类似：碳捕集 效率低，未燃尽气体，系统复杂
提出100MWth化学链煤燃烧反应器系统 的设计（Juan Adanez）
需合理设计关键部件：炭分离器
空气反应器出口氧气浓度过高（10-15%）。 需合理设计空气反应器的结构，并优化空气反应器的运行 目前的流化床化学链燃烧系统，多达3个循环回路，系统过于复杂 需优化设计，使得反应器系统复杂度降低 反应器系统的热量平衡 实验室装置难以实现自热运行，需放大装置和优化运行参数
1886 2183 2342 3123 3809
83.4 76.3 76.8 72.5 71.5
345 619 642 1046 1318
15.3 21.6 21.0 24.3 24.7
31 59 66 140 201
1.37 2.06 2.16 3.25 3.78
中国目前CO2排放总量位居世界第一，煤电排放约占45%。
11
合成和测试一系列应用于气体燃料的氧载体（Fe, Mn, Cu, Ni, Co）
铜基等释氧氧载体，大大提高煤焦转化速率，并提出氧解耦化学链燃烧CLOU的概念
复合氧载体（Fe-Mn等），改善氧载体的吸氧与释氧特性 成本较低的天然矿石：钛铁矿，锰矿石连续测试
活性氧 惰性组分
化学链燃烧技术研发历史
10
1946 Gilliland 申请专利 “生成工业用合成气” 利用氧载体与烃反应 （US2671721） 1950 Lewis 和 Gilliland 利用氧载体与含碳燃料反应生产纯的CO2 （US2665972）
1983年，德国学者Richter 和Knoche 提出用于提高电厂热效率
全球变暖与CO2减排
汽轮机 燃料 燃烧后 空气 N2 空气 燃烧前 空分 锅炉
目前CO2减排技术的高能耗高成本
7
电 200° C,1bar CO2分离 烟气 3~15%CO2
400° C, 气化/ 65bar H2 CO 分离 2 燃料 重整 合成气 燃气轮机 空气 40%CO2 蒸汽 热 循环 O2 N2 汽轮机 O2 燃料 锅炉 电
良好的反应活性，不低的供氧量 抗磨损，颗粒寿命长 良好的流态化特性，不易团聚 成本低