论文总字数：20492字

摘 要

CLC(化学链燃烧)是近年来新兴的一种由近零排放理念延伸出的新型煤基碳捕集技术，经过固体载氧体的“释氧”和“吸氧”作用来完成燃料的间接氧化燃烧，充分避免了燃料与空气之间的直接接触，并能在极低能耗条件下完成烟气中CO₂的内分离。

针对原有化学链燃烧系统中空气反应器存在的气体处理能力有限，气固反应不充分，气体逃逸率高等问题，本文在所推荐的一种适用于固体燃料化学链燃烧系统的多级塔式移动床空气反应器上进行试验。本论文针对该新型空气反应器，详细研究了其中的气固流动特性。

在已有的一套适用于固体燃料化学链燃烧的多级塔式逆流床空气反应器上，通过对各个测点的压力信号进行高频率的采集并分析其与流量、压力标准差、时间等因素的变化关系，进而进一步反映系统中的流态变化。通过这些工作，对系统中的干颗粒的流态化特性做出了一定程度上的定性展示及定量分析。

关键词：化学链燃烧，空气反应器，压力信号

Abstract

CLC is a new type of coal-based carbon capture technology that has emerged in recent years and extends from the concept of near-zero emission. After the "oxygen release" and "oxygen absorption" functions of solid oxygen carriers, the indirect oxidation combustion of fuels is achieved, fully avoiding them. The direct contact between fuel and air, and can achieve the internal separation of CO2 in flue gas under extremely low energy consumption conditions.

In view of the limited gas processing capacity of the existing air-reactor in the chemical-chain combustion system, the insufficient gas-solid reaction, and the high gas escape rate, this paper proposes a multi-stage tower for solid fuel chemical chain combustion system. The test was carried out on a moving bed air reactor. In this dissertation, the gas-solid flow characteristics of the new air reactor are studied in detail.

In the existing multi-stage tower countercurrent bed air reactor for solid fuel chemical-chain combustion, high-frequency acquisition of pressure signals at various measuring points and analysis of the flow rate, pressure standard deviation, time, etc. The changing relationship of factors further reflects the changes in the flow regime in the system. Through these works, a certain degree of qualitative display and quantitative analysis of the fluidization characteristics of the dry particles in the system are made.

KEY WORDS: CLC, air reactor, pressure signal.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 煤化学链燃烧中颗粒流动及燃烧特性的国内外研究现状 1

第二章 多级塔式逆流床空气反应器上的实验研究 8

2.1 引言 8

2.2 实验系统 8

2.2.1 实验装置 8

2.2.2 实验物料 10

2.2.3 实验流程 10

2.3 数据记录与处理 10

2.3.1 数据记录 10

2.3.2 数据处理方法及公式 12

2.4 本章小结 12

第三章 多级塔式逆流移动床空气反应器上的实验成果 13

3.1 引言 13

3.2 数据处理系统介绍 13

3.2.1 Origin系统介绍 13

3.2.2 Matlab系统介绍 13

3.3 数据处理与实验结果分析 14

3.4 本章小结 19

第四章 结论及展望 20

4.1 主要研究成果 20

4.4 实验中的不足及展望 20

致谢 21

参考文献 22

绪论

研究背景及意义

在世界能源体系中，燃煤排放的CO₂是招致温室效应的主要缘由，近年来得到了世界各国的广泛关注。我国2011年已经变成世界上最大的CO₂排放国，而以燃煤为主动力源的电力行业CO₂排放量大约占国内CO₂排放总量的50%。所以，电力行业推进CO₂节能减排对我国燃煤资源的清洁、高效率运用以及整个社会环境的可持续发展具备十分重要的现实意义。

之前的研究证明:CCS(碳捕集与封存)技术是短时间内能够从根源上解决电力行业CO₂排放问题的惟一路径，各国也都将其作为应对温室效应的基础战略选择。但是现今的CO₂分离和捕捉技术(燃烧前、后捕集和富氧燃烧)能耗太高，致使动力系统效率的提高受到大幅限制，发电成本反而居高不下。所以，新型燃煤CO₂捕获技术的开发就显得十分必要且迫切了。

CLC(化学链燃烧)是近年来新兴的一种由近零排放理念延伸出的新型煤基碳捕集技术，经过固体载氧体的“释氧”和“吸氧”作用来完成燃料的间接氧化燃烧，充分避免了燃料与空气之间的直接接触，并能在极低能耗条件下完成烟气中CO₂的内分离。与现有的CO₂减排技术相比，CLC技术具有系统效率高和CO₂捕集成本低的优点，即使与目前最有前景的富氧燃烧技术相比，CLC循环发电系统在净发电效率方面也依然能提高6个百分点，只比未考虑CO₂捕集的超临界循环流化床燃煤电站低2个百分点。因此，CLC技术被公认是当下最具开发潜力的清洁、高效的CO₂捕集技术之一，在欧盟和美国被作为第二代富氧燃烧技术与第一代的整体煤气化联合循环技术和富氧燃烧技术进入到工业示范化行列。

煤化学链燃烧中颗粒流动及燃烧特性的国内外研究现状

1. 化学链燃烧自1983年德国Richter和Knochell提出以来，已历经30多年的发展，其中化学链循环流化床反应器主要进展如下。
2. 瑞典查尔姆斯理工大学Lyngfelt等人在2008年成功搭建并运行了世界上第1台输入热功率为10kW的燃煤CLC反应器^［1］，结构如图1-1所示，其中空气反应器采用循环流化床，燃料反应器使用鼓泡流化床形式，试验中以天然钛铁矿为载氧体，以南非煤和石油焦为燃料进行连续测试。研究结果显示:采用南非煤炭实验时，CO₂捕集率在82.5％至96％之间波动，气体转化率在78％-81％范围内；而使用石油焦时，由于石油焦反应性比南非煤炭差，CO₂捕集率仅在60％至75％之间，气体转化率在66％至78％之间。由于固体燃料热解产物与载氧体之间的接触较差导致气体转化率和CO₂捕集效率较低。为了解决此问题，Linder Holm等人从反应器的结构出发^［2］，将反应器的给煤点由燃料反应器的顶部延伸至载氧体床层内部，试验证明，挥发分与载氧体的接触效率和气体转化效率得到显著提高。

1. 图1-1 查尔姆斯理工大学10kW燃煤CLC反应器
2. Lyngfelt研究组于2012年建造了世界首台输入热功率为100kW的燃煤CLC反应器^［3］，如图1-2所示。与10kW的流化床反应器相比，该装置最大的改变是将燃料反应器由鼓泡流化床改为了循环流化床。试验中以天然铁铁矿为载氧体，分别以哥伦比亚烟煤、墨西哥石油焦、瑞典木炭及墨西哥焦油为燃料进行连续测试。结果显示该装置运行良好，气体转化率髙，可以达到98%的CO₂捕集率，仅有少量焦炭颗粒进入空气反应器。

1. 图1-2 查尔姆斯理工大学100kW燃煤CLC反应器
2. 西班牙CSIC中心Abad研究组搭建了输入热功率为1.5kW的燃煤串行流化床反应器^［4］，其结构在图1-3中所示。该反应器与查尔姆斯理工大学搭建的10kW反应器结构类似，主要区别为: (1)给煤点在燃料反应器底部，用来提高气化产物的转化率;(2)载氧体的循环量由机械方式控制。采用CuO载氧体的运行结果显示，燃料反应器内的气体转化效率达到100%。在运行1.5kW反应器的基础上，Abad研究组搭建了输入热功率为50kW的燃煤CLC反应器^［5］，其结构如图1-4所示。该反应器与1.5kW反应器特点相同，并引入了碳捕集单元和燃料反应器内循环回路。同时，采用了双流动密封阀对燃料反应器尾部烟道分离的载氧体颗粒进行分流，这种设计的优点是能够实现燃料反应器内载氧体颗粒循环的单独控制，调节更加灵活。对该反应器的运行结果表明，CO₂捕集浓度达到88%，燃料转化率在80%～87%之间。

1. 图1-3 CSIC中心1.5kW燃煤CLC反应器

1. 图1-4 CSIC中心50kW燃煤CLC反应器
2. 2015年，俄亥俄州立大学的Bayham^[6]等发表了所搭建的25kW燃煤化学链燃烧装置连续运行的试验成果（如图1-5所示）。该装置的空气反应器和燃料反应器分别由快速床和移动床构成。整套装置累计运行超过680小时，其中包含200小时的连续运行。试验结果表明，所有工况下CO₂浓度均能达到99.99％，碳的单程转化率和捕集效率分别高达99.9％及94.9％，需氧量仅有0.14％，这意味着接近所有的热解与气化产物都被被转化成了CO₂和H₂O。

1. 图1-5 俄亥俄州州立大学25kW燃煤CLC反应器
2. 2010年德国达姆施塔特工业大学搭建了一套1MW级的燃煤CLC反应器^［7］，是目前为止最大的化学链燃烧反应器平台，其结构见图1-6所示。该装置的燃料反应器和空气反应器均为循环流化床。对该反应器的运行结果显示该装置运行稳定，通过在燃料反应器内通入一定量的氧气燃烧掉部分煤颗粒，可以基本实现系统的自热式运行。

1. 图1-6 达姆施塔特工业大学1MW燃煤CLC反应器
2. 东南大学沈来宏研究组于2008年搭建并运行了世界首台燃料反应器基于喷动流化床结构的10kW串行流化床反应器^［8］，如图1-7所示，之后又在此基础上搭建了结构相似的1kW串行流化床反应器，如图1-8所示。该设计中两反应器分别由快速流化床（空气反应器）和喷动流化床（燃料反应器）组成。燃料反应器使用喷动床代替了先前的鼓泡床，床内的颗粒混合更加充分，煤颗粒的停留时间也得到了提升，有助于气化反应及载氧体还原反应的充分进行，从而提高煤的转化率；同时颗粒的内循环使得煤颗粒在床内的混合更加均匀，受热更加迅速，而且细煤颗粒的逃逸也大大减少。运行结果表明，两个反应器之间的气体窜混得到明显改善。采用10kW系统，970℃下碳的转化率迭到92.8％，CO₂捕集率超过80％；而采用1kW系统，985℃下CO₂捕集率可以达到95％。
3. 东南大学肖睿研究组提出燃料反应器采用快速流化床的结构型式，并建造和运行了世界首套输入热功率为100kW的燃煤加压CLC反应器^［9］，其结构如图1-9所示。燃料反应器采用细长结构的设计可以弥补快速流化床中煤与载氧体颗粒停留时间较短的问题。加压条件既能改善床内的流化质量，又能减小相同热功率条件下反应器的尺寸，且产生的高压CO₂气体更有利于后续的运输和封存。

图1-7 东南大学10kW燃煤CLC反应器 图1-8 东南大学1kW燃煤CLC反应器

1. 图1-9 东南大学100kW燃煤加压CLC反应器
2. 华中科技大学赵海波研究组进行了流化床反应器的相关研究，并在2014年成功运行了输入热功率为5kW的双流化床的燃煤CLC反应器^［11］，其结构如图1-10所示。该反应器的燃料反应器和空气反应器分别为鼓泡流化床和快速流化床，试验中以赤铁矿为载氧体，以一种中国烟煤为燃料，整套装置运行良好。系统燃烧效率达到96．33%，碳捕集效率介于72．84%～89．36%之间，CO₂捕集浓度达到92.82%。
3. 东南大学金保昇研究组对该反应器结构进行了改进。一方面在燃料反应器侧增加了一个内循环回路，以提高燃料反应器内的碳捕集效率; 另一方面空气反应器采用错流移动床结构，能够提高系统的稳定性和载氧体的循环利用率，改进后的系统结构如图1-11所示。目前，该反应器系统已进行了相关气固流动特性研究^［10］，热态试验正在稳步推进。

1. 图1-10 华中科技大学5kW燃煤CLC反应器

1. 图1-11 东南大学双循环回路燃煤CLC反应器
2. 以上为各种反应器的情况综述及相关运行结果，综上看来，虽然前人在固体燃料循环流化床方面做了很多工作，但依然存在着很多不足之处。其中反应器设计方面存在以下难题：
3. 1、大部分的固体燃料化学链燃烧装置均选择双流化床串行结构（即燃料反应器及空气反应器都是流化床），通过对流化床反应器优秀的气固混合接触特性加以利用，能够充分地提升两个反应器的相关性能。但是，这样的串行结构一般需要拥有两套独立的颗粒动力系统，双方再利用辅助返料设备来达成载氧体颗粒的交换循环，全部的工艺过程繁琐、操作十分复杂、可控性差，因此导致了在整个装置的气固流动与反应的稳定性以及耦合性方面达不到理想的效果。
4. 2、另外一部分固体燃料化学链燃烧装置使用了循环流化床/移动床单环串行结构（空气反应器是移动床，燃料反应器是流化床），这种结构中移动床安置在循环流化床的下降管段部分，因此循环流化床提供了整个系统颗粒循环的动力，进而极大程度上简化了系统结构，提高了运行可控性，并且充分提升了气固流动与反应的稳定性和耦合性。但是，这种单环串行结构也有着诸多不足：（1）移动床的气体处理能力不够，因此将会大幅限制单位截面积所允许的空气进气量和系统的输入热功率，又或导致相同气量下反应器的截面积太大，这两种情况都会给反应器的放大带来难度；（2）载氧过程中未能达到载氧体与空气的完全均匀充分的接触，因此氧气逃逸率需保证在较高水平以保证载氧体的再生效率；（3）因为直接连通，两反应器间的气体难免存在泄漏与串混，一定程度上降低了CO₂捕集浓度与捕集效率。
5. 作为典型的气固两相流系统，颗粒聚合及分离行为、颗粒旋转和颗粒碰撞是流化床中广泛存在的景象。因而，研讨床内颗粒流动特性对循环流化床活动机理的研究具备重要意义。
6. 1、循环流化床的上升段通常运行在快速流化床状态下,因此，快速流态化流体动力特性的形成在整个循环流化床系统中扮演着不可或缺的重要角色。
7. 2、流化床内壁面传热的模式是笼罩在内壁面表面层上的颗粒团的非稳态导热,颗粒团沿壁面下滑的速度决定传热量的多少。
8. 3、在循环流化床中，颗粒会聚并整合成颗粒群。颗粒群在床内上下移动，形成轴向回混固体颗粒团。固体颗粒也在床内径向移动以形成径向的固体颗粒混合。
9. 综上，循环流化床内颗粒的流动及分布特性对锅炉实际运行中的颗粒燃烧、温度分布、床内传热、受热面磨损及结焦问题都有着很大影响，对此进行实验研究十分必要。之前的学者在循环流化床颗粒流动特性方面做出了如下研究：
10. 国内外学者对加压循环流化床的气固流动进行了初步研究。陈伟等^[12]对加压流态化现象进行了实验研究，得出了临界流化速度随着压力的变化规律；朱治平^[13]研究了压力对固体颗粒的流态化特性、旋风分离器的分离性能和返料器的返料性能的影响，建立了加压循环流化床循环回路的压力平衡模型；殷上轶等^[14-15]对加压高通量循环流化床的气固流动特性进行了实验研究，提升管内流化速度较高，得出加压下截面平均颗粒浓度随颗粒循环速率的增加而增大，随操作气速的增加而减小；Richtberg等^[16]对加压循环流化床内气固质量比对颗粒流动特性的影响进行了实验研究，提出了加压下提升管内的颗粒流动分布特征，建立了颗粒循环与气固质量比的经验关系式。
11. 综上所述，对于我们即将进行试验的东南大学金保昇研究组的新平台上，研究其冷态颗粒流动特性是十分必要且有意义的。本文以上述内容为背景，开展循环流化床内颗粒流动及分布的研究。

多级塔式逆流床空气反应器上的实验研究

引言

本章在所推荐的多级塔式逆流床空气反应器系统^[17]的冷态实验装置上进行试验。

与现有的固体燃料化学链燃烧系统空气反应器相比，本系统具有如下的特色及优点：

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