楊一超, 肖 睿, 宋啟磊, 鄭文廣

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京210096)

化學(xué)鏈燃燒(chemical-looping combustion,簡(jiǎn)稱CLC)是能實(shí)現(xiàn)能源高效率利用和CO2零排放的一種新型的燃燒技術(shù).如圖1化學(xué)鏈燃燒原理圖所示,在一定溫度下,空氣反應(yīng)器內(nèi)低價(jià)金屬氧化物MexOy-1與空氣進(jìn)行氧化反應(yīng),生成高價(jià)金屬氧化物MexOy;然后金屬載氧體MexOy進(jìn)入燃料反應(yīng)器,與燃料進(jìn)行還原反應(yīng),將金屬氧化物中的氧置換出來(lái),燃料反應(yīng)器的氣體產(chǎn)物為CO2和H2O,冷凝去除H2O后,得到較純的CO2,可將其壓縮處理,被還原的低價(jià)金屬氧化物MexOy-1返回空氣反應(yīng)器進(jìn)行氧化反應(yīng),完成金屬載氧體 MexOy的再生[1].CLC將傳統(tǒng)的燃燒分為兩步反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用,是降低燃燒過(guò)程損 失的有效途徑[2].此外,由于燃料不直接和空氣接觸燃燒,避免了NOx的產(chǎn)生.

圖1 化學(xué)鏈燃燒原理圖Fig.1 Flow chart of the CLC process

瑞典Chalmers大學(xué)的 Lyngfelt課題組[3]在2003年搭建了10 kW級(jí)串行流化床氣體化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器裝置,采用鎳基載氧體,以天然氣為燃料,進(jìn)行了化學(xué)鏈燃燒的中試驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明:燃料轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.5%,無(wú)氣體泄漏,載氧體基本不失活,磨耗率非常低.Lyngfelt等人研究的成功,證明化學(xué)鏈燃燒效率高且可完全實(shí)現(xiàn)CO2的內(nèi)分離.

使用固體燃料的CLC工藝有3種方式:第1種方式需要引入一個(gè)單獨(dú)的氣化過(guò)程,將氧氣或者氧氣+蒸汽用于氣化固體燃料,使其成為氣體燃料,這些氣體燃料與氧載體發(fā)生還原反應(yīng),實(shí)現(xiàn)CLC,但是,由于氣化的難度大以及需要高能耗的空氣分離器,其發(fā)展受到很大限制;第2種方式是將煤直接加入燃料反應(yīng)器,通過(guò)在2個(gè)反應(yīng)器間循環(huán)的載氧體從空氣反應(yīng)器中帶來(lái)大量顯熱,提供煤氣化反應(yīng)所需溫度,使煤在水蒸氣氣氛下氣化,氣化產(chǎn)物(CO和H2)與金屬載氧體反應(yīng)生成CO2和H2O,轉(zhuǎn)化為還原態(tài)的載氧體經(jīng)分離后,進(jìn)入空氣反應(yīng)器與空氣進(jìn)行氧化再生;第3種方式稱為化學(xué)鏈氧解耦燃燒(CLOU),即通過(guò)可釋放氧氣的載氧體在燃料反應(yīng)器中釋放氣相氧與煤燃燒,如Cu2O能在空氣反應(yīng)器中燃燒結(jié)合氧,生成的CuO在低氧濃度的燃料反應(yīng)器中釋放O2,O2與煤進(jìn)行氣固燃燒反應(yīng),這種方法具有反應(yīng)速率快的優(yōu)點(diǎn)[4-7].

前期本課題組對(duì)廉價(jià)的鈣基載氧體CaSO4進(jìn)行了一系列的研究[8-11].作為一種分布廣泛、儲(chǔ)量巨大、價(jià)格低廉的礦石資源,鐵礦石作為載氧體具有極高的價(jià)格優(yōu)勢(shì).Leion等[7,12]分別以甲烷、合成氣為氣體燃料及石油焦、南非煤等為固體燃料,研究了鈦鐵礦載氧體在化學(xué)鏈燃燒中的反應(yīng)特性,氣體試驗(yàn)結(jié)果顯示,使用鈦鐵礦石能得到很高的氣體轉(zhuǎn)化率,并且經(jīng)多次還原氧化循環(huán)后,鈦鐵礦顆粒的反應(yīng)性沒(méi)有衰減;在固體燃料試驗(yàn)中,研究了溫度及流化氣中的蒸汽含量對(duì)反應(yīng)的影響以及多種固體燃料在CLC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率,結(jié)果表明可在4～15min內(nèi)得到95%的燃料轉(zhuǎn)化率,時(shí)間依燃料種類而不等,并指出載氧體的存在可加強(qiáng)氣化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化速率.Leion等[5]還研究了Mt.Wright鐵礦石和煉鋼余料等廉價(jià)載氧體在以石油焦、木炭、褐煤及生煤為燃料的化學(xué)鏈燃燒中的反應(yīng)特性,其研究表明:有載氧體存在時(shí),燃料的氣化速率快了至少2倍,2種載氧體與煤氣化產(chǎn)物氣體的反應(yīng)均很快.但是,Leion等人的試驗(yàn)研究均是在常壓下進(jìn)行的,與載氧體的反應(yīng)速率相比,煤氣化的反應(yīng)速率較慢,成為限制反應(yīng)的因素,因此需要提高煤氣化的速率.

目前對(duì)固體燃料化學(xué)鏈燃燒的研究甚少,加壓固體燃料化學(xué)鏈燃燒更是鮮見(jiàn)報(bào)道,固體燃料的化學(xué)鏈燃燒要實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用,必須在高壓下運(yùn)行,這是因?yàn)?

(1)由于流化床反應(yīng)器和載氧體的限制,煤化學(xué)鏈燃燒的操作溫度一般在900～1 000℃,因此常壓下的煙氣能量利用有限,而加壓條件可提高煙氣的做功能力,從而能夠與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合,而不是傳統(tǒng)的余熱鍋爐,這可從根本上提高未來(lái)CLC系統(tǒng)的發(fā)電效率;

(2)在煤化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)中,煤氣化是整個(gè)反應(yīng)速率的限制環(huán)節(jié),煤加壓氣化的技術(shù)工藝已經(jīng)極為成熟[13],加壓能使煤氣化速率加快,進(jìn)而加速煤化學(xué)鏈燃燒反應(yīng);

(3)高壓下的化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)使得后期CO2壓縮處理成本大大降低;

(4)加壓能使反應(yīng)器反應(yīng)參數(shù)增加、容積減小,減少建設(shè)成本,且更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化運(yùn)行.

鑒于以上優(yōu)點(diǎn),本文對(duì)加壓煤化學(xué)鏈燃燒展開(kāi)研究,利用固定床化學(xué)鏈反應(yīng)器,以鐵礦石作為載氧體,以水蒸氣為氣化劑,研究不同壓力下煤加壓化學(xué)鏈燃燒的反應(yīng)特性,分析壓力對(duì)反應(yīng)速率、反應(yīng)氣體產(chǎn)物組分和煤轉(zhuǎn)化率的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品分析

表1為試驗(yàn)煤質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析.表2為鐵礦石載氧體的化學(xué)分析.

表1 煤質(zhì)分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal %

表2 鐵礦石載氧體的化學(xué)分析Tab.2 Analysis of iron ore oxygen carrier %

1.2 試驗(yàn)裝置與步驟

試驗(yàn)采用小型固定床試驗(yàn)臺(tái)(圖2),其主要由供氣、加熱裝置、加料裝置、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、反應(yīng)管、氣體分析及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成.加料裝置主要由上下2個(gè)球閥組成,2球閥間的管長(zhǎng)為200 mm,該裝置加料時(shí)可以維持反應(yīng)器的壓力及避免混入空氣影響試驗(yàn)結(jié)果.水蒸氣為氣化及流化介質(zhì),N2作為吹掃氣體和稀釋氣體.蒸汽發(fā)生器由恒壓恒流泵與加熱帶組成,恒壓恒流泵可實(shí)現(xiàn)精確控制流量輸出水,水經(jīng)過(guò)加熱帶包裹的不銹鋼管被加熱成過(guò)熱水蒸氣;N2和O2流量由質(zhì)量流量控制器精確控制.反應(yīng)器由2520不銹鋼管制成,內(nèi)徑為30 mm,高度為950 mm,布風(fēng)板距底端為450 mm.爐膛溫度由溫控儀和Pt/Rh熱電偶控制,該熱電偶放置于反應(yīng)管與爐膛之間,反應(yīng)溫度由管內(nèi)K型熱電偶監(jiān)測(cè).反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣經(jīng)冷凝、干燥、除塵后,由氣袋收集至 Emerson煙氣分析儀(Rosemount NGA-2000)分析.

圖2 試驗(yàn)裝置及加壓固定床示意圖Fig.2 Schematic diag ram of the experimental setup and pressurized fixed bed

試驗(yàn)用徐州煙煤的顆粒粒徑范圍為0.125～0.18 mm,煤質(zhì)分析見(jiàn)表1.試驗(yàn)中使用的鐵礦石來(lái)自于巴西淡水河谷,其載氧率Ro=0.033 3(Ro=Fe2O3/Fe3O4,以純的Fe2O3計(jì)算),該鐵礦石的化學(xué)分析見(jiàn)表2.為使載氧體顆粒處于完全的氧化狀態(tài),使其在馬弗爐中于1 100℃下通空氣燒結(jié)6 h,同時(shí)可提高載氧體的機(jī)械強(qiáng)度.加粒徑為0.6～1.0 mm的石英砂30 mL至反應(yīng)器中,然后將粒徑范圍為0.09～0.125 mm的40g鐵礦石載氧體放置于石英砂上,在N2氣氛下(450 mL/min)升溫至970℃并穩(wěn)定.當(dāng)化學(xué)鏈還原反應(yīng)開(kāi)始時(shí),通入水蒸氣和N2的混合氣體,通過(guò)微型水泵輸送去離子水,流量設(shè)定為0.7 mL/min,經(jīng)過(guò)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽,流量折算為約870 mL/min,N2流量為130 mL/min.當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)要求的反應(yīng)壓力且氣流穩(wěn)定后,通過(guò)反應(yīng)器頂部加料裝置加煤0.4 g,加料時(shí)先打開(kāi)上球閥,加入煤后關(guān)閉上球閥,接著通入N2排掉管內(nèi)混入的空氣并充入N2,使兩球閥間的管內(nèi)壓力與反應(yīng)器內(nèi)壓力相等,打開(kāi)下球閥,煤掉入反應(yīng)區(qū),即實(shí)現(xiàn)成功加料,這種加料方式可以排除混入空氣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,并且避免了加料時(shí)反應(yīng)器內(nèi)壓力的波動(dòng).加煤同時(shí)開(kāi)始收氣計(jì)時(shí),通過(guò)背壓閥和質(zhì)量流量計(jì)維持系統(tǒng)反應(yīng)壓力和氣流量不變,試驗(yàn)時(shí)間一般為90 min.當(dāng)還原反應(yīng)結(jié)束以后,切換到N2氛圍,吹掃反應(yīng)器內(nèi)殘留的氣體,氧化反應(yīng)開(kāi)始時(shí),用O2和N2配比成氧濃度為5%的混合氣,持續(xù)氧化40 min.由于載氧體的氧化是放熱過(guò)程,降低氧濃度可以使氧化過(guò)程中釋放的熱量緩慢釋放出來(lái),避免因反應(yīng)區(qū)域的床層溫升過(guò)高而使載氧體燒結(jié)失活.試驗(yàn)壓力為0.1～0.6 MPa之間的6個(gè)壓力值.

煤水蒸氣氣化試驗(yàn)時(shí),將鐵礦石顆粒換成相同粒徑的石英砂,其他步驟相應(yīng)同上即可.

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

氣體組分i的濃度

氣體組分i的相對(duì)濃度

碳轉(zhuǎn)化率

殘?zhí)悸?/p>

式中:Xi為i組分的出口流量;ni為i組分的物質(zhì)的量.

2 結(jié)果與討論

2.1 煤水蒸氣氣化試驗(yàn)

2.1.1 主要?dú)怏w產(chǎn)物及分析

煤加入燃料反應(yīng)器后,首先熱解析出揮發(fā)分,隨后固體煤焦在水蒸氣氣氛下發(fā)生氣化反應(yīng):

圖3給出了煤水蒸氣氣化出口氣體經(jīng)冷凝除水后的各氣體濃度隨時(shí)間變化的曲線.盡管所用恒流泵出口流量的脈動(dòng)造成了出口氣體濃度曲線的波動(dòng),但總體變化趨勢(shì)是可見(jiàn)的.從圖中可以看到,因?yàn)槊褐袚]發(fā)分的析出,煤氣中CO、CO2、CH4和 H2的濃度在1～2 min內(nèi)達(dá)到最高值,各氣體濃度由高到低依次為 H2、CO 、CO2、CH4.峰值過(guò)后,各氣體濃度急劇下降并漸趨緩和,標(biāo)志著反應(yīng)進(jìn)入焦炭氣化階段,這時(shí)主要發(fā)生反應(yīng)(5)、反應(yīng)(6)和反應(yīng)(7),反應(yīng)器出口煤氣成分主要為H2、CO和CO2.在整個(gè)水蒸氣煤氣化過(guò)程中,H2生成量最多,CO2、CO生成量小于H2,CH4生成量很少,這與高正平等[14]的研究結(jié)果是一致的.

圖3 0.1 M Pa和0.5 M Pa壓力下氣化產(chǎn)物的濃度Fig.3 Gas concentration during gasification at pressures 0.1 and 0.5 MPa

2.1.2 加壓對(duì)煤水蒸氣氣化產(chǎn)物組分的影響

圖4為壓力對(duì)氣化產(chǎn)物組分相對(duì)濃度的影響.由圖4可知,當(dāng)壓力從0.1 MPa升高到0.5 MPa時(shí),煤氣組分CO、CO2、CH4和 H2的相對(duì)濃度分別從 21.26%、15.72%、2.60%和 60.42%變化為8.45%、27.59%、3.72%和60.24%.在本試驗(yàn)條件下,為了獲得更真實(shí)的煤氣化和還原鐵礦石載氧體的反應(yīng)活性,并消除水蒸氣外擴(kuò)散的影響,采用過(guò)量的水蒸氣作為氣化介質(zhì).在強(qiáng)烈的水蒸氣分壓下,水煤氣置換反應(yīng)得以加強(qiáng),產(chǎn)物中H2的分壓很高,圖5為熱力學(xué)模擬的達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)氣化產(chǎn)物組成隨水煤比的變化曲線圖.從圖中可以看出,在水煤比很高的條件下,CO相對(duì)濃度非常低,H2相對(duì)濃度約為CO2的2倍,這是因?yàn)榉磻?yīng)(5)和(6)組合成反應(yīng).試驗(yàn)中當(dāng)壓力足夠高時(shí),CO濃度非常小,當(dāng)壓力遞增時(shí),由于加壓條件下水蒸氣分壓變得很高,反應(yīng)速率變快,而且由于總的氣流量不變,壓力提高了幾倍,則停留時(shí)間也相應(yīng)增加幾倍,因此在加壓工況下,出口各氣體的濃度很接近于化學(xué)平衡時(shí)的濃度,這與熱力學(xué)模擬的結(jié)果是一致的.

圖4 壓力對(duì)氣化產(chǎn)物組分相對(duì)濃度的影響Fig.4 Influence of pressure on relative concentration of various gas components during gasification

圖5 氣化產(chǎn)物相對(duì)濃度的熱力學(xué)模擬Fig.5 Thermodynamic simulation of relative concentration of various gas components during gasification

2.2 化學(xué)鏈燃燒試驗(yàn)

2.2.1 還原反應(yīng)的氣體產(chǎn)物分析

載氧體的主要還原反應(yīng)為:

圖6給出在 0.1 MPa、0.3 MPa和0.5 MPa壓力下還原反應(yīng)中出口氣體經(jīng)除水后各組分濃度隨時(shí)間變化的曲線.從圖中可以看出,其中CH4的初始峰值主要來(lái)自于煤中揮發(fā)分的析出,CO和CO2的峰值是揮發(fā)分與載氧體反應(yīng)的產(chǎn)物.剩下的煤焦繼續(xù)與水蒸氣反應(yīng)生成合成氣,即CO和H2,合成氣進(jìn)一步與載氧體反應(yīng)生成CO2和H2O.煙氣中CO和CO2的濃度趨于穩(wěn)定并隨時(shí)間增加逐漸降低.當(dāng)反應(yīng)時(shí)間到45 min時(shí),所有氣體產(chǎn)物的濃度都下降到0.煙氣中有殘留的CO,但H2因完全參與反應(yīng)而沒(méi)有殘留,這與Leion等[6]的研究結(jié)果吻合,說(shuō)明在970℃下,H2的反應(yīng)性比CO好.隨著反應(yīng)的進(jìn)行,載氧體表面覆蓋的還原產(chǎn)物Fe3O4越來(lái)越多,CO所需克服穿過(guò)表面Fe3O4覆蓋層滲透到內(nèi)部與Fe2O3接觸反應(yīng)的阻力越來(lái)越大,反應(yīng)性逐漸下降.反應(yīng)初期,CO與載氧體的還原反應(yīng)受化學(xué)反應(yīng)控制,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,擴(kuò)散阻力越來(lái)越大,逐漸形成擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)聯(lián)合控制,且擴(kuò)散控制越來(lái)越強(qiáng).

圖6 不同壓力下還原反應(yīng)氣體產(chǎn)物的濃度Fig.6 Concentration profile of various gas components during reduction period at p=0.1 MPa,0.3 MPa,0.5 MPa

如圖3所示,當(dāng)壓力為0.5 MPa時(shí),煤氣化總反應(yīng)的時(shí)間為 65 min,而在有載氧體存在的情況下,反應(yīng)時(shí)間縮短為47 min.理論上載氧體的存在是能促進(jìn)煤水蒸氣氣化,原因是氣化產(chǎn)物一經(jīng)生成就被載氧體氧化,煤氣化產(chǎn)物始終保持在很低的濃度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到平衡濃度,因此氣化速率也保持在較高的水平,縮短了反應(yīng)時(shí)間.但由于本試驗(yàn)是研究反應(yīng)機(jī)理,所使用的煤量很少,在970℃氣化時(shí)氣化速率已經(jīng)很快,CO、CO2和H2濃度本身又很低,而且反應(yīng)一直在高濃度水蒸氣氣氛下進(jìn)行,因此上述這種作用在本試驗(yàn)中不明顯.

2.2.2 氧化反應(yīng)的氣體產(chǎn)物分析

載氧體主要發(fā)生的氧化反應(yīng)為:

氧化反應(yīng)時(shí)用O2和N2配比成5%O2濃度的氣體進(jìn)行氧化,這是為了防止氧化反應(yīng)時(shí)反應(yīng)器溫升過(guò)高.圖7給出氧化反應(yīng)時(shí)出口氣體CO、CO2和O2濃度隨時(shí)間變化的曲線.在氧化初始段,O2濃度為0,這是因?yàn)镺2完全被用于載氧體的氧化再生反應(yīng)及殘留碳的氧化反應(yīng);CO沒(méi)有峰值或峰值很小;CO2呈單峰特性,表明殘?zhí)蓟径急谎趸癁镃O2.當(dāng)還原態(tài)的載氧體和殘?zhí)季磻?yīng)完后,O2的濃度相應(yīng)上升到配比值.

圖7 0.1 MPa壓力下氧化反應(yīng)氣體產(chǎn)物的濃度Fig.7 Concentration profile of various gas components during oxidation period at p=0.1 MPa

2.2.3 加壓對(duì)還原反應(yīng)煙氣組分的影響

圖8為壓力對(duì)還原反應(yīng)各氣體組分相對(duì)濃度的影響.由圖8可知,在壓力的作用下,出口煙氣中殘留的CO、CH4和H2明顯減少,當(dāng)壓力從0.1 MPa提高到0.6 MPa時(shí),出口煙氣的CO、CH4和 H2相對(duì)濃度分別從13.41%、4.94%和0.95%下降到6.51%、1.46%和 0,而 CO2則從 80.70%上升到92.03%.原因是在加壓工況下,氣化產(chǎn)物的分壓變得很高,大大加快了化學(xué)反應(yīng)速率,同時(shí)加壓使各組分的停留時(shí)間大大增加,氣化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率變高,說(shuō)明加壓增強(qiáng)了煤氣的反應(yīng)性,有利于煤化學(xué)鏈燃燒.

圖8 壓力對(duì)還原反應(yīng)各氣體組分相對(duì)濃度的影響Fig.8 Influence of pressure on relative concentration of various gas components during reduction period

2.2.4 加壓對(duì)還原反應(yīng)時(shí)煤中碳轉(zhuǎn)化率的影響

圖9為壓力對(duì)還原反應(yīng)碳轉(zhuǎn)化率及殘?zhí)剂康挠绊?由圖9可知,當(dāng)壓力在 0.1～0.6 MPa 6個(gè)值內(nèi)變化時(shí),碳轉(zhuǎn)化率在0.1 MPa時(shí)最低,為64.83%;在0.3 MPa時(shí),達(dá)到最大值77.87%,此時(shí)殘?zhí)甲钌?在0.6 MPa時(shí),碳轉(zhuǎn)化率為67.57%.當(dāng)壓力從0.1 MPa升高到0.3 MPa時(shí),碳轉(zhuǎn)化率提高,當(dāng)壓力到0.3 MPa時(shí),達(dá)到最大,說(shuō)明此時(shí)加壓促進(jìn)了煤中碳的轉(zhuǎn)化;而當(dāng)壓力從0.3 MPa提高到0.6 MPa時(shí),碳轉(zhuǎn)化率又開(kāi)始降低,這說(shuō)明加壓并不總是在促進(jìn)碳的轉(zhuǎn)化,而是存在一個(gè)最佳壓力,使碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高,超過(guò)這個(gè)壓力后,壓力升高反而使碳轉(zhuǎn)化率降低.這主要是因?yàn)閴毫^低時(shí),壓力的升高加強(qiáng)了水蒸氣在煤顆粒中的擴(kuò)散,促進(jìn)了碳的轉(zhuǎn)化,而當(dāng)壓力升高到一定程度后,壓力對(duì)煤中揮發(fā)分析出的抑制作用增強(qiáng),從而又抑制了碳的轉(zhuǎn)化.

圖9 壓力對(duì)還原反應(yīng)碳轉(zhuǎn)化率及殘?zhí)剂康挠绊慒ig.9 Influence of pressure on carbon conversion and residual carbon quantity during reduction period

2.2.5 加壓對(duì)氧化反應(yīng)時(shí)氧氣轉(zhuǎn)化率的影響

圖10給出氧化反應(yīng)時(shí)氧氣的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化曲線.由圖10可知,經(jīng)過(guò)還原反應(yīng)后,鐵礦石中部分Fe2O3被還原成了Fe3O4,氧化反應(yīng)可以使載氧體再生.在氧化初始時(shí)的一段時(shí)間內(nèi),O2的轉(zhuǎn)化率是100%,當(dāng)氧氣轉(zhuǎn)化率降為0時(shí),氧化反應(yīng)完成.常壓下在第10 min氧化反應(yīng)基本完成,而在0.3 MPa和0.5 MPa壓力下分別在第12 min和第15 min基本完成氧化.加壓后,氧化反應(yīng)的時(shí)間變長(zhǎng),原因是加壓下還原反應(yīng)的程度加深,此外,加壓下殘?zhí)嫉脑黾右彩且粋€(gè)影響因素.

圖10 加壓對(duì)氧化反應(yīng)時(shí)氧氣轉(zhuǎn)化率的影響Fig.10 Effect of pressure on O2conversion during oxidation

2.2.6 載氧體掃描電鏡圖片分析

圖11所示分別為新鮮和試驗(yàn)使用過(guò)的鐵礦石載氧體的掃描電鏡(SEM)照片.從圖中可以清楚地看到,新鮮的鐵礦石具有致密和光滑的表面,而試驗(yàn)用過(guò)的鐵礦石表面顯得粗糙不平,這是因?yàn)樵谶€原和氧化反應(yīng)試驗(yàn)中,鐵礦石表層反復(fù)地與還原性氣體及氧化性氣體反應(yīng),導(dǎo)致表面變得疏松多孔.

圖11 新鮮和試驗(yàn)使用過(guò)的鐵礦石的SEM圖片F(xiàn)ig.11 SEM photoes of fresh and used iron ore as an oxygen carrier

3 結(jié) 論

(1)加壓使煤水蒸氣氣化過(guò)程速率加快,加強(qiáng)了水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng),并對(duì)煤氣組分產(chǎn)生影響,使CO濃度降低,CO2和H2濃度升高,并使CH4的濃度有微量升高.

(2)當(dāng)壓力達(dá)到0.5 MPa后,還原反應(yīng)煙氣中不再有H2,CO和CH4的濃度也變得非常低,說(shuō)明加壓能促進(jìn)還原反應(yīng)中H2、CO和CH4的轉(zhuǎn)化,增強(qiáng)氣化產(chǎn)物的反應(yīng)性.

(3)加壓并不總是能促進(jìn)煤中碳的轉(zhuǎn)化,而是隨著壓力的升高,碳轉(zhuǎn)化率先升高后又降低,存在著一個(gè)中間壓力值,使碳轉(zhuǎn)化率最高.

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