張曉磊

(上海理工大學(xué),上海 300457)

固體燃料化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展

張曉磊

(上海理工大學(xué),上海 300457)

實(shí)現(xiàn)二氧化碳內(nèi)分離,可以采用化學(xué)鏈燃燒的方法,化學(xué)鏈燃燒還可以提高燃燒的效率,減少不必要的污染。地球上固體燃料富足,固體燃料化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的研究可以充分利用這些豐富的燃料,并且實(shí)現(xiàn)固體燃料燃燒的高效性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性,具有非常實(shí)用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值。本文將總結(jié)目前固體燃料化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展,并提出目前化學(xué)鏈燃燒還面臨的技術(shù)問(wèn)題,及日后的研究方向。

固體燃料 化學(xué)鏈 研究進(jìn)展

目前，隨著社會(huì)人口、科技、經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大，同時(shí)由能源使用造成的問(wèn)題也開(kāi)始不斷升級(jí)，例如，光化學(xué)煙霧，酸雨，以及由二氧化碳過(guò)量排放引發(fā)的溫室效應(yīng)等。而二氧化碳過(guò)量排放作為全球氣候變暖的罪魁禍?zhǔn)?，減少二氧化碳排放量、倡導(dǎo)低碳生活迫在眉睫。由此，固體燃料化學(xué)鏈燃燒技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入人們的視野，成為人們熱衷研究的一項(xiàng)新型環(huán)保技術(shù)。

1 化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的基本內(nèi)容

化學(xué)鏈燃燒技術(shù)(CLC)是新型燃燒概念的一個(gè)衍生物，該技術(shù)最引人注目的一點(diǎn)便是其燃燒過(guò)程可以免能耗自動(dòng)分離二氧化碳。其原理簡(jiǎn)述如下：借助氧載體的功能，把傳統(tǒng)的燃料與空氣直接接觸的燃燒分成兩個(gè)部分，即兩個(gè)氣固反應(yīng)，避免了燃料和空氣的直接接觸，并借助氧載體的作用把空氣中的氧氣導(dǎo)入燃料中。CLC系統(tǒng)包含兩個(gè)流化床反應(yīng)器，空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器，而且這兩者并不是相互分離的。固態(tài)的氧載體在空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器之間互相循環(huán)，二燃料進(jìn)入燃料反應(yīng)器后背氧載體氧化，在氧化透徹后產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣。因?yàn)樵谡麄€(gè)過(guò)程中空氣的濃度可以維持在一定水平，即沒(méi)有被稀釋?zhuān)钥梢缘玫捷^高純度的生成物，只需將水蒸氣冷凝，便可得到較純凈的二氧化碳。其反應(yīng)方程式如下：(2n+m)MyOx+CnH2m→(2n+m)MyOx-1+mH2O+nCO2。當(dāng)燃料反應(yīng)器中的反應(yīng)結(jié)束后，被還原的氧載體被傳入空氣反應(yīng)器，再發(fā)生氧化反應(yīng)被氧化，得到新的氧載體，反應(yīng)方程式如下：MyOx-1+1/2O2↑→MyOx。

據(jù)上述內(nèi)容可知，CLC的整個(gè)過(guò)程中，二氧化碳的分離是無(wú)需消耗能量的，而且氧載體的再氧化也是在低溫條件下進(jìn)行，避免了氮氧化物的生成，生成的其他物質(zhì)基本都是氮?dú)夂褪Ｓ嗟难鯕猓粫?huì)對(duì)環(huán)境造成污染，可直接排放。

2 CLC的研究進(jìn)展

隨著CLC研究的不斷深入，學(xué)者們將研究的重心集中在了這四個(gè)方面：(1)氧載體的選擇和制作；(2)燃燒反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和制作；(3)反應(yīng)過(guò)程的具體分析和數(shù)據(jù)模擬；(4)化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的更新和擴(kuò)展。

2.1 氧載體的研究

就目前的趨勢(shì)而言，在氧載體的實(shí)際使用中，使用較多的當(dāng)屬過(guò)渡金屬氧化物。在被還原的氧載體通過(guò)空氣反應(yīng)器再氧化時(shí)，可為燃料反應(yīng)器提供晶格氧的同時(shí)將空氣反應(yīng)器中產(chǎn)生的熱能 傳送到燃料反應(yīng)器中，供化學(xué)反應(yīng)使用。由此可知，氧載體的性能的好壞是整個(gè)CLC系統(tǒng)的重中之重，其性能可概括為這五點(diǎn)：(1)反應(yīng)速率和氣體的選擇性能；(2)氧化傳熱能力；(3)抗燒結(jié)、結(jié)團(tuán)、碎裂的物理性能；(4)無(wú)毒性，是否為環(huán)保材料；(5)價(jià)格是否低廉，生產(chǎn)成本是否合理等。一般情況下，在氧載體的使用過(guò)程中，可在其中添加惰性載體和活性金屬氧化物，借此來(lái)提高它的總體性能。

2.2 反應(yīng)器的研究

2001年，有學(xué)者提出一個(gè)新型的反應(yīng)器模型：高速提升管制成的空氣反應(yīng)器和低速鼓泡的流化床充當(dāng)?shù)娜剂戏磻?yīng)器相互串聯(lián)組成。這種系統(tǒng)解決了流化床之間的漏氣問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了氧載體的循環(huán)使用，受到了業(yè)界人士的廣泛支持，更成為許多研究人員設(shè)計(jì)反應(yīng)器的基礎(chǔ)。還有學(xué)者提出了另一種燃燒裝置，這種裝置可細(xì)分為四個(gè)結(jié)構(gòu)：空氣反應(yīng)器、燃料反應(yīng)器和旋風(fēng)分離器以及提升管。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該種裝置的使用更為穩(wěn)定合理，且運(yùn)行中內(nèi)部基本不出問(wèn)題，問(wèn)題多為外部因素造成，如進(jìn)料。還有學(xué)者提出了圓錐形石英管反應(yīng)器，分為兩部分：上面作為分離區(qū)，防止固體物質(zhì)流失；下面作為反應(yīng)區(qū)，進(jìn)行固體燃料時(shí)的各種物理化學(xué)反應(yīng)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)中添加氫氣，可降低固體燃料的氣化程度，以此來(lái)提高碳的轉(zhuǎn)化程度。

2.3 化學(xué)鏈的更新

眾多的實(shí)驗(yàn)表明，化學(xué)鏈重整的相關(guān)技術(shù)是科學(xué)可行的，而且合理的重整可以極大的提高到96%-100%。從基本原理來(lái)看，化學(xué)鏈氣化的相關(guān)操作基本可以用于固體燃料的的氣化，目前，國(guó)內(nèi)外許多研究人員也開(kāi)始關(guān)注固體燃料的氣化，即化學(xué)鏈氣化技術(shù)。而在CLC的基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生而來(lái)的化學(xué)鏈制氫技術(shù)也對(duì)CLC的發(fā)展研究起到了一定程度的促進(jìn)作用。

3 研究中還存在的問(wèn)題

目前，雖然CLC的研究在不斷的深入和前進(jìn)，但其中仍然不乏問(wèn)題的出現(xiàn)，還有許多問(wèn)題需要學(xué)者們更加細(xì)致長(zhǎng)久的探討研究。例如：(1)就反應(yīng)機(jī)理而言，氧載體是固體，再與固體燃料反應(yīng)，這種反應(yīng)的是實(shí)質(zhì)究竟是何種反應(yīng)，是固體與固體之間的直接反應(yīng)，還是有中間過(guò)程的反應(yīng)，又或者是兩者結(jié)合一同發(fā)生或者分部發(fā)生，而不同的反應(yīng)部分又有哪些環(huán)節(jié)不同等。(2)化學(xué)鏈燃燒反應(yīng)器還需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以期獲得更加穩(wěn)定、直觀的數(shù)據(jù)以供研究，固體燃料的轉(zhuǎn)化率和二氧化碳的生成率也還需要深入的研究。(3)氧載體方面還需要更多的研究，將研制或發(fā)現(xiàn)反應(yīng)活性更強(qiáng)、價(jià)格便宜且環(huán)保的氧載體作為研究的關(guān)鍵之一。研究也不能僅限于金屬氧化物，要擴(kuò)展到其他類(lèi)型的物質(zhì)，例如以CaSO4為主的非金屬類(lèi)物質(zhì)的氧載體。

4 結(jié)語(yǔ)

CLC與傳統(tǒng)的燃燒方式相比較而言，CLC更易提高能源的使用效率，同時(shí)還能減少對(duì)環(huán)境的污染。根據(jù)目前我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，大多是以煤為主，固體燃料化學(xué)鏈技術(shù)的研究和發(fā)展對(duì)能源的可持續(xù)使用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展方面都有著不可替代的重要作用。但對(duì)該技術(shù)的認(rèn)知和使用還需要不斷的完善，包括反應(yīng)器、氧載體的內(nèi)部因素和進(jìn)料、空氣等其他外部因素對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響。

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[4]王國(guó)賢,王樹(shù)眾,羅明.固體燃料化學(xué)鏈燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2010(8).