固体燃料化学链燃烧技术的研究进展

张晓磊

(上海理工大学,上海 300457)

固体燃料化学链燃烧技术的研究进展

张晓磊

(上海理工大学,上海 300457)

实现二氧化碳内分离,可以采用化学链燃烧的方法,化学链燃烧还可以提高燃烧的效率,减少不必要的污染。地球上固体燃料富足,固体燃料化学链燃烧技术的研究可以充分利用这些丰富的燃料,并且实现固体燃料燃烧的高效性、经济性和环保性,具有非常实用的经济价值和环保价值。本文将总结目前固体燃料化学链燃烧技术的研究进展,并提出目前化学链燃烧还面临的技术问题,及日后的研究方向。

固体燃料 化学链 研究进展

目前，随着社会人口、科技、经济不断发展，规模不断扩大，人们对能源的需求越来越大，同时由能源使用造成的问题也开始不断升级，例如，光化学烟雾，酸雨，以及由二氧化碳过量排放引发的温室效应等。而二氧化碳过量排放作为全球气候变暖的罪魁祸首，减少二氧化碳排放量、倡导低碳生活迫在眉睫。由此，固体燃料化学链燃烧技术开始进入人们的视野，成为人们热衷研究的一项新型环保技术。

1 化学链燃烧技术的基本内容

化学链燃烧技术(CLC)是新型燃烧概念的一个衍生物，该技术最引人注目的一点便是其燃烧过程可以免能耗自动分离二氧化碳。其原理简述如下：借助氧载体的功能，把传统的燃料与空气直接接触的燃烧分成两个部分，即两个气固反应，避免了燃料和空气的直接接触，并借助氧载体的作用把空气中的氧气导入燃料中。CLC系统包含两个流化床反应器，空气反应器和燃料反应器，而且这两者并不是相互分离的。固态的氧载体在空气反应器和燃料反应器之间互相循环，二燃料进入燃料反应器后背氧载体氧化，在氧化透彻后产生二氧化碳和水蒸气。因为在整个过程中空气的浓度可以维持在一定水平，即没有被稀释，所以可以得到较高纯度的生成物，只需将水蒸气冷凝，便可得到较纯净的二氧化碳。其反应方程式如下：(2n+m)MyOx+CnH2m→(2n+m)MyOx-1+mH2O+nCO2。当燃料反应器中的反应结束后，被还原的氧载体被传入空气反应器，再发生氧化反应被氧化，得到新的氧载体，反应方程式如下：MyOx-1+1/2O2↑→MyOx。

据上述内容可知，CLC的整个过程中，二氧化碳的分离是无需消耗能量的，而且氧载体的再氧化也是在低温条件下进行，避免了氮氧化物的生成，生成的其他物质基本都是氮气和剩余的氧气，不会对环境造成污染，可直接排放。

2 CLC的研究进展

随着CLC研究的不断深入，学者们将研究的重心集中在了这四个方面：(1)氧载体的选择和制作；(2)燃烧反应器的设计和制作；(3)反应过程的具体分析和数据模拟；(4)化学链燃烧技术的更新和扩展。

2.1 氧载体的研究

就目前的趋势而言，在氧载体的实际使用中，使用较多的当属过渡金属氧化物。在被还原的氧载体通过空气反应器再氧化时，可为燃料反应器提供晶格氧的同时将空气反应器中产生的热能 传送到燃料反应器中，供化学反应使用。由此可知，氧载体的性能的好坏是整个CLC系统的重中之重，其性能可概括为这五点：(1)反应速率和气体的选择性能；(2)氧化传热能力；(3)抗烧结、结团、碎裂的物理性能；(4)无毒性，是否为环保材料；(5)价格是否低廉，生产成本是否合理等。一般情况下，在氧载体的使用过程中，可在其中添加惰性载体和活性金属氧化物，借此来提高它的总体性能。

2.2 反应器的研究

2001年，有学者提出一个新型的反应器模型：高速提升管制成的空气反应器和低速鼓泡的流化床充当的燃料反应器相互串联组成。这种系统解决了流化床之间的漏气问题，并实现了氧载体的循环使用，受到了业界人士的广泛支持，更成为许多研究人员设计反应器的基础。还有学者提出了另一种燃烧装置，这种装置可细分为四个结构：空气反应器、燃料反应器和旋风分离器以及提升管。根据多次实验证实，该种装置的使用更为稳定合理，且运行中内部基本不出问题，问题多为外部因素造成，如进料。还有学者提出了圆锥形石英管反应器，分为两部分：上面作为分离区，防止固体物质流失；下面作为反应区，进行固体燃料时的各种物理化学反应。在进行实验时发现，在反应中添加氢气，可降低固体燃料的气化程度，以此来提高碳的转化程度。

2.3 化学链的更新

众多的实验表明，化学链重整的相关技术是科学可行的，而且合理的重整可以极大的提高到96%-100%。从基本原理来看，化学链气化的相关操作基本可以用于固体燃料的的气化，目前，国内外许多研究人员也开始关注固体燃料的气化，即化学链气化技术。而在CLC的基础上发展产生而来的化学链制氢技术也对CLC的发展研究起到了一定程度的促进作用。

3 研究中还存在的问题

目前，虽然CLC的研究在不断的深入和前进，但其中仍然不乏问题的出现，还有许多问题需要学者们更加细致长久的探讨研究。例如：(1)就反应机理而言，氧载体是固体，再与固体燃料反应，这种反应的是实质究竟是何种反应，是固体与固体之间的直接反应，还是有中间过程的反应，又或者是两者结合一同发生或者分部发生，而不同的反应部分又有哪些环节不同等。(2)化学链燃烧反应器还需要进一步的设计和优化，以期获得更加稳定、直观的数据以供研究，固体燃料的转化率和二氧化碳的生成率也还需要深入的研究。(3)氧载体方面还需要更多的研究，将研制或发现反应活性更强、价格便宜且环保的氧载体作为研究的关键之一。研究也不能仅限于金属氧化物，要扩展到其他类型的物质，例如以CaSO4为主的非金属类物质的氧载体。

4 结语

CLC与传统的燃烧方式相比较而言，CLC更易提高能源的使用效率，同时还能减少对环境的污染。根据目前我国的能源结构中，大多是以煤为主，固体燃料化学链技术的研究和发展对能源的可持续使用和环境的可持续发展方面都有着不可替代的重要作用。但对该技术的认知和使用还需要不断的完善，包括反应器、氧载体的内部因素和进料、空气等其他外部因素对反应过程的影响。

[1]毛玉如,苏亚欣,马晓峰.化学链燃烧技术研究进展[J].能源与环境,2005(2).

[2]卢玲玲,王树众,姜峰,胡昕.化学链燃烧技术的研究现状及进展[J].现代化工,2007(8).

[3]秦翠娟,沈来宏,肖军,高正平.化学链燃烧技术的研究进展[J].锅炉技术,2008(5).

[4]王国贤,王树众,罗明.固体燃料化学链燃烧技术的研究进展[J].化工进展,2010(8).