以煤为燃料的化学链燃烧研究进展

冷国文+王严+李圳午

（西华大学理学院 610039）

摘要：文章从国内煤化学链燃烧技术的研究和发展状况出发， 分析了其技术特点、限制环节、改进措施和发展方向。相对于以煤气化产物为燃料的煤间接化学链燃烧技术， 直接以煤为燃料的化学链燃烧技术系统简单、运行成本低， 具有显著的经济优势。

关键词：煤；化学链燃烧技术；氧载体；研究进展

0 前言

温室气体排放带来的全球变暖问题正在引起人们的重视。CO2作为最主要的温室气体， 研究CO2减排技术迫在眉睫。烟气中的CO2常常被大量氮气稀释， CO2的分离与回收成本很高。在燃烧过程中生成高浓度的CO2或便于CO2分离的气相混合物， 同时消除其他污染物的生成、排放是一条有效途径。化学链燃烧（ Chemical-Looping Combust ion， 简称CLC） 正是具有上述特性的一种新型燃烧方式， 已经受到了较多的关注。

1 以煤为燃料的化学链燃烧研究现状分析

目前，以煤为燃料的化学链燃烧尚处于实验室测试阶段。在载氧体方面，考虑到煤热解产物及煤灰对载氧体的污染，以及排灰造成的载氧体的损失，大多研究集中于相对廉价的Fe/Cu基载氧体、易获得的天然矿石与工业废弃物，其中天然钛铁矿的研究最为广泛。大量在不同规模反应器上的研究表明，钛铁矿具有良好的稳定性及机械强度，且不易烧结团聚。但制约钛铁矿应用的关键问题是其还原活性较低，提高钛铁矿的还原反应活性成为亟需解决的问题。在反应器方面，考虑到煤的气化速率较慢，部分煤未来得及在燃料反应器中完全转化即被携带至空气反应器，与空气直接燃烧产生CO2，被N2稀释。另外，燃料反应器中煤的转化是通过热解气化生成的中间气体与载氧体反应，即煤与载氧体间的流动混合很重要。而煤与载氧体间较大的密度差会引起分层，导致部分煤浮于床层上部，造成中间气体不完全转化。为了提高煤以及中间气体在燃料反应器中的转化率，国内外研究者提出了不同型式的反应器结构。大多数研究者认为需要在燃料与空气反应器之间增加碳分离装置，将未反应的碳从载氧体中分离出来并返回燃料反应器中继续反应。

2 化学链燃烧技术载氧体

（1）为使化学链燃烧技术能够更好地与其它发电系统进行耦合， 应将提高载氧体的操作温度作为研究的重点。选取环境性良好、无毒、廉价的载氧体以及对现有的载氧体制备方法的改进和创新， 也成为今后化学链燃烧技术发展的重点与难点。

（2）研究中所用燃料由单一成分气体向合成气发展， 由气体燃料向固体燃料发展。目前研究较多的为气体燃料（如天然气）， 从我国的能源结构来看， 煤炭占主导地位， 应大力发展煤的化学链燃烧技术， 找到适合固体燃料煤的高性能载氧体。

（3）寻求反应性能优良、价格低廉并且无二次污染的非金属载氧剂。

3 煤与载氧体相互作用

在以煤为燃料的化学链燃烧燃料反应器内，煤首先热解，热解产物再与载氧体反应。为了明确挥发分与载氧体相互作用特性，在固定床中研究了煤热解与铁基载氧体的还原过程，发现铁基载氧体能有效氧化挥发分，生成CO2和H2O。同时，载氧体的存在还增强了焦炭气化速率。此外，在流化床内庚烷与铁基载氧体的循环反应过程中，发现庚烷会带来积碳，但积碳量很少，仅在104量级。煤焦在燃料反应器中的转化可分为气化反应及气化产物的氧化两个过程。煤焦气化较慢，煤焦在燃料反应器内需较长的停留时间；而载氧体的还原速率相对较快，载氧体在燃料反应器内的停留时间可以缩短。如何匹配气化速率与还原速率是燃料反应器研究的关键问题。向煤中添加催化剂（如：钾）可大大提高气化反应速率（近3倍），从而可缩短煤在燃料反应器内的停留时间，使其与载氧体的还原过程匹配。钾改性的钛铁矿中含有的钾对气化反应也同样具有催化作用。

4 化学链燃烧反应器

化学链燃烧技术研究初期， 多采用热重分析仪（TGA）， 以研究载氧体的反应动力学为主， 之后出现固定床和小型流化床， 目前已发展到串行循环流化床试验阶段。化学链燃烧系统的设计与建立一般以冷态试验流动特性研究为基础， 然后建立热态试验系统并进行测试研究。

为了促进煤的充分转化、提高不凝结气体的转化和系统的CO2捕获效率， 适当延长煤在燃料反应器中的停留时间及加强氧载体和煤的混合非常重要。化学链燃烧装置的连续运行说明了化学链燃烧技术应用于工业的可行性， 反应器的优化设计、长期连续运行的实现是仍需要研究的问题。化学链燃烧反应器的设计多以天然气为燃料， 以合成气、煤等为燃料的反应器系统更需研究与建立。分析表明增压化学链燃烧反应系统有更好的系统效率， 但在现阶段， 增压系统的研究条件还并不成熟。

5 结论

（1）直接以煤为燃料的CLC技术系统简单， 具有显著的经济优势。但是过低的煤气化速率是其中的限制环节， 提高煤的气化速率、促进煤的充分转化是煤直接CLC技术的核心和关键。

（2）煤CLC技术具有一定的技术灵活性， 用于制氢时， 不仅系统简单、能效高， 且在实现CO2捕获的同时能够获得高纯度的氢气；而用于氧解耦化学链燃烧中则把煤的氧化燃烧与化学链燃烧有机结合， 需要着重研究。

（3）为了提高煤的气化速率、促进煤的充分转化， 需要从氧载体和煤质的选择、运行参数及反应器结构的优化改进4个方面进行全面考虑。

（4）需要深入研究煤中硫组分和灰组分的演化及其对氧载体活性的影响。

参考文献：

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