化学链中可吸入颗粒物的生成排放机制研究

Chemical looping combustion (CLC), as one kind of revolutionary combustion technique, exhibits the merits of inherent CO2 separation as well as low economical cost. Therefore, relevant research work of CLC has attracted attention of researchers all over the world. During the last few decades, due to the extensive investigation of relevant researchers worldwide, the CLC technique has been developed rapidly, which mainly focused on the redox reaction kinetics analysis of oxygen carrier (OC) and CLC reactor design and operation optimization. For typical CLC combustion process, numbers of solid metal oxygen carrier particles circulate between fuel reactor (FR) and air reactor (AR) for oxidation and regeneration. Serious particles attrition and fragmentation occurs, which is quite easy for the formation of inhalable particulate matters (PM10). Furthermore, when solid fuel (e.g., coal, biomass, et al.) is employed in the CLC process, there also exists the escaping problem of fine particles in fly ash from the reactor. As obtained from published literatures, research work related to inhalable particulate matters formation and emission mechanism within CLC process has never been involved. As the culprit of large range haze phenomenon that frequently happened in China, PM10 has severely affected our life quality and even endangered human health, which should be effectively addressed. With a view to the formation and emission mechanism of PM10 during CLC process within interconnected fluidized bed reactor, this project aims to lay theoretical foundations on subsequent inhalable particulate matters emission control during CLC process.

化学链燃烧作为一种新型的燃烧技术，具有CO2内分离和碳捕集成本低廉的优点，因此受到国内外专家学者的重视。近年来，得益于相关学者的广泛研究，化学链燃烧技术得到了迅速地发展，主要研究工作集中于氧载体的还原反应动力学分析和反应器的设计和运行优化等。化学链燃烧过程中，大量的固体氧载体颗粒在空气反应器和燃料反应器间进行循环氧化还原反应，颗粒的磨损破碎严重，极易于可吸入颗粒物的形成。而对于采用固体燃料（如煤、生物质等）的化学链燃烧过程，还存在飞灰中极细颗粒物的逃逸问题。但从已有的文献资料来看，有关化学链燃烧过程中可吸入颗粒物的生成与排放机制的研究内容还没有涉及。可吸入颗粒物作为我国大范围内频发的雾霾现象的元凶，严重影响我们的生活质量并危及人体健康，必须得到有效的处理。本项目着眼于串行流化床化学链燃烧过程中可吸入颗粒物的形成机理与排放规律，以期为后续的化学链燃烧过程可吸入颗粒物排放控制研究奠定理论基础。

化石燃料燃烧排放的大量温室气体CO2是导致全球变暖的主要原因，高效低能耗的CO2捕集和封存(CCS)技术是目前的研究焦点之一。化学链燃烧(CLC)通过氧载体在两个气氛隔绝的反应器内循环，理论上具有内分离CO2和化学能梯级利用的优点。.本项目以铁矿石粉末为原料，辅以合适的分散剂以及粘结剂，采用喷雾干燥造粒方式，实现了天然铁矿石氧载体颗粒的批量制备，并在批次流化床上进行煤化学链燃烧反应性能测试，探究了温度、过氧系数、煤的种类以及循环实验对于氧载体性能的影响。同时采用天然铁矿石作为氧载体，研究结果表明：铁矿石的化学链反应性能对温度的敏感性很高，最佳的操作温度为1000 oC；天然铁矿石的活性成分并不能决定其作为氧载体在化学链中的反应特性；在不同的气化剂研究中，采用水蒸气明显提高碳转化速率和CO2气产率。.在5 kWth串行流化床化学链热态反应器，以天然铁矿石作为氧载体，进行了200小时气体燃料(甲烷)和100小时固体燃料(神华烟煤)的连续实验。在甲烷的化学链燃烧中，甲烷转化率最高达到81.55%、碳捕集效率最高为96.11%、CO2气产率最高为70.85%。在煤的直接化学链燃烧串行流化床实验中，最高达到96.33%的燃烧效率，85.03%的CO2捕集效率、92.82%的CO2气产率。在300小时的热态运行后，XRD表征分析，说明氧载体在反应前后，Fe2O3和Al2O3并未形成新的结晶相，说明化学稳定性良好。定义小于40µm的为失效颗粒，小于40µm的样品颗粒分数为0.63 wt.%，因此生成颗粒物的速率为0.0063 wt%/h。对比研究表明，颗粒物产生速率排序：空白实验<氧化阶段<还原阶段。因为还原阶段有晶格氧的传输，导致颗粒结构微变；而氧化阶段有大量的放热，由于热应力造成颗粒表面出现裂纹，剥离后形成颗粒物。.针对煤化学链燃烧中的污染物，揭示了热解阶段和气化阶段（CO2作为气化剂）的主要含硫气相产物释放形式及其分布特性。对比分析合成Fe基氧载体对于其前驱物的氧化性能以及反应产物。揭示了煤热解气中汞及气化气中汞的转化释放趋势，辨识了氧载体对不同形式汞的氧化催化转化作用机制及影响特征。