流动/多组分反应对循环载氧体尺度、结构及反应活性影响

Coal chemical looping combustion (CLC) is a new separation and capture technology of carbon dioxide, which is characterized by the coal direct utilization in CLC process. It can decrease the CO2 emission in China. However, oxygen carrier particles circulate between the fuel reactor and air reactor accompanied with oxygen, heat and carbon carrying, which reduces greatly the reactivity of oxygen carrier particles. Therefore, this project proposes to examine the effect of coupling between gas-solid flow and complex reactions of multi-component gas mixtures on particle size distribution, structure, and reactivity for oxygen carrier particles. In fuel reactor, the reaction rate equations of oxidation/reduction for oxygen carrier particles will be developed. In a fluidized bed with ash, and oxygen and coke, the mechanism of the coupling of flow and multi-component reactions on particle size distribution, structure, and reactivity for oxygen carrier particles will be further explored. In CLC process, the influence of circulation and multi-component reactions on particle size distribution, structure, and reactivity for oxygen carrier particles is investigated thoroughly. Finally, the flow dynamics equations coupling complex oxidation/reduction reactions will be presented, which will predict the variations of particle size distribution, oxygen carrier particle reactivity in the different locations in CLC with various time. Such studies provide the invaluable information on the preparation of oxygen carrier particles, and on the development and design CLC process.

煤化学链燃烧是直接利用煤炭的新型二氧化碳捕集技术，该技术研究对我国煤炭燃烧碳减排具有重要意义。然而，循环载氧体在氧化反应器/还原反应器之间流动/载氧/载热/载碳过程中，载氧体颗粒活性降低。本项目提出了研究煤化学链过程流动、多组分反应联合作用对载氧体尺度、结构及反应活性影响的科学问题。考察燃料反应器煤气化多组分混合气体与循环载氧体颗粒反应机理，建立载氧体氧化/还原反应动力学方程。在流化床焦/载氧体/灰共存体系中，揭示流动/反应对多次氧化/还原载氧体颗粒尺度、表面结构和反应活性的影响规律。在化学链燃烧系统中，探索流动、气相多组分与载氧体反应联合作用对颗粒尺度、表面结构和反应活性改变机理。建立燃料反应器流动模型、多组分气体/载氧体反应动力学方程, 揭示煤化学链系统循环载氧体颗粒不同时间和反应器空间位置载氧体尺度、反应活性的变化，为煤化学链燃烧载氧体颗粒制备及化学链系统设计提供重要信息。

煤化学链燃烧是直接利用煤炭的新型二氧化碳捕集技术，对我国煤炭燃烧碳减排具有重要意义。然而，氧化-还原反应器之间的流动、载热、载氧载碳反应过程中，循环载氧体颗粒的活性会不同程度的下降。本项目以硫酸钙复合载氧体、铁基复合载氧体为研究对象，研究了化学链燃烧/气化过程中气固流动和氧化还原反应耦合作用对循环载氧体颗粒的尺度、结构和反应活性的影响。主要成果有：1）针对载氧体/煤反应速率较慢的缺点，创新性地提出并制备了具有载氧和催化作用的铁基和钙基复合载氧体。对照传统的煤气化过程，创造性地提出了煤化学链气化技术，并对具有载氧、载热和催化作用的复合载氧体进行了定向设计。2）溶胶-凝胶法制备的Fe2O3/ATP载氧体比表面积高达4.92 m2/g，可以使尾气中CO2平均浓度高达98.9%，ATP与Fe2O3的协同作用能够显著加快煤初始碳转化速率。多次氧化还原反应后载氧体表面的CaO逐渐与煤灰反应生成无催化活性的新化合物Ca2SiO4和CaAl2Si2O8，显著降低了孔径结构和比表面积，导致其反应性能下降。3）建立了一种规模化制备钙基复合载氧体颗粒方法。制备的Ca-Fe/Ben复合载氧体具有较好的抗磨损和抗烧结性。而Ca-K/Ben复合载氧体表面的钾流失严重和容易发生烧结，使其反应活性降低。4）分别对铁基和钙基复合载氧体-煤化学链气化过程进行了研究，研究表明修正随机孔模型和活性位扩散模型能够分别较好地揭示两种复合载氧体与煤焦气化的反应动力学行为，而CaO的加入能够明显抑制释放硫的副反应。以上研究可以为煤化学链燃烧/气化复合载氧体颗粒制备及反应器的设计放大提供理论基础和工程方法。此外，还对咖啡渣化学链气化过程和吸附性能优异的固体胺CO2吸附剂的制备进行了创新性研究。研究成果在AIChE Journal，Ind. Eng. Chem. Res.，Energy & Fuels, Chem. Eng. J等国际化学工程期刊上发表论文13篇，在国内核心期刊上发表论文21篇，其中被SCI收录13篇，EI收录27篇。授权国家发明专利4项。项目执行过程中培养博士研究生3名，硕士研究生8名。