气相燃料试验研究：分析与探索

用燃料气体研究化学链燃烧技术，可以容易考察化学链燃烧的机理、载氧体及反应器结构之间的影响。研究中通常选用一氧化碳、氢气、甲烷等气体燃料。

1）载氧体研发情况

金属载氧体研发情况如表5-1所示。高性能的载氧体是能够实现化学链燃烧的先决条件。载氧体的评价指标有反应性、载氧能力、寿命、最高承受温度、机械强度、抗烧结和抗团聚能力、载氧体颗粒物分布、内孔隙结构、价格和环保性。

表5-1　化学链燃烧中金属载氧体的研发情况［3，4］

载氧体的研究使用热重分析仪（thermo-gravimetric analysis，TGA）、固定床、双流化床反应器；载氧剂多为金属氧化物，已经证实的活性金属氧化物主要包括镍、铁、钴、锰、铜和镉的氧化物，还添加一些比表面积大、孔结构适合的惰性载体，以改进载氧体的强度、热稳定性以及活性用量。

据报道，惰性载体主要有SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、MgO、钇稳定氧化锆（YSZ）、海泡石、高岭土、膨润土和六价铝酸盐。通过不同比例的活性材料及适当的制备方法、烧结温度等制成综合性能较好的载氧体。一般制备方法有冷冻成粒、浸渍法、机械混合、分散法和溶胶-凝胶法，前两者较为常见。对于镍和铁的载氧体常使用冷冻成粒法，对于铜载氧体通常采用浸渍法。其工艺至今已有百余种，试验发现NiO/NiAl2O4、Fe2O3/Al2O3和CoO-NiO/YSZ等载氧体的性能较为理想。

考虑到金属载氧体存在磨损带来的负面影响，无二次污染的非金属载氧体也进入研究的范围，特别是CaSO4在一定条件下具有与燃料气进行氧化-还原两步反应的可行性。

2）反应器研发情况

化学链燃烧反应器的研发情况如表5-2所示。设计燃料氧化-还原反应于一体的反应器是实施化学链燃烧的关键之一，CFB成为首选对象。国外研究者采用两个相互联通的流化床反应器，被称为双循环流化床，由低速鼓泡床（燃料反应器）和高速提升管（空气反应器）组成（见图5-6）。若按照流化床的性能区分，应用CLC技术的流化床位列于鼓泡床、循环流化床、正压循环流化床之后，可称为第四代锅炉流化床燃烧技术。

表5-2　化学链燃烧反应器的研发情况(www.xing528.com)

图5-6　双循环流化床反应器图

1—空气反应器（提升管）；2—旋风分离器；3—燃料反应器

载氧体在两流化床内循环使用。载氧体在高速床中与空气发生氧化反应，经旋风分离器分离后流入燃料反应器（鼓泡床）还原，燃料被氧化。被还原后的载氧体通过回流阀重新被送到空气反应器，而氧化后的气体（主要是CO2/H2O）从燃料反应器排出，CO2经冷冻法处理分离后被压缩成液态储存，没有被压缩的气体重新循环进入燃料反应器进行氧化。在两个流化床之间回流阀起到气密性的作用。

基于流化床反应器的试验装置，一些研究者开展了热功率为5～10 kW系统的优化，物流系统中采用一种帽子形颗粒物分离装置（见图5-7），选择合适尺寸的载氧体颗粒，利用颗粒沉降室原理降低固体流颗粒回流量，减少分离器压降；一些研究者建立冷模型，分析了大容量增压的化学燃烧反应器的可行性。

图5-7　热功率5～10 kW的CLC系统

Lyngfelt等研究者在10 kW装置（见图5-8）上连续运行100小时的研究中，采用了NiO载氧体、天然气燃料。装置通过颗粒存储器和回流阀的精确控制，实现燃料反应器中颗粒流率的控制，燃料转化率达99.5%；回料器严密，没有CO2泄漏到空气反应器。试验证实了化学链燃烧技术工程应用的可行性。

图5-8　热功率10 kW的CLC系统

1—燃料反应器；2—空气反应器；3—密封回路；4—提升管；5—旋风分离器；6—颗粒储存器；7—颗粒阀门；8—转向颗粒阀门；9—过滤器；10—加热炉；11—空气预热器；12—冷凝器