鐵基載氧體制氫和分離二氧化碳一體化新方法

《鐵基載氧體制氫和分離二氧化碳一體化新方法》是依託東南大學，由向文國擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鐵基載氧體制氫和分離二氧化碳一體化新方法
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：向文國
• 依託單位：東南大學

中文摘要

本課題將鐵法制氫與化學鏈燃燒原理結合，提出了化學鏈制氫與二氧化碳分離一體化新方法，在燃料化學能轉化為熱能的同時實現制氫和分離二氧化碳一體化。設計了新穎的疊式流化床燃料反應器，實現燃料轉化過程的二氧化碳富集。以合成氣為燃料，研究鐵基載氧體鏈式反應制氫和分離二氧化碳機理和反應動力學特性，建立三聯流化床制氫和捕集二氧化碳冷態和熱態實驗裝置，研究三聯反應器鏈式反應間流動匹配規律和氣密特性、運行和操作方法、鏈式反應熱化學反應網路特性和反應條件以及燃料氣中硫份的變遷和釋放規律。為後續孵化新型鏈式反應制氫和分離二氧化碳一體化技術，提供理論基礎和實驗數據。

結題摘要

鐵載氧體化學鏈制氫是一種新型的制氫技術，能夠在製取氫氣的同時實現CO2捕集。然而，鐵載氧體Fe2O3還原為FeO或Fe過程中，燃料轉化率低，難於滿足CO2捕集的需要。本項目提出了疊式流化床燃料反應器概念，即通過特殊的結構設計，將鼓泡流化床與快速流化床疊加成一個反應器，提高化學鏈制氫的燃料轉化率；提出了三聯流化床化學鏈制氫與捕集CO2技術。本項目採用系統模擬、冷態實驗研究、及熱態實驗研究相結合的方法，對三聯流化床化學鏈制氫技術進行了相關基礎研究：圍繞化學鏈技術，選擇煤作為燃料，採用煤氣化、固體氧化物燃料電池和燃氣蒸汽聯合循環，構建新型煤氣化化學鏈聯合循環發電系統，協同制氫與CO2捕集，系統發電當量效率57.95%，CO2捕集效率為~100%。固體氧化物燃料電池耦合化學鏈燃燒發電系統，煤氣化合成氣進入固體氧化物燃料電池發電，燃料電池排氣進入化學鏈燃燒反應器，實現燃料氣體完全轉化，分離CO2。系統發電效率49.8%，較高的固體氧化物燃料電池溫度和燃料利用係數可以提高整個系統的發電效率。設計並建設了50kW三聯流化床反應器冷態實驗裝置，由疊式流化床燃料反應器及兩個快速流化床構成。研究了各反應器流化風速、總床料量及二次風對反應器壓力曲線、運行範圍以及顆粒運行軌跡的影響。著重考察了系統的固體循環速率、床料量分布及反應器間竄氣現象。結果表明，三聯流化床系統能夠連續穩定的運行，各反應器流化風速對反應器間竄氣也有一定影響，但竄氣率均能維持在3%以下。利用Aspen Plus對涉及疊式流化床燃料反應器的化學鏈制氫過程搭建了熱力學模型。從熱力學角度提出了系統運行準則，分析了反應器溫度、載氧體循環率及惰性載體循環率對系統運行範圍的影響。給出了系統的最佳運行條件。設計並建設了功率為1kW的疊式流化床燃料反應器熱態反應裝置，以鐵礦石為載氧體，著重考察了疊式流化床燃料反應器的運行效果以及鐵礦石在化學鏈制氫的還原過程中的反應特性。結果證實鐵載氧體能夠還原至FeO。設計建造基於疊式流化床燃料反應器的化學鏈制氫三聯床反應器，並在三聯床反應器上進行了以CO原料氣的制氫和捕集CO2的原理性實驗驗證。後續研究集中在三聯床化學鏈制氫和捕集二氧化碳實驗裝置的改進和實驗研究，形成三聯床化學鏈制氫和捕集二氧化碳技術。