基于化學(xué)鏈燃燒制氫的復(fù)合流化床冷態(tài)試驗(yàn)研究

基于化學(xué)鏈燃燒制氫的復(fù)合流化床冷態(tài)試驗(yàn)研究

0從熱法回收二氧化碳化學(xué)鏈氫制氫是一種創(chuàng)新的氫制氫概念。其原理是將相應(yīng)的氧氣氮放入不同的預(yù)處理器之間，并將不同反應(yīng)器中的氣體反應(yīng)用于制備氫。鐵氧化物作為較為合適的載氧體,其化學(xué)鏈制氫系統(tǒng)主要由燃料反應(yīng)器、蒸汽反應(yīng)器以及空氣反應(yīng)器組成。Fe2O3首先與燃料反應(yīng)器中的燃料氣反應(yīng)生成水蒸氣和二氧化碳,經(jīng)冷凝后獲得純凈的二氧化碳。Fe2O3被還原為FeO并進(jìn)入蒸汽反應(yīng)器,在蒸汽反應(yīng)器中FeO與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和Fe3O4,蒸汽反應(yīng)器出口氣體為水蒸氣和氫氣,經(jīng)冷凝后,獲得純凈的氫氣。Fe3O4則在空氣反應(yīng)器中被進(jìn)一步氧化為Fe2O3并重新進(jìn)入燃料反應(yīng)器參與下一個(gè)循環(huán)過程。該方法的主要優(yōu)勢(shì)在于:整個(gè)系統(tǒng)可以僅憑簡(jiǎn)單的冷凝裝置,便可獲得純凈的氫氣,并能在制氫過程中實(shí)現(xiàn)二氧化碳的捕集,解決了化石燃料制取氫氣過程中大量的二氧化碳排放問題以及分離氣體所需要的高能耗與設(shè)備投入。然而,由于受到鐵氧化物還原過程中的熱力學(xué)平衡的限制,較低的燃料氣轉(zhuǎn)化率限制了化學(xué)鏈制氫技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)這一問題,本文結(jié)合鐵氧化物的化學(xué)特性提出了一種全新的復(fù)合流化床燃料反應(yīng)器結(jié)構(gòu),并基于此流化床設(shè)計(jì)并搭建了對(duì)應(yīng)熱值為50kW的三聯(lián)流化床反應(yīng)器冷態(tài)試驗(yàn)裝置。1設(shè)備設(shè)計(jì)1.1復(fù)合流化床燃料反應(yīng)器在燃料反應(yīng)器中,鐵氧化物的還原順序?yàn)镕e2O3→Fe304→FeO→Fe。為了達(dá)到制取氫氣的目的,鐵氧化物至少應(yīng)被還原至FeO狀態(tài),而Fe3O4→FeO和FeO→Fe均為可逆反應(yīng),因此,存在含碳燃料氣體無法完全轉(zhuǎn)化為CO2和水蒸氣的問題,即在單一反應(yīng)器中無法實(shí)現(xiàn)燃料氣的完全轉(zhuǎn)化?；谏鲜鰡栴},本文提出了一種全新的反應(yīng)器概念。如圖1,燃料氣首先參與Fe3O4→FeO的可逆反應(yīng),而未完全轉(zhuǎn)化的燃料氣則繼續(xù)參與Fe2O3→Fe3O4的反應(yīng),由于Fe2O3→Fe3O4為不可逆反應(yīng),因此燃料氣可以實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)換。結(jié)合上述概念,本文提出了復(fù)合流化床燃料反應(yīng)器結(jié)構(gòu),如圖2,該反應(yīng)器分為上下兩部分,其橫截面積相差較大,反應(yīng)器上部呈快速流化狀態(tài),反應(yīng)器下部為鼓泡流化狀態(tài)。Fe2O3進(jìn)入反應(yīng)器后首先受到高風(fēng)速的夾帶作用而上升,在反應(yīng)器上部與來自下部未完全轉(zhuǎn)化的燃料氣反應(yīng)生成CO2和水蒸氣。而反應(yīng)生成的Fe3O4和未反應(yīng)的Fe2O3則經(jīng)過旋風(fēng)分離器,立管和U閥,進(jìn)入反應(yīng)器下部,在反應(yīng)器下部進(jìn)一步被燃料氣體還原至可以用于制氫的FeO。該反應(yīng)器主要優(yōu)勢(shì)在于其利用鐵氧化物化學(xué)特性,實(shí)現(xiàn)了燃料氣體的完全轉(zhuǎn)化。另外由于反應(yīng)器上部氣速較高,擾動(dòng)強(qiáng)烈,適合Fe203-→Fe3O4的快速反應(yīng)過程,而混反應(yīng)器下部為鼓泡流化狀態(tài),氣速較慢更適合Fe3O4→FeO的慢速反應(yīng)過程。1.2個(gè)壓力測(cè)量系統(tǒng)本文設(shè)計(jì)并搭建了對(duì)應(yīng)熱值為50kW的三聯(lián)流化床冷態(tài)試驗(yàn)裝置。如圖3所示,系統(tǒng)主要包含燃料反應(yīng)器、蒸汽反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器。三個(gè)反應(yīng)器以三角形布局,通過三個(gè)旋風(fēng)分離器、四根立管以及四個(gè)返料器(其中三個(gè)U閥,一個(gè)L閥)連接。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)均由有機(jī)玻璃材質(zhì)制作而成。系統(tǒng)共設(shè)有30個(gè)壓力測(cè)點(diǎn),壓力數(shù)據(jù)通過差壓變送器,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)采集。循環(huán)物料采用了粒徑為0.2mm的白色玻璃珠,并在其中加入了少量的黑剛玉,作為示蹤顆粒。固體循環(huán)率是通過測(cè)量示蹤顆粒通過給定長(zhǎng)度的立管所需要的時(shí)間確定的。2結(jié)果與討論2.1燃料反應(yīng)器上的顆粒濃度經(jīng)過調(diào)試,整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行,各立管能夠平衡反應(yīng)器間的壓差。圖4為系統(tǒng)壓力分布隨床高H的變化,從中可以判斷出不同反應(yīng)器中的顆粒分布情況?？梢钥闯稣羝磻?yīng)器和空氣反應(yīng)器由于風(fēng)速較高,其顆粒濃度較低。而絕大部分的顆粒沉積于燃料反應(yīng)器下部的鼓泡床內(nèi),燃料反應(yīng)器上部的顆粒濃度同樣較低。壓力特征是未來熱態(tài)試驗(yàn)的主要控制參數(shù)。因此有必要對(duì)不同工況下的壓力特征進(jìn)行研究。圖5(a)顯示了蒸汽反應(yīng)器的壓力特征隨其風(fēng)量變化的影響,可以看出空氣反應(yīng)器中壓力隨其風(fēng)量增大而增大。其壓力增大主要是由于旋風(fēng)分離器入口壓降增大導(dǎo)致。而當(dāng)風(fēng)量較低時(shí)反應(yīng)器底部出現(xiàn)較為明顯的鼓泡床特征,顆粒沉積于反應(yīng)器底部,形成了較為明顯的壓降,當(dāng)風(fēng)速升高后,反應(yīng)器壓力能夠呈現(xiàn)為快速床的線性衰減。而從圖5(b)中也可以看出,空氣反應(yīng)器具有與蒸汽反應(yīng)器相似的壓力變化特點(diǎn)。從冷態(tài)裝置中同樣看出了較低風(fēng)速時(shí),反應(yīng)器底部鼓泡現(xiàn)象的出現(xiàn)。圖5(c)顯示了燃料反應(yīng)器的壓力特征隨其風(fēng)速變化的影響。與上述兩個(gè)反應(yīng)器不同,燃料反應(yīng)器風(fēng)速對(duì)其床體壓力的影響更為明顯。另外,由于該反應(yīng)器的特殊結(jié)構(gòu),其下呈現(xiàn)鼓泡床的指數(shù)衰減特征,而上部卻為快速床的線性衰減特征。2.2總物料量對(duì)床料量分布的影響圖6表示的是空氣反應(yīng)器風(fēng)量以及總物料量對(duì)固體循環(huán)率G的影響。首先,隨著空氣反應(yīng)器風(fēng)量的增大,固體循環(huán)率逐漸增大。這是由于空氣反應(yīng)器作為快速流化床為整個(gè)系統(tǒng)提供循環(huán)所需要的動(dòng)力。其次,隨著總物料量的增加,增大的床高帶來了更大的靜壓,因此固體循環(huán)率也隨之增加。由于絕大部分顆粒分布于燃料反應(yīng)器,因此床料量分布λ被定義為燃料反應(yīng)器中物料與總物料量的比值。圖7給出了空氣反應(yīng)器風(fēng)量和總物料量對(duì)床料量分布λ的影響。從中可以看出,一方面,隨著空氣反應(yīng)器氣量的減少,λ逐漸減少,從試驗(yàn)中可以觀察到燃料反應(yīng)器床高逐漸下降,空氣反應(yīng)器的底部出現(xiàn)了物料的堆積,呈現(xiàn)鼓泡床狀態(tài),但由于提升管口徑較小,其仍能實(shí)現(xiàn)物料夾帶以保證整個(gè)系統(tǒng)的物料平衡。另一方面,總物料量的變化對(duì)床料量分布λ的影響不大。三種物料量在相同風(fēng)量下λ相差不大。圖8顯示了蒸汽反應(yīng)器風(fēng)量以及總物料量對(duì)固體循環(huán)率的影響。其整體趨勢(shì)為:隨著蒸汽反應(yīng)器風(fēng)量的增大,固體循環(huán)率呈下降趨勢(shì)。這是由于蒸汽反應(yīng)器風(fēng)量的增大使蒸汽反應(yīng)器壓力升高,進(jìn)而增大了燃料反應(yīng)器與蒸汽反應(yīng)器之間的壓差,提高了物料進(jìn)λ蒸汽反應(yīng)器阻力,使固體循環(huán)率下降。對(duì)于7.5kg曲線固體循環(huán)率,先增大后減小的趨勢(shì)是由于較低風(fēng)速下,蒸汽反應(yīng)器底部呈現(xiàn)鼓泡床狀態(tài),顆粒夾帶能力下降所致。而5.5kg與6.5kg情況將在下面說明。從圖8中還可以看出對(duì)于總物料量對(duì)固體循環(huán)率的影響。總物料量由6.5kg增加至7.5kg的過程中,固體循環(huán)率也是隨之增大的,而由5.5kg增至6.5kg時(shí),固體循環(huán)率卻沒有明顯變化,這一現(xiàn)象可以由圖9所示的床料量分布λ的變化進(jìn)行解釋。該圖中,6.5kg和7.5kg曲線具有較為接近床料量分布λ,在λ幾乎相同的前提下,固體循環(huán)率隨總物料量的增大而增大。而5.5kg相比于前兩種工況,λ產(chǎn)生了明顯的下降,從中可以判斷出λ的下降對(duì)固體循環(huán)率有增大作用。這一結(jié)果與國(guó)外相關(guān)報(bào)道一致。其主要是由于λ的下降意味著更高比例的顆粒處于蒸汽反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器內(nèi),而其較高氣速為顆粒提供了更高的循環(huán)動(dòng)力。上文中5.5kg和6.5kg在較低風(fēng)量下由于其床料量分布λ較低,因此對(duì)固體循環(huán)率有一定的增加作用,而且λ值越低增大越明顯。圖10顯示了燃料反應(yīng)器風(fēng)量以及總物料量對(duì)固體循環(huán)率的影響。從圖中可以看出,隨著燃料反應(yīng)器風(fēng)量的增大,物料循環(huán)量有明顯的增加,相比與上述兩個(gè)反應(yīng)器,其調(diào)節(jié)范圍更大。從壓力角度分析可知,燃料反應(yīng)器風(fēng)量的增大伴隨著燃料反應(yīng)器壓力的升高,使燃料反應(yīng)與蒸汽反應(yīng)器的壓差減小,物料在L閥中的循環(huán)阻力降低,故物料循環(huán)量增加。而床料量分布λ對(duì)物料循環(huán)量的影響仍然遵循上述之規(guī)律,如圖11,在6.5kg與7.5kg的床料量分布λ幾乎相同的情況下,固體循環(huán)率隨總物料量增大而增大,而當(dāng)床料量分布λ下降時(shí),會(huì)增大固體循環(huán)率,從而出現(xiàn)圖10中所示的5.5kg與6.5kg的固體循環(huán)率接近的情況。3系統(tǒng)壓力和壓力隨其復(fù)配的結(jié)果對(duì)用于實(shí)現(xiàn)化學(xué)鏈制氫的三聯(lián)流化床冷態(tài)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了關(guān)