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基于Aspen Plus的化学链燃烧系统模拟研究

【摘要】:通过CO_2捕集储存来降低大气中的CO_2浓度是减缓全球温室效应的有效手段,传统的燃料燃烧是燃料直接接触空气的燃烧,而化学链燃烧(CLC)作为碳捕集的新方式,载氧体在两个反应器中循环使用,不但要分离空气中的氧,还要将分离的氧传递给燃料,进行燃料的无火焰燃烧。由于化学链燃烧技术可以降低CO_2回收成本,因此它在解决能源和环境问题的创新方面具有重要作用,同时化学链燃烧技术通过对能量的梯级利用,能量利用率高。本文以载氧体的选择为研究目的,介绍了载氧体的制备方法以及载氧体的抗压强度、烧结温度等,通过对比不同载氧体的熔点、载氧率、最高氧化反应温度等,选取Fe、Ni、Cu、Mn、Co基载氧体为研究对象;接着对上述载氧体进行详细的热力学分析:焓变、熵变、吉布斯自由能及化学平衡常数,得到上述热力学参数与温度的关系,选择了三种性能好的载氧体:Fe_2O_3/Al_2O_3、NiO/NiAl_2O_4、CuO/CuAl_2O_4。通过对化学链燃烧系统中的各个单元分析,运用Aspen Plus模拟软件,对优选出的载氧体进行燃气化学链燃烧中的数值模拟。详细介绍了燃料反应器中载氧体的化学反应机理,分析了温度、压力、载氧体与CH_4的摩尔比、空气与甲烷的摩尔比等对燃料反应器和空气反应器出口烟气成分的影响。计算满足燃料燃烧需求的最小空气量、最小载氧体质量流量,找到可使系统实现最大碳捕集率的最佳运行参数。通过对比空气与甲烷直接接触燃烧方式与化学链燃烧方式的不同,直观得出化学链燃烧方式的优势,并进一步比较三种载氧体的优缺点,最后得到最佳的载氧体Fe_2O_3/Al_2O_3。另外,本文运用Aspen Plus软件,以Fe_2O_3/Al_2O_3为载氧体进行燃煤化学链燃烧的数值模拟。研究温度、压力、载氧体燃料比等对燃料反应器和空气反应器出口烟气成分以及载氧体含量的影响,找出最优运行参数。最后对比了同一种载氧体Fe_2O_3/Al_2O_3下燃气与燃煤化学链燃烧系统反应器的出口烟气、碳捕集率、最小载氧体质量流量的差异。

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