[发明专利]一种化学链燃烧过程中热中性氧载体的获取方法

说明书

本发明属于化学链燃烧相关技术领域，并具体公开了一种化学链燃烧过程中热中性氧载体的获取方法。该方法包括：(a)根据化学链燃烧反应确定该反应过程中所需的氧载体活性成分，构建化学链燃烧反应过程中氧载体循环量与氧载体活性成分比例的关系式；(b)构建燃料反应器中所涉及的吸、放热反应的热平衡方程，计算燃料反应器维持自热运行所需要的氧载体活性成分各组分的配比，进而实现热中性氧载体的获取。所得到的热中性氧载体可满足燃料反应器中吸热与放热的平衡，即实现热量自平衡。通过本发明，解除氧载体循环量需同时满足额定活性晶格氧传递和燃料反应器热量维持的限制，避免化学链燃烧过程中燃料反应器温度下降，实现燃料反应器的自热运行。

技术领域

本发明属于化学链燃烧相关技术领域，更具体地，涉及一种化学链燃烧过程中热中性氧载体的获取方法。

背景技术

化学链燃烧(Chemical Looping Combustion)是基于CO₂近零排放理念所提出的一种新型燃烧技术。该技术借助于固体氧载体颗粒在空气反应器和燃料反应器之间的循环氧化还原，避免了燃料与空气之间的直接接触，可实现燃料转化过程中CO₂的内在分离。

氧载体作为携带氧和热的载体，其理化特性直接决定了反应过程中氧和热的传递效率，进而影响整个化学链燃烧系统的运行。在化学链燃烧系统中，空气反应器内一般发生强放热反应过程，而燃料反应器中根据燃料和氧载体种类的不同可能是吸热过程也可能是放热过程。特别地，对于煤等固体燃料的化学链燃烧过程，固体燃料的热解和气化过程为强吸热反应，此时氧载体所携带的热量往往难以维持燃料反应器内反应温度的相对稳定。因此，为实现大型固体燃料化学链燃烧反应装置的自热运行，首先要解决的是燃料反应器中的吸热补偿问题。

在化学链燃料反应器中，不同氧载体与燃料气体之间的还原反应过程具有不同的吸放热特性。三种常规氧载体CuO、Fe₂O₃和NiO，在与不同燃料气(CH₄、CO或H₂)的还原反应过程中的吸放热量显著不同，其中，CuO整体呈现强放热特性，而Fe₂O₃和NiO则整体呈现吸热或微放热特性，基于此，有望通过调控活性组分种类和比例来定向设计相应的氧载体材料，以保持燃料反应器的自热运行。目前，化学链燃烧领域的大多数学者主要将研究重点放在高性能氧载体的开发上，而对实现大型化学链燃烧装置自热运行的相关研究甚少。事实上，在固体燃料化学链燃烧过程中，如果仅通过提高氧载体的循环流量以强化与空气反应器之间的热量交换来实现对燃料反应器内强吸热的热解和气化反应进行热量补偿，会大大提高反应器运行负荷，从而增加系统运行成本甚至缩短反应器寿命。因此，开发一种热中性的氧载体对于实现化学链燃烧技术的工业运行具有重要推动作用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种化学链燃烧过程中热中性氧载体的获取方法，其中，通过构建化学链燃烧反应氧载体循环量与氧载体活性成分比例的关系，以及燃料反应器中所涉及的吸、放热反应的热平衡方程求解维持燃料反应器自热运行所需要的氧载体活性成分的比例，进而实现热中性氧载体的获取。该方法通过合理调控氧载体活性成分的种类与比例，避免燃料反应器吸收或释放额外的热量，实现燃料反应器的自热运行。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种化学链燃烧过程中热中性氧载体的获取方法，该方法包括下列步骤：

(a)根据化学链燃烧反应确定该反应过程中所需的氧载体活性成分，构建化学链燃烧反应过程中氧载体循环量与氧载体活性成分比例C_ox的关系式(一)；

(b)基于所述化学链燃烧反应中燃料反应器维持自热运行，构建燃料反应器中所涉及吸、放热反应的热平衡方程(二)，根据关系式(一)和方程(二)求解维持燃料反应器自热运行氧载体活性成分中各组分配比，进而实现热中性氧载体的获取；所得到的热中性氧载体可满足燃料反应器中吸热量和放热量的平衡，即实现整体热量自平衡。