随着全球气候变化问题日益严峻,减少二氧化碳排放成为能源领域的重要任务。化学循环燃烧(Chemical Looping Combustion,简称CLC)作为一种新兴的燃烧技术,因其固有的二氧化碳捕集能力备受关注。该方法利用固态氧载体在两个相互连接的反应器 - - 燃料反应器和空气反应器 - - 之间循环传递氧气,实现燃烧过程中的氧气分离,有效避免了传统燃烧中氮氧化物的产生以及二氧化碳的稀释,显著提升了碳捕集效率。传统的CLC系统中,燃料反应器和空气反应器通过物理循环的氧载体实现能量和物质的交换,但存在诸多工艺与结构设计上的挑战,如氧载体的损失、燃料与灰分对载体的污染、以及二氧化碳纯度不够等问题。为了克服这些限制,近年来研发者们提出了一种基于氧气解耦功能(Chemical Looping with Oxygen Uncoupling,CLOU)氧载体的创新燃料反应器设计,极大提升了燃烧效率和二氧化碳捕获效果。CLOU型氧载体以其能够在燃料反应器内直接释放分子态氧的特性,使氧气释放与燃料转化过程分离开来,适合处理低挥发分固体燃料,且燃烧反应更充分、更迅速。
但目前CLOU载体的应用受限于氧载体与燃料灰分直接接触所带来的物理和化学问题,如氧载体表面被灰分覆盖导致活性降低,发生磨损和堵塞,氧载体与燃料混合时遗失率增高等。针对这些问题,一种新颖的燃料反应器结构被提出,关键设计特点是采用穿孔输送带将CLOU型氧载体与燃料及其燃烧残渣物理分离。穿孔输送带能够在燃料反应器内循环携带氧载体,同时通过输送带的孔洞向燃料床释放氧气,实现氧气的高效供应,而氧载体本体则不直接接触燃料与灰分。这一设计不仅避免了氧载体由于燃料残渣侵蚀和混入空气反应器而造成的损失,还防止了未燃碳和硫化物进入空气反应器产生二氧化碳纯度下降的现象。采用该结构,燃料反应器能够产生纯度极高的二氧化碳气流,利于后续低能耗的捕集和利用处理,显著降低碳捕集的整体能耗和成本。另一方面,穿孔输送带的独立循环也能够精准控制氧载体的停留时间和反应条件,实现氧载体的充分还原和再氧化,提升载体利用效率并延长其使用寿命。
利用先进的数值模拟工具对该设计进行了初步的性能评估,在保证燃料床稳定流化的同时,输出气体中二氧化碳浓度达到98%以上,且一氧化碳浓度极低,表明燃烧反应更接近完全燃烧状态。温度分布均匀且稳定,有利于氧载体的红ox活性保持。氧载体选材方面,作为CLOU技术的关键,铜基氧载体因其氧气解耦能力强、反应活性高、热效应有利而成为研究焦点。但铜的熔点较低,易发生团聚和烧结,需要借助氧化铝、铜铝尖晶石等高温稳定支撑物进行改性。镍基氧载体以其高输氧能力和快速反应特性被广泛用于气态燃料CLC研究,但毒性和成本问题限制了其进一步推广。铁基载体因低成本和环境相容性好而在固体燃料CLC系统中得到广泛应用,尤其是天然矿物伊利石在实际工况下表现出较好的机械稳定性。
锰和钴基氧载体在近期也展现出较高潜力,锰基载体因成本低和氧化态多样而具备一定的调控空间,钴基则因毒性和成本较高,更多作为性能基准材料研究。全球范围内,多家研究机构已建成多种规模的CLC试验装置,旨在深化对氧载体循环性能、燃料转换效率和排放特性的认识。奥地利维也纳理工大学的双循环流化床CLC装置及德国达姆施塔特工业大学1MW级CLC试验装置,均侧重于气态及固体燃料的氧载体反应性能及循环稳定性测试。瑞典查尔姆斯理工大学及波兰切申霍沃科技大学等单位则更专注于固体燃料炉型的多功能改进及系统优化,如新型穿孔输送带燃料反应器概念的研发。该新型燃料反应器设计融合了传统双流化床和旋转炉的优点,避免了旋转系统复杂密封和运动部件的故障隐患,简化了机械结构并提高了系统可靠性。在经济性方面,物理分离显著降低载体损失和不完全燃烧带来的成本,同时通过高效燃烧提高净发电效率。
未来的研究方向围绕着穿孔输送带结构的制造材料选择、耐磨耐腐蚀性能的提升、孔径设计的流化优化和防堵措施展开,关键词包括高温合金材料、表面涂层技术、智能监测与自动清理系统等。数值模拟结合计算流体力学(CFD)和离散元方法(DEM)的耦合,逐渐成为优化设计和放大规模的标准手段。此外,人工智能辅助优化也正在兴起,有助于智能预测和控制氧载体循环和燃料反应过程。尽管目前存在实验设施尚未完全建成、实际运行数据缺乏等局限,但基于模拟结果的前景展望极具吸引力。预计经过持续的实验验证和规模提升,该燃料反应器创新设计能够为实现工业化的零碳二氧化碳捕集提供有力技术支撑,助力煤炭、生物质等固体燃料的低碳高效利用。总结来看,基于CLOU氧载体的穿孔输送带燃料反应器,通过实现氧载体与燃料灰分的物理分离,强化了燃烧反应的可控性与稳定性,提升了二氧化碳的回收纯度和燃料转化率。
它不仅改善了传统化学循环燃烧系统的多项关键性能指标,且简化了机械结构,减少了维护需求,有望成为实现碳中和目标过程中的核心技术路径之一。未来结合开放式创新、跨学科合作和数字化手段,将加速该技术的研发和产业化进程,助力能源行业迈向绿色可持续发展新时代。 。
