基于铜基氧载体的生物质化学链利用分析

《基于铜基氧载体的生物质化学链利用分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题背景在过去几十年里，人们对全球气候变化带来的长期影响有了显著提高的认识，已[1]有证据表明，地球表面的温度相比于200年前有明显升高，这温度的升高被称作温室效应。温室效应主要是由温室气体造成的，如CO2，NOx，SOx，CH4等，其中CO2的[2,3]排放是最为主要的因素。据统计，人类活动排放的CO2使得大气中的CO2浓度从工业化以前的280ppm升高到2010年的390ppm。研究表明为了保证大气平均温升低于2℃的极限值，以避免给地球带来灾难性的变化，CO2的浓度不

2、得超过450ppm，这意味着大气中CO2的浓度不能在现在的基础上上升15%。化石燃料的燃烧产生大量的CO2，并直接排放到大气环境中，据估计大约有三分[4]之一的CO2排放总量来源于化石能源的燃烧。目前，减少CO2排放的技术手段一直[5-7]备受关注，主要包括:a)通过提高能源转换和利用效率来减少能源的消耗；b)更多的使用可再生能源(如生物燃料，风能等)或核能；c)转向低碳燃料；d)通过加强森林和土壤中的生物吸收能力来固定CO2。显然没有哪一项技术手段能提供所有的减排需求，甚至上面所有的方式可能都达不到期望的

3、CO2低排放。[8,9]在这样的背景下，CO2的捕集和存储(CCS)成为达到上述目标的重要方法，必须指出的是在21世纪初期，那些会产生CO2的化石燃料（天燃气，石油，煤）仍将提供人类80%以上的能源需求，而且，化石燃料在未来的一段时间内是不会被可再生能[10]源大规模替代的。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）和国际能源机构（IEA）的分析，CCS将贡献本世纪CO2减排总量的19%，以稳定气候变化。因此，CO2的捕集和存储技术发展的市场成熟化对化石燃料清洁化是非常必要的，这样既确保燃料（尤其是煤）的可持

4、续性地位，又减少了全球CO2的排放量。为了捕集CO2，目前主要有以下三种方式：(1)燃烧前捕集，即在燃料燃烧前将其中的含碳组分分离出来，主要用于整体煤气化联合循环IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）电站；(2)富氧燃烧，即使用空分出来的高浓度O2与燃料进行燃烧；1华中科技大学硕士学位论文(3)燃烧后分离，即使用不同的手段分离出尾气中的CO2。这些技术在过去的一些年里[11]都经历了长足的发展，并且其中一些已可以投入商业应用。然而，这些CCS技术的能耗都较大，导致

5、整体的效率降低，从而发电的成本升高。另一方面，生物质资源，如林产品，农副产品，工业纤维废弃物等被视为是碳中和的能源，因为在它们的生命周期中，吸收和释放出来的碳是相等的，使用生物质资[12]源不会增加大气中的CO2含量。因此，使用生物质资源非常有利于控制大气中CO2[13-15]的排放量。生物质能的利用技术相比于化石燃料等其他能源来说更为复杂多样，在利用手段方面，技术瓶颈成为限制生物质能源发展的主要问题，以粮食作物原料为主的燃料乙醇和生物柴油产业的可持续性存在严重问题。同时，非粮生物质液体燃料产业化进展缓慢，

6、生产核心技术仍未突破，产品质量不稳定，影响产业化发展。生物[16,17]质发电虽然取得了重要进展，但受到投资过大运行成本过高的严重制约。近年来，我国主要是针对中小型生物质气化发电技术进行研究，但对于直燃和混烧等其他生物质发电技术研究较少，缺乏实际应用经验，技术种类低，整体研究开发能力较差。随着技术开发和研究领域不断扩展，生物质的利用不再局限于简单的燃烧手段，而是基于现代技术的进一步高效利用，其转化利用手段主要分为直接燃烧技术、热化[13,14,18-20]学转化和生物化学转化(生物质气化和液化技术)等。近年

7、来，将生物质应用于化学链（ChemicalLooping）技术的研究也在逐步增加。1.2化学链燃烧技术[21]化学链燃烧（ChemicalLoopingCombustion，CLC）是德国科学家Richter等于1983年首次提出的，最初的目的是提高发电过程的热效率，后来意识到该技术在燃烧[22-27]过程中不需要消耗能量就可以分离CO2，引起了人们的广泛关注，尤其在最近10余年，该技术作为一种新型先进的能量利用技术，被视为第二代富氧燃烧技术，受到国内外相关学者的高度重视。化学链燃烧不再直接使用空气中的氧分

8、子，而是通过氧载体在两个反应器中的交替循环，实现氧的转移，完成燃料的燃烧过程，避免了燃料与空气的直接接触。CLC系统主要包括两个串联的反应器：空气反应器（Airreactor）和燃料反应器（Fuelreactor），如图1-1所示，高氧势载体（一般为过渡金属氧化物，2华中科技大学硕士学位论文如Ni、Fe、Cu、Mn、Co、Zn等氧化物，或某些非金属氧化物，标记为MexOy）进入燃料反应器与燃料进行还原反应，生成C