大颗粒固定床化学链燃烧器内传热
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摘 要
化学链燃烧技术(Chemical Looping Combustion, CLC)是一种新型的清洁燃烧
技术，有关化学链燃烧器传热过程的研究是一个重要研究方向，本课题采用实验
方法分析固定床化学链燃烧器内复杂的传热过程，研究的重点是化学链燃烧过程
的非定常特性和大颗粒固定床传热所特有的径向不均匀性。目前有关固定床燃烧
器的研究仍处在初期探索阶段，缺乏准确的实验数据，因此该课题具有很大的研
究价值。本文的主要工作包括两个方面，现有实验装置的改进和固定床化学链燃
烧器内非定常传热现象的实验分析。
对现有实验装置进行改进是本课题化学链燃烧传热研究的基础。已有的实验
装置存在三方面的不足，一是管段最高预热温度低；二是管道保温效果差，径向
热损失大；三是通过加热气体来进行预热的方式效率非常低，因此针对以上所有
问题进行了改进，设计了两套加热装置，一套用来提升预热温度，一套用来增强
管道保温效果，该装置必须具备加热功率高、耐热温度高的特性，并在预热过程
中进行细致调试，最终达到较为理想的预热温度和保温效果。
本文工作的重点是分析化学链燃烧中氧化反应和还原反应中传热过程的规律
性，包括非定常传热特性及温度在轴向和径向上的分布。据相关分析研究可知，
在管径/粒径≤10 情况下，床层内存在明显的流量分布不均匀性及壁面效应，导致
近壁处流量分配比例在40%以上，管内孔道分布的不均匀性严重影响着传热。本
课题采用的负载型大颗粒的管径比为 8.3，因此也会存在明显的流量分配不均匀性
和由此产生的传热不均匀性。本文在改进的实验台上对 Cu/CuO（负载在Al2O3上）
载氧剂固定床燃烧器内的传热过程进行了研究，获得了大量的实验数据，分析了
传热过程的非定常特点及轴向和径向温度分布规律，氧化反应和还原反应都放出
大量的热，但氧化反应放热更加剧烈；化学链燃烧过程中管道轴向存在明显的反
应放热和流动传热的叠加现象，排除实验操作等原因造成的特殊情况，轴向温升
前锋推移速度是逐渐增大的，同时管壁处温升较管内可以忽略不计，热量损失主
要由轴向传热造成；活性段径向呈现明显的温度梯度，由于径向流体分布不均匀
性和气固间化学反应导致径向温度梯度存在较大的变化。此外也分析了不同的进
气流量及不同空隙率对传热过程的影响。增大进气流量明显缩短温升前锋轴向推
移时间，使轴向前端对后端传热的影响更小，同时改变了径向温度梯度；减小床
层空隙率可使床层温升整体提高，减小轴向热损失，但同时增大了径向热损失，
因此进气流量及床层空隙率对传热的影响也具有一定的规律。综合研究结果，大
颗粒固定床化学链燃烧器内存在复杂的传热现象，本文的研究结果对于固定床
CLC 燃烧器研究和开发具有一定的指导意义。
关键词：化学链燃烧 固定床燃烧器 二维拟均相传热 大颗粒 负
载型 Cu 基颗粒
ABSTRACT
Chemical looping combustion (CLC) is a new clean combustion technology. Heat
transfer in the chemical-looping combustors is one of the important research directions
in the field. This thesis is aimed to analyze experimentally the complicated heat transfer
process in the packed bed combustor filled with large oxygen carrier particles. The
investigation is focused on the transient heat transfer and the peculiar radial
heterogeneity. The study on fixed bed reactor based CLC is still at the initial stage, and
therefore are research in the field either experimental or theoretical, is very limited. The
present work includes mainly two parts: (1) improving the experimental set-up; (2)
investigating the transient heat transfer process in the combustor.
The improving of the existing experimental set-up is essential to perform
thoroughly the planned study on packed bed chemical-looping combustion. Three
existing aspects of the set-up need to be improved. Firstly, the preheat temperature in
the pipe segment is not sufficient; Secondly, pipe insulation is not good enough; Thirdly,
test section was preheated with inflow gas that takes too long time. Two additional sets
of heating device have been designed and installed, one for increasing the preheat
temperature, and another for better insulation. The new heating devices have the high
heating power and high heat-resistant temperature. With the improvements the above
mentioned shortcomings have been finally avoided.
The present work focuses on experimental investigation on the heat transfer
process of chemical looping combustion, which contains the transient heat transfer and
the temperature distribution at the axial direction and radial direction. The CLC packed
beds are usually with small tube-to-particle ratio. According to the previous work, the
flow distribution appears obviously inhomogeneous and wall effect exists in packed
beds under the circumstance of the tube diameter/particle diameter smaller than 10,
which causes the more than 40% of the flow rate through area near the wall. The
distribution inhomogeneity in the beds has strong effects on heat transfer. In the present
work, the tube-to-particle diameter ratio is 8.3, in which flow and heat transfer
inhomogeneity is certainly expected. Research on the heat transfer of the packed bed
combustor filled with Cu-based oxygen carrier (supported with porous Al2O3 particles)
is conducted based on the improved experimental set-up. The study reveals that a great
amount of heat generates in both the oxidation reaction and reduction reaction, but it is
more intense in the oxidation reaction; Heat superposition phenomenon caused by the
reaction and heat transfer appears in axial direction; The front end of the temperature
rise is large goes forward quickly at the axial line, but temperature rise at the walls is
much smaller than inside; It is also found that very obvious radial temperature gradient
exists. Considering the nearly heat insulated wall, the large temperature gradient should
be caused by the flow distribution inhomogeneity and the relevant non-uniform
gas-solid chemical reaction. In addition, Effects of different inlet flow rates and
different void fraction on the heat transfer process have also been investigated. The
increasing inlet gas flow rate will significantly speed up the reaction front axial
movement and at the same time change the radial temperature gradient. Smaller bed
void fraction is found to determine larger temperature rise and large radial temperature
gradient. In conclusion, heat transfer phenomenon are complicated in the packed bed
chemical looping combustion reactor with large particles, and the present work reveals
some interesting insights about it that can be helpful for research and development of
packed bed CLC combustor.
Key Words: Chemical-Looping Combustion, Packed bed reactor,
Two-dimensional homogeneous, Heat transfer, Large particles,
Supported copper-based particles.
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 前 言 ............................................................................................................ 1
第二章 文献综述 ...................................................................................................... 3
2.1 引言 ................................................................................................................ 3
2.2 化学链燃烧反应器 ......................................................................................... 3
2.2.1 化学链燃烧技术原理.............................................................................. 3
2.2.2 化学链燃烧器的介绍 ............................................................................. 4
2.2.3 固定床燃烧器的流动与传热研究 .......................................................... 9
2.2.4 固定床化学链燃烧的研究现状 ............................................................ 16
2.3 载氧体的研究............................................................................................... 18
2.3.1 载氧体的制备 ....................................................................................... 18
2.3.2 载氧体的研究现状 ............................................................................... 19
2.4 本课题的研究意义和主要工作 .................................................................... 20
第三章 固定床化学链燃烧实验装置的改进与调试 .............................................. 22
3.1 固定床化学链燃烧实验装置 ....................................................................... 22
3.1.1 实验装置介绍 ....................................................................................... 22
3.1.2 实验条件及相关参数 ............................................................................ 25
3.2 外加保温层下管道热损失分析 .................................................................... 26
3.3 加热装置的设计与安装 ............................................................................... 28
3.4 实验操作流程............................................................................................... 29
3.5 管道预热过程的调试 ................................................................................... 32
3.6 本章小结 ...................................................................................................... 33
第四章 固定床化学链燃烧器内传热的实验分析 .................................................. 35
4.1 还原过程中固定床层内的非定常传热分析 ................................................ 35
4.1.1 水平管道内侧壁面处的变化过程 ........................................................ 36
4.1.2 床层轴心处各位置轴向的传热分析 .................................................... 36
4.1.3 活性段径向的传热分析 ........................................................................ 40
4.2 氧化过程中固定床层内的非定常传热分析 ................................................ 44
4.2.1 水平管道内侧壁面处的变化过程 ........................................................ 45
4.2.2 床层轴心处各位置轴向的传热分析 .................................................... 45
4.2.3 活性段径向的传热分析 ........................................................................ 49
4.2.4 小结讨论 ............................................................................................... 53
4.3 甲烷进气流量对还原反应非定常传热的影响............................................. 53
4.3.1 活性段轴心处轴向传热分析 ................................................................ 54
4.3.2 甲烷流量对活性段反应前锋和热前锋移动过程的影响 ...................... 55
4.3.3 甲烷流量对径向温升分布的影响 ........................................................ 57
4.4 空气进气流量对氧化反应非定常传热的影响............................................. 58
4.4.1 活性段轴心处轴向传热分析 ................................................................ 59
4.4.2 空气流量对活性段反应前锋和热量前锋移动过程的影响 .................. 60
4.4.3 空气流量对径向温升分布的影响 ........................................................ 62
4.4.4 小结讨论 ............................................................................................... 63
4.5 床层空隙率对固定床 CLC 反应过程中温升的影响 ................................... 63
4.5.1 空隙率对轴心处反应过程中温升的影响 ............................................. 64
4.5.2 空隙率对活性段径向温升的影响 ........................................................ 66
4.5.3 小结讨论 ............................................................................................... 67
4.6 本章总结 ...................................................................................................... 67
第五章 结论与展望 ................................................................................................ 69
5.1 结论 .............................................................................................................. 69
5.2 不足与展望 .................................................................................................. 70
符号表........................................................................................................................ 71
参考文献 .................................................................................................................... 73
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 .............................................. 79
致 谢........................................................................................................................ 80
第一章 前言
1
第一章 前 言
随着全球工业化程度不断提升和人们生活水平的日益提高，化石燃料（石油、
传统燃煤、天然气等）的过度消耗，导致大量温室气体 CO2的产生与排放，进而
造成严重的地球温室效应，全球气候越来越异常，给人类经济与社会的发展带来
巨大的损失。目前，“低碳经济”已经成为一个全球广泛关注的话题，其以低能耗、
低污染、低排放为理念，传统的化石燃料燃烧过程都会产生含有CO2的废气，而
从废气中分离CO2需要一系列困难的后序过程。采用物理、化学吸收或吸附脱除
CO2等工艺过程在化工行业内已较为成熟，但其能耗较大，不 利 于 “ 低 碳经济”和可
持续发展。
化学链燃烧(Chemical-Looping Combustion，CLC)作为一种低能耗、低排放的
技术，备受国内外学者广泛关注，它具有以下特点：（1）高燃烧效率；（2）无NOX
污染物的排放；（3）容易实现 CO2内分离。实际早在1950s，CLC 工艺就已应用
于饮料行业来制造 CO2。到目前为止，对于化学链燃烧理论分析和实验验证已有
了相当成熟的研究，大多是基于流化床反应器进行的实验研究，固定床燃烧器作
为一种普通的化学反应器已普遍应用于化工、环境、及能源等领域，较之流化床，
固定床反应器具有很多优点，但国内外对固定床化学链燃烧器的研究还处在基础
阶段。Noorman 等在2007 年提出了固定床燃烧器的概念；2010 年完成了固定床燃
烧器的实验验证[6]，并对化学链循环中基于一维假定下的传热过程进行了详细分
析；继而在2011 年提出了固定床化学链燃烧的颗粒理论模型和反应器模型[7,8]。
本课题是对基于大颗粒固定床的 CLC 燃烧器的传热过程进行实验研究。重点
是大颗粒床层内的非定常传热过程。化学反应过程中常常伴随着热量的变化，对
于放热过程的化学反应，一部分热量被反应后的气体沿管道轴向带走，一部分热
量则沿径向由管道壁面散失，在管道保温措施非常完善的情况下，反应过程中所
放出的热量就会导致床层内段时间内温度大幅度升高，而且对于固定床反应器，
存在的一个问题就是要考虑固体颗粒堆积的床层导热性能，以及颗粒形状、颗粒
成分、颗粒与管壁之间的空隙等因素都会影响反应过程中的传热，因此床层内会
存在十分复杂的流体绕流和温度分布，不仅床层内轴向上温度分布存在显著不均
匀性，而且径向上也会存在非常明显的温度梯度。目前对于固定床燃烧器内复杂
流动与传热过程主要有以下几种分析方法：
（1）建立数学模型方法研究与设计固定床燃烧器，采用拟均相一维、二维假
设或者采用非均相假设；
（2）计算流体力学（CFD）模拟的方法，也是当前研究反应器内化学反应、
流动、传热、传质的核心技术；
大颗粒固定床化学链燃烧器内传热过程的实验研究
2
（3）实验的方法，设计固定床燃烧器进行实验分析。
本课题采用实验的方法，基于已有的固定床反应器进行的化学链燃烧实验，
在固定床反应段管壁及内侧布置了大量的热电偶，在实验过程中可以实时测定管
道内温度。另外也对该实验装置进行了再设计和改进，温升过程和保温效果得到
明显改善，进行多次化学链燃烧循环实验，分析非定常过程中的传热规律，总结
进气参数及颗粒参数对传热的影响，为以后固定床化学链燃烧器的进一步研究提
供可靠的理论参考和实验数据。
第二章 文献综述
3
第二章 文献综述
2.1 引言
进入二十一世纪以来，全球工业迅猛发展，但随之造成了大量温室气体的排
放，该温室气体已成为影响人类生存的元凶之一。因此二氧化碳减排与回收成为
当今环境问题研究的热点。然而常规的能源利用方式仍然主要依赖于传统的化学
燃料直接燃烧的方式，这样造成了大量的能源和经济损失。
目前在分离和回收二氧化碳的过程中，传统的能源动力系统有很高的技术要
求：化石燃料在燃烧过程中会放出大量的CO2，由于氮气等物质的影响，燃料燃
烧生成的产物会降低CO2浓度，同时在CO2分离和回收的过程中也会带来大量额
外能量消耗，这就会降低能源系统的效率。而且，之前先污染、后治理以及先能
源过程、后环境过程的思路导致消耗更多能源和产生更多污染物。
化学链燃烧（Chemical-looping Combustion，CLC）作为一种新型的燃烧方式，
具有高燃烧效率、内分离二氧化碳、氮氧化物低排放等特点。该新型方式由于具
有很好的环保和经济效益而备受广泛关注，因此国内外许多学者对化学链燃烧进
行了大量的研究。
2.2 化学链燃烧反应器
化学链燃烧技术打破了传统的火焰燃烧的技术瓶颈，提出了回收CO2的新方
法，同时避免了燃料型和热力型化学变化所产生的NOx 的氧化物，深受国内外业
内专家和学者的高度评价。化学链发展的一个重点研究方向就是对化学链燃烧器
的研究，目前应用的化学链燃烧器有：流化床、串行流化床、固定床、流化床—
固定床耦合反应器等，而近十几年来主要是基于流化床的研究。
2.2.1 化学链燃烧技术原理
德国科学家Richter 等在1983 年通过大量的科学研究首次提出化学链燃烧的
概念，其主要目的是为了减少气体燃料在热电厂中燃烧过程中所产生的热力学熵
变，化学链燃烧技术能够在很大程度上提高能源利用率。在 1990 年以后，国内外
的专家和学者已经把化学链燃烧作为一种新型工艺过程进行研究，从而实现了对
NOx 控制和CO2气体的捕捉。其基本原理是通过氧载体的作用，实现了将燃料的
燃烧分解成两个气固化学反应，达到了燃料不与空气直接接触，而又能将空气中
的氧传递到燃料中的过程。
传统的气相燃烧反应过程为：
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(2-1)
摘要：
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摘要化学链燃烧技术(ChemicalLoopingCombustion,CLC)是一种新型的清洁燃烧技术，有关化学链燃烧器传热过程的研究是一个重要研究方向，本课题采用实验方法分析固定床化学链燃烧器内复杂的传热过程，研究的重点是化学链燃烧过程的非定常特性和大颗粒固定床传热所特有的径向不均匀性。目前有关固定床燃烧器的研究仍处在初期探索阶段，缺乏准确的实验数据，因此该课题具有很大的研究价值。本文的主要工作包括两个方面，现有实验装置的改进和固定床化学链燃烧器内非定常传热现象的实验分析。对现有实验装置进行改进是本课题化学链燃烧传热研究的基础。已有的实验装置存在三方面的不足，一是管段最高预热温度低；二是管...
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作者：赵德峰
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时间：2024-11-11
