个人答辩陈述在线视频

好 我先代表这个

（学委风）

委员会宣布一下

我们的孙宏明同学

前期论文答辩申请

和答辩委员会组成情况

那么经过分委员会的审查

同意孙宏明同学

学位论文答辩申请

并组成以下的这个

答辩委员会

那么主席由（杨强）

清华大学来担任

那我们有4位委员

有中国华能集团

清洁能源技术研究院的

徐智深高级工程师

有这个东南大学的

（沈南洪）教授

有清华大学的

（张莘莘）教授

和清华大学的

杨海瑞教授

我们五位委员组成这个

答辩委员会

秘书由清华大学的

（朱建昆）

助理研究员担任

那么下面的话

我们答辩正式开始

首先请（朱建昆）秘书

介绍一下孙宏明同学的

这个简历和学习情况

好 后面介绍一下

孙宏明的简历

孙宏明 男

1989年生

2011年7月于清华大学

热能工程系获得

工学学士学位

2011年9月至今

在清华大学热能工程系

动力工程及工程热物理专业

攻读博士学位

导师为李振山副研究员

攻读博士学位期间

主要课程及成绩如下

中国马克思主义与当代96分

燃烧过程的数式方法95分

资格考试80分

文献综述与选题报告93分

高等数值分析90分

燃烧学（二）87分

高等论文学85分

燃烧污染形成与控制原理

89分

火焰与气体燃烧93分

洁净煤发电技术92分

曾与2015年获得国家奖学金

孙宏明同学共综述5本

博士学位论文进行评审

其中三份匿名

两份公开

共返回5份评审意见

五位专家均认为该论文

已经达到博士学位论文水平

同意申请答辩

经学位评定委员会

对孙宏明同学申请答辩和

答辩委员会的审查

同意该同学进行答辩

这是孙宏明的情况介绍

行咱们下面就请

孙宏明介绍一下

这个论文的主要内容

时间控制在45分钟之内

各位老师大家好

我叫孙宏明

下面是我的博士学位

论文答辩

我答辩的题目是

以煤为燃料的化学链燃烧

串行流化床反应器研究

我的指导老师是李振山

副研究员

今天的内容将会包括

以下几个部分

首先是引言部分

我的工作的背景是

以煤为燃料的化学链燃烧

化学链燃烧它一般是

以由两个反应器构成

一个空气反应器

还有一个燃料反应器

在两个反应器之间的话

是载氧体在之间循环

这种载氧体一般是一种

金属氧化物的形式

在空气反应器之中

载氧体被空气反应器氧化

然后氧化之后接受氧化物

进入到燃料反应器之中

接受氧化物然后被

燃料反应器中的

燃料还原将煤

作为化学类燃烧的燃料

将煤切入到燃料反应器之中

煤首先进行的化学反应

是热解和气化

生成的挥发分

然后焦炭

然后碳再被汽化器反应

生成合成气

这样的挥发分跟合成器

然后在于氧化物的金属

氧化物反应

然后在燃料反应器的出口

将会得到高溶度的

二氧化碳以及水蒸气

将水蒸气冷凝之后

即将会得到高浓度的

二氧化碳

对这个过程而言的话

因为煤的热解和气化

它是一个吸热的反应

它的热量来自是空气反应

之中的热量

它需要有载氧体携带至

燃料反应器之中

因此它需要一个在

燃料反应器之中

煤颗粒和载氧体颗粒

达到一个比较好的

一个混合的状态

但是在进入空气反应器

之前的话是不希望碳

进入到空气反应器之中

这样的话炭就不会在

空气反应器出口

甚至二氧化碳不会被这个

氮气所进行稀释

这样的话整个这个过程

二氧化碳就全部集中在

燃料反应器出口排放

因此这个过程它本身

就有一个二氧化碳

内分离的一个特性

还是这一个电能耗的

二氧化碳内分离的

一个新型的燃烧方式

对于这样的一个

系统而言的话

它现在的研究方向

主要是分为三块

一块儿的话是直接针对

这个循环的材料

载氧体针对

它的一个反应活性

包括器械强度以及它的

循环稳定性之类的研究

另外的话

就是针对这两个反应器

空气反应器以及燃料反应器

针对这个反应器的研究

另外就是将之

组合成一个整体

然后进行一个系统

以及这个系统与上下游

整体的一个设计的一个联系

化学类燃烧它是从1954年

由Lewis等人首先

提出来的一个专利

用与生产纯净的二氧化碳

到1994年的话Ishida

和金红光首次将

化学类燃烧提出用于

二氧化碳的捕集

到2001年的话

Lyngfelt等设计出气体燃料

应用于化学类燃烧的一个

串行流化床的反应气装置

到现在的话

由于固体燃料依然在

一次能源利用中

占有较大比例

它是一个现在最大的

二氧化碳单点发放源

因此研究固体燃料

因为化学燃料是

现在的一个主流

然后的话

将它的一个形式主要是

固体燃料的一个内气化

就是描述的就是

将固体燃料直接

加入燃料反应器之中气化

然后热解气化

然后与载氧体进行反应

然后的内气化

它是固体燃料化学类

燃烧的一个主流的方式

而我主要是针对其中的

一个反应器进行研究

总结

以固体燃料化学类燃烧

它的一个反应器的形式

我们可以看到是

主要是10千瓦以上的

反应器的形式

我们可以看下以下几个特点

首先针对

空气反应器而言的话

基本上都是选择的是快速床

这样一个比较确定的

床型形式

但是针对与燃料反应器的话

它的形式是从移动床

到鼓泡床再到喷动床

甚至有双鼓泡床

快速床等不同样的形式

这样的对于

燃料反应器的形式

其实没有得到

一个比较好的确定

然后的话在近几年

包括从50千瓦的这个

CSIC他们这个反应器

到查尔姆斯

再到达姆斯达特

这样的一个反应器之中

均加入了

就在空气反应器

和燃料反应器之间加入了

碳分离器这样一个装置

这个装置的话

它目前的一个设计

包括它目前的一个性能

并没有得到一个

比较好的一个研究

这两者的话

因此就是空气反应器

现在基本上它的形式是

比较确定的

但是对于燃料反应器

空气反应器还有

这个碳分离器的话

还需要进一步研究

这主要是因为

其中的话这个背后

存在着两个比较

关键的一个科学问题

第一个的话

就是在燃料反应器之中

燃料反应器之中

就是刚刚所说

它首先经历的过程是

煤然后产生的一个焦炭

然后还有挥发分

由于产生挥发分的

热解过程比较快

但是焦炭随之的这个

气化过程是一个

比较慢的过程

它所需要的停留时间

大概10分钟到20分钟

所有的一个量级

但是对于这个它之后产生的

一个气化的合成器

与载氧体反应的话

它所需要的时间是比较

停留的时间是比较短的

大概是10秒到20秒

最多比如说几十秒的

一个量级

但是的话

为了他们之间传热

以及反应能够比较充分

快速进行的话

又需要载氧体与碳

在燃料反应器之中

能够达到比较好的混合

而我们另外一点的话

就是在

进入空气反应器之间

又希望这个碳比如说

被完全消耗掉

因此就有两个思路

来实现这样一个

看似矛盾的这样一个问题

第一个的话就是使用

一个非常大的大尺寸的

燃料反应器

这样的话保证碳颗粒

在燃料反应器中充分的

一个停留时间

这样的话在

进入空气反应器之前

碳的话都能够被完全消耗掉

另外一个思路的话

就是还是使用一个正常

小尺寸的一个燃料反应器

颗粒在里面停留的时间

不够焦炭完全气化的时间

因此就是说如果进入到

空气反应器之中的话

焦炭就会进入到

空气反应器之中燃烧

因此的话

在空气反应器

与燃料反应器

之间就会加一个碳分离器

这个碳分离器就是利用

焦炭它与载氧体之间

不同的性质

然后将焦炭从载氧体之中

分离并返回

至燃料反应器之中

这样的话就是焦炭的话

就是相当于在碳分离器

和燃料反应器之中

经过几个循环

增加了焦炭

在里面的一个停留时间

碳分离器它是整个化学链

燃烧这个系统中的

一个关键的反应器

它最主要的目的是为了

避免碳颗粒进入到

空气反应器中燃烧

这样的话有三点的好处

首先的话它是实现

CLC也就是化学链燃烧

它的一个最根本的

也就是它的优势就是

二氧化碳的内分离

如果碳进入到空气

反应之中的话

就会在这边的

甚至二氧化碳

就会被这边的氮气进行稀释

另外的话由于

燃料反应器之中

它所设的硫化气量

排放的烟气

大约只为空气反应器的

八分之一到二十分之一

因此的话

如果将燃煤

所产生的污染物

全部在燃料反应器中释放

这样的话也有利于下游的

污染物的补集控制

另外的话这个碳分离器

能够把煤灰也进一步

返回到这个燃料反应器之中

提高煤灰在燃料反应器

之中的一个浓度

这样的话

在燃料反应器之中

实现一个排灰

将会降低CLC它整体的成本

但是针对于

这样一个关键的部件

碳分离器

它目前的研究的话

从查尔姆斯

再到达姆斯达特

然后再到西班牙的

他们的一个研究

他们主要有以下几个特点

首先这些都是在热态

下面进行的一个研究

然后他们里面

操作气速的话

可以看到是在

0.2到0.5米之间

操作的气速的研究范围

相对是较窄的

然后为了他们是判断

这个碳分离器

它的一个分离的特性

它在整个系统中所

起的作用的时候

用的表征手段是

二氧化碳

在整个系统的

一个整体的捕集效率

但是这样的一个表征手段

它易于受到整体系统

其他运行一些参数的影响

包括像燃料反应器

它反应的温度

以及包括整体的系统

它的一个循环量

包括受到这些东西的影响

另外的话将碳分离器

安装于整个系统之中

它必定会带来一定能耗

因为至少

它需要一定的硫化风

然后它还会增加

整体系统的一个复杂程度

针对这一部分的分析的话

目前的研究也是没有的

因此针对碳分离器的话

我们想是要固定物料的性质

然后在更大的

操作的气速的范围内

对碳分离器它的

一个分离特性进行一个

更加定量一点的研究

另外的话针对燃料反应器

它的形式也没有固定的话

我们想它存在是

这样一个问题

这边的话是一个硫化床

增加其中的一个操作气速

他的流行会逐渐的从

最小硫化再到鼓泡床

然后再到经流湍动床

快速流态化最后到达

气力输送

固体颗粒它在整个

床层中的一个体积份额

以及高度方向的分布

是这样的一个图显示

我们一般加煤的话

在整个反应器的

一个中下部进行加煤

加煤之后

然后产生的一部分

挥发分跟（荷蒸汽）

向反应器的上方进行运动

然后与上方的颗粒反应

但是的话对于比如说

最小流化故床

以及湍动床的话

它上方整个这个

面向这个上方

存在的载氧体的颗粒

体积份额较少

（气侯）

之间不能达到有效的接触

但是对于快速床而言的话

上部的话存在的颗粒

体积份额确实较大

但是它里面的操作气速

是比较快

操作气速比较高

整个气体停留时间比较短

这就造成了

在燃料反应器的出口

在燃料反应器的出口存在

大概有0到10%的

一氧化碳和氢气

这也就是未燃尽

气体的一个问题

针对与这个问题的话

目前解决的思路主要是

实现一种两区域的一种

燃料反应器

像这个燃料反应器

有区域一和区域二

在区域一和区域二

之间都有载氧体

然后煤从中间加入

从中间加入

然后在这个地方

产生的挥发分合成气

进入上面一个反应区域

在上面这个反应区域里面

挥发分合成也能够

被氧化成二氧化碳

和水蒸气

在这个思路上面

比较有代表性的是

汉堡大学和俄亥俄大学

对汉堡大学的话

它这个区域一和区域二

它都设计的是鼓泡床

是一个双层的鼓泡床结构

这个燃料反应器

而对于俄亥俄大学的话

它设计的是一个

整体的移动床

煤的话是从移动床的

中部进行加入

但是增加这一端

新增这一端的

一个反应区域

会增加系统的

整体的一个复杂度

以及能耗

对燃料反应器而言

我们想提高其中燃料的

利用效率

然后主要是要转化这个

出口的未燃尽气体

因此设计目的就是要设计

一个新型的低能耗的

还是借鉴这样一个思路

就是两区域的

一个燃料反应器

因此的话我们总结

已有的这些研究

我们制订的研究路线

以及研究的内容

如这幅图所示

首先我们针对

以煤为燃料的化学类燃烧

它所本身所具有的一些特点

进行串行流化床反应器

的一个初步的设计

然后针对这个系统中

存在的一个关键问题

一个是实现一个碳分离器

还有一个实现

一个电能耗的两驱的

燃料反应器

制订两个分别的研究对象

一个是针对碳分离器

这样的一个

研究对象进行研究

另外的话

就是我们提出一个

下行床耦合鼓泡床的

燃料反应器

针对这样一个对象

进行研究分别验证他们俩

就是碳分离器

以及这样一个新型的

燃料反应器

它的一个可行性

以及是否达到我目标的

这样一个有效性

然后最后再加上这两者

整合到这个整体的

系统之中去

然后在这整体系统中

再考察这两部分

它的一个可行性有效性

最后相当于是完成

整体系统设计的一个验证

下面我们首先进行的是

针对这个整体系统的

一个设计以及实验

这个整体的系统的话

它的过程设计主要是

考虑以下三个方面

一个是其中的一个

热量平衡 一个是质量平衡

以及流态化的状态

我们就如所述

这个燃料反应器

它基本上是一个吸热的

主要因为煤的

一个热解气化都是需热的

它的热量来自于

载氧体的显热

从空气反应中来

这边是它的热量平衡

对于质量的话因为

是载氧体需要将氧

从空气反应器之中

运输到燃料反应器之中去

另外考虑到不同的像

空气反应器

以及燃料反应器中

需要的一个流态化的

一个状态 进行整个

反应器的设计

这个反应器

主要是由三部分构成

空气反应器燃料反应器

以及在这两者之间

碳分离器

碳分离器的目的就是将

从燃料反应器过来的

混合物中的碳颗粒

返回至燃料反应器之中去

然后在这三个

反应器之间的话

需要分离器以及

返料阀进行连接

然后返料阀二的话

这是一个关键的返料阀

因为就是由它来控制

从燃料反应器到达

碳分离器的一个循环量

然后它的测量的话

也是可以在这个地方进行

就是这个循环量的

测量也是可以

在这一块进行

然后根据这个设计的话

以及反应器的尺寸

我们设计了这样一个

系统的一个设计构型

这个的话是第一开始

初步的一个碳分离器的设计

然后混合物料从这边进入

然后其中负级的轻质颗粒

就是模拟的焦炭颗粒

它就从这个口

返回至燃料反应器

就是这个口返回至

燃料反应器

那这边的话

是负级的这个钛铁矿

它主要的这个重质颗粒

进入到空气反应器之中

进行燃烧

然后这边的话是

整个一个冷态系统的三维图

然后搭建了这样一个

冷态的实验系统进行实验

针对这个系统的话

我们里面最重要的是判断

这个碳分离器

它初步的分离能力

而对于这个如何评价

它的一个分离能力的话

我们最重要的是

测量得到一个混合物当中

其中轻质颗粒的一个浓度

之前的话

我们也选用了

一些传统的方式

包括磁选浮选以及风选

但是在尝试了之后

这些的话它的

可重复性并不是很高

而且相对而言

过程较为复杂

最后我们是

采用了一个灼烧法

意思是使用钛铁矿的话

是研究模拟的是载氧体

然后塑料微珠

它的一个大概密度是在960

然后模拟的是轻质颗粒

也就是焦炭它的一个行为

然后的话我们

取得一部分混合物的样品

让它在800度下面进行灼烧

然后因为塑料微珠

它的失重是大家100%

而钛铁矿的话是0到3%

在之前进行标定之后

然后通过它的失重

我们就可以判断出一段

混合物中

它这种轻质颗粒的浓度

然后对于碳分离器而言

它的一个一个分离能力

我们是这样评价的

首先是使用钛铁矿

和塑料微珠

它的一个混合物进入到

这个碳分离器之中

然后分为两股

一股的话就是负极的

塑料微珠

其中还有少许的钛铁矿

这部分的话是返回

到燃料反应器

然后另外一部分是

经过纯净后的钛铁矿

然后它其中还含有部分的

塑料微珠

然后这部分的话

是进入空气反应器中

然后定义两个指标

分离比例分离能力

首先的话我们是能够测得

这个是进口是循环量

然后以及它出口的返回

燃料反应器的循环量

然后再通过这种就是

灼烧的方法

得到其中的一个浓度

就是进口的浓度

然后进口的两个浓度的话

就可以用分离比例的话

是可以定义为

返回到燃料反应器的

整体的混合物

占进口混合物的质量

然后分离的效率

就是返回到

燃料反应器的塑料微珠

它的一个颗粒的质量

占整体进口的质量

我们最好的希望是

这个在分离比例

一定的情况下

分离的效率

也就是返回到燃料反应器

的轻质颗粒越多越好

针对这个反应器系统的话

它的一个系统的

一个稳定运行

是后续实验的基础

从系统的关键部位

就是燃料反应器然后

空气反应器

以及碳分离器的压差的话

我们看到系统能够进行

长时间的稳定运行

这边大概是5个小时

我就截取了这么一段

然后的话它这边的压差

和床存量在短时间内

其实是具有一个自稳定的

一个特性

然后返料阀的话

也能够实现回路

密封的目的 同时返料阀二

我刚刚提到一个

比较关键的返料阀二

它能够比较好的控制

就是由燃料反应器进入

到碳分离器的

一个混合物的质量

质量流量

而碳分离器返回至

燃料反应器的

这个质量流量的话

是可以通过碳分离

它内部的一个气速

能够得到控制

下面的话

我们就对这个

碳分离器它的分离能力

进行一个分析

我们研究的操作变量的话

主要是两个

一个就是碳分离器

它本身的一个操作气速

VCS另外的话

就是这边用来表示

就回料阀二它的

硫化气速主要是

控制整体系统的

一个循环量

对于碳分离器

它本身的操作气速越的话

它里面的气体

携带能力就越大

液率越大

会导致这个分离的效率

会逐渐的上升

从一开始几乎接近零到50%

这边的话是做的重复点的

实验取的一个平均值

另外的话对于

回料阀二的话

它其中气速越高

相当于是整体的

物料循环量越大

物料循环量越大的话

就是在碳分离器中

混合颗粒待的时间越短

会导致这个分离的

效率会降低 会降低

分离的范围的话

是在零到60%之间

增加气速的话

我们从这个趋势能看到

增加气速的话

也许能够进一步提高

这个就是它的

一个分离的效率

我们对此再做另外一个

就是停留时间方面的分析

也就是说

我们可以看到碳分离器

和燃料反应器都是

使用二氧化碳

作为它的一个

硫化气在这个其中

它是一个二氧化碳的气氛

但是在空气反应器中

它是氧化的气氛

焦炭的话将焦炭

从碳分离器

返回至燃料反应器中

其实是避免焦炭进入到

就是空气的气氛

而一直停留在

二氧化碳的气氛之中

增加焦炭它在整个

二氧化碳气氛中的

一个停留时间

但是这个停留时间

它的增加其实是

由两部分构成的

第一部分是因为

即使我分离器没有

这个分离能力

因为这个碳分离器

它本身也具有一定的床存量

它就能提高这个焦炭颗粒

在二氧化碳中的

一个停留时间

这个是用λ1来表示

就是表示碳分离器

它床存量造成的一个

停留时间的增加

另外的话由于

它本身的一个分离能力

它也能造成焦炭的一个

在二氧化碳气氛中的

一个停留时间的增加

这是用λ 2来表示

我们研究就是λ 1和λ 2

这两种因素

究竟是哪种是更具有一个

是主导的因素

更是一个主导的因素

我们也看到就是碳分离器

它的气速VCS

从0.15一直变化到0.4

0.4米每秒

在0.35米每秒之前的时候

可以看到λ 1一直是黑线

它一直其实是高于λ 2

意思是说这个碳分离器

它本身这个床存量

贡献的一个停留时间

更超过它的一个分离能力

贡献的一个停留时间

也就是说这个碳分离器

在目前的这种运动状态下

更像是一个增大了一点的

燃料反应器

共同构成的

一个燃料反应器

它的一个分离能力

相对于而言的话

是比较弱一点

我们对此进行了一个总结

首先的话

整体的一个系统

它是能够长时间的稳定运行

循环量的话控制也比较灵活

另外的话

对于湍流床的

它的一个碳分离器

它的分离效果

并不是特别理想

我们下面进行的是一个

单体的碳分离器的研究

在这个单体碳分离器里面

我们更能够比较好的控制

比如说进口流量

控制包括颗粒的组成

以及控制这个反应器

就是分离器本身的

一个形式

我们分析这个就是说

湍流床它为什么它的

分离效果并不佳呢

在之前的话也有（尼尔）

等人做出的一个研究结果

他们使用M来表示

这个混合的一个程度

M表示混合程度

从鼓泡床到腾涌床

再到一个湍流床的话

随着气速的增大

它流态化会逐渐从分层

转化为完全的一个混合

在这一变化过程中

这个M是呈这样的一个形式

因此也就部分解释了

就是说在密相的

一个区域当中

这个颗粒之间的作用

比较大

气泡它固然是

颗粒分离的一个原因

它也是颗粒混合的

一个原因

因此我们就是将这个

密相分离要转变

为一个稀相的分离

下面进行的就是

单体碳分离器的研究

但是单体碳分离器里面

我们基本上就是考虑一个

稀相的一个分离

首先设计的是一个

水平的碳分离器的

一个系统

它为了实现这样一个

稀相主要是想在这一块的话

实际上是

是5%的轻质颗粒

浓度的混合颗粒

然后经过一段

它这一块是稍微

做的比较薄一点减少颗粒

它颗粒最后小落在这个地方

形成一个面

减少颗粒之间的作用

然后经过一个加速区

将颗粒进行加速

轻质的颗粒

落在储料桶1之中

然后重质的颗粒

进入到储料桶2之中

然后在这个期间的话

就中间放一个分离的隔板

我们主要研究的是

不同的操作变量

主要是指气速

然后结构变量

分离板的这个

就是放置的位置

以及不同的布风器的类型

对于整个分离结构的影响

还是采用灼烧法来判断

储料桶1以及储料桶2

中间轻质颗粒的

一个浓度然后来得到

整体的一个分离的效果

在这一点的话

我只列出一个就是操作气速

对于分离特性它的影响

可以看到水平的进风量

主要是由水平的进风量

对于整个分离比例

和分离效率的影响

可以看到是其他

它的影响是非常

几乎是比较线性

影响必须显著

但是分离比例而言的话

它是在10%到70%之间变化

而这个分离效率的话

它本身也是在15%

大概在70%之间变化

这就说明其实分离回去

比如说70%的这个混合物

里面含有70%的轻质颗粒

只能说明这个分离回去的

浓缩的轻质颗粒

其负极的轻质颗粒的浓度

是比较低的

在实验中我们可以测的

它的一个负极的

轻质颗粒浓度大概只有7%

这相对于我就是原始的

加入这个储料桶1中的

轻质颗粒

它的浓度5%是非常接近的

表示它的富集效果

也是非常差

我们对此来做这样一个分析

就是说轻重颗粒

它在水平方向分离的

一个距离

当然这个分离的距离

如果越大的话

就是越易于我分离的

对于这个分离的距离

用X的话

这个X它是经过一定的推导

它是等于一个A×T加速

就是等于颗粒

在区域内的一个停留时间

对于塑料珠的话

它大概是等于

一个3.6×一个T的加速时间

然后对于钛铁矿

等于0.7×一个加速时间

在我们目前的实验当中

它这个加速时间

大概是等于0.018秒

这就导致即使

在考虑理想情况下

不考虑他们俩颗粒

之间的一个互相碰撞

阻碍的作用

轻重颗粒在水平方向的

分离距离也只有5厘米

这样的5厘米是非常

不利于我就是两种颗粒的

一个分离

为了就是增加

这个水平方向分开的

一个距离的话

就是轻重颗粒

他们分开的一个距离

一个比较好

一个比较直接的想法

就是直接提高

这个加速区的

一个停留时间

一个比较直接的想法

就是把这个加速区

做的非常大

但是这样消耗的

气量也是非常大

这是比较不考虑

经济性的做法

另外的话

就是我利用气体

和液体时整个一个分离

发生在不在水平方向

而是发生在垂直方向

发生分离的这个方向的

气体的速度是由下往上

这样在整个提升管区域

就设计一个提升管的

碳分离器

在提升管的

区域整体的一个方向上面

它真实一个分离

发生的一个场所

因此在对于这样

一个提升管的话

它的一个停留时间

大概是能达到1秒的量级

1秒到比如3秒这样

一个量级

这样的话它轻重颗粒

它分离的一个距离的话

就能被明显的拉大

因此我们设计的是

这样一个提升管的碳分离器

还是使用5%的

轻质颗粒作为进料

然后重质的颗粒从下面出

然后轻质的颗粒从上面出

我们会看到

一个结果就是轻质颗粒

就是轻质颗粒的浓度

沿着高度方向分布

随着高度方向

就是从零往上

然后轻质颗粒的话

它的浓度是越往上

是越高的

在最上方的话甚至达到70%

而在最下方的时候

接近于零

也就是说这个下方

只有钛铁矿进入到

这边是进入到空气反应器

而轻质颗粒已经

它的浓度沿高度方向

升高的话

轻质颗粒集中在

反应器上部

是整个这个提升管碳分离器

它工作的整个基本原理

我们再从上面的储料桶当中

和下面的储料桶当中

进行取料

看其中的

一个轻质颗粒的

一个浓度看具体的

就是我们可以看针对

这个12千克每平方每秒的

这个入料的速率来说

它对于提升管风速越大的话

会导致这个上方的

这个储料桶

就是顶部

这个虚线是

表示顶部塑料微珠的

浓度会不断的降低

但是是在10%到70%之间

相对于它原始的

进料是5%的这个浓度的话

大概是负极的2倍到14倍

而对于底部的话

当超过2.25米每秒的时候

这样的气速的时候

它底部的话几乎是没有了

这个轻质的颗粒

我们下面考虑的是

提升管的风控

以及进口的

就是混合颗粒的进口速率

对于分离比例以及

分离效率的影响

提升管的风速它的增加

会导致分离比例

和分离效率都会一直向上升

但是它需要处理的颗粒越多

就是从这个黑线到蓝线

黑线越多的话

它的分离到最后

所产生的分离效率

从100%会降到

接近88%再到接近60%会降低

因此的话我们这边给出这个

风速的一个推荐值

大概是2.25米每秒

然后混合颗粒的一个

进料速率小于

23.7千克平方米每秒

这个时候的话它分离20%的

混合颗粒回到燃料反应器

其中还有85%的轻质颗粒

对于按照碳分离器

进入整个系统之中的话

它会带来一定的能耗

最简单的就是

它会消耗一部分的硫化气

而我增大燃料反应器的话

它也会消耗额外的

一部分硫化气

因此对这两种方案

进行对比

他们的经济性

进行对比的一个分析

这里主要是

考虑一个硫化气的一个消耗

这个定一个φ CS和φ FR

φ CS的话φ 的话是

表示一个经济性的

一个指标

φ 的话越大

这个经济性越好

我们可以看到是

就是这个紫色的线

表示增大燃料反应器

它的一个能耗比是在3080

但是当我的碳分离器

它的分离进口的混合物的

速率小于23.7千克每平方米

每秒的时候

整个我的经济性

是好于增大燃料反应器

这样一个策略的话

另外的话对于这样

一个策略的选择

也会受到燃料种类的影响

当燃料所需要的

停留时间越长

就是气化

所需要停留时间越长

大于λ的话

就是这个定义为

这个停留时间

所需要的停留时间

与载氧体还原所需要的

停留时间的一个比值

当这个比值大于4的时候

安装碳分离器是

更加一个比较经济的

一个方案

因此对这个碳分离器

进行一个小结

就是水平的碳分离器

它的富集效果相对较差

然后分离效果主要是由

分离比例

对于整体混合物的

分离比例而来贡献

而对于提升管的碳分离器

它的顶部的收集的物料

能够达到含有10%到70%的

轻质颗粒

分离比例较少

而分离效率能达到85%

而对于燃料气化

它所需要的停留时间

大于载氧体

还需要停留时间的

4倍的时候

采用碳分离器

它的经济性会更加好

针对与刚刚我们提出的

这种反应器系统中的

两个关键问题

一个是针对碳分离器

我们这边的话

基本上是确定为

提升管形式的

一个碳分离器的一个形式

对于下行床的话

对于就是燃料反应器

那边设计一个的

电能耗的一个燃料反应器

我们提出的是下行床

和耦合鼓泡床的

燃料反应器

下面的话

我们是针对这个概念

进行它的一个研究

以论证它的可行性

与有效性

进行的是实验与模型的研究

我们首先来解释一下

这个概念是什么

就是说传统的

譬如说是由一个

流行的鼓泡床实现

然后我们是想在

这个鼓泡床上方

再安放一个下行床

这样的话煤的话

还是从这两个区域之间加入

然后在这个加入上方的话

产生的是可燃性的气体

一氧化碳和氢气

然后跟这个里面的

下行床中的颗粒

进行接触反应

这个颗粒是

氧化的金属氧化物

然后生成二氧化碳和水

然后的话金属氧化物

被还原生成

还原它的金属氧化物

这样一个过程的话

这个里面比较重要的

几个因素

一个是结构一个是反映

对于结构而言的话

我这个里面下行床

它的这个循环量是多少

循环量越多的话

里面那个固体的

空间份额就会越大

另外的话就是针对下行床

它的一个物料的分布

它是完全比较理想的

均匀的分布

还是其中比较小的

一个区域

这样结果都会

有比较有大的影响

另外就是这个反应

其中的话

就是指这个载氧体

它本身反应的一个特性

也会对整体的结构

会有影响

然后我们分别是通过

冷态反应器来

通过下行床中的

这个循环量

然后热态的沉降炉

来做这个反应方面的工作

然后再将这两种工作

进行结合

来设计一个下行床的

一个二维模型

整体系统进行一个研究

首先我们搭建的

是一个冷态的下行床

反应器的系统

然后使用的是中心提升管

中心提升管

来实现一个下行床

用中心提升管将底部

鼓泡床的密相区中的颗粒

提升至反应器的上方

然后自由下落

在上方形成一个下行床

在这个里面的话

我们主要是

研究这个物体的

它的一个

就是物料的循环量

受到这个

中间提升管的一个气速

以及包括鼓泡床中的气速

以及鼓泡床中

物料堆积高度的影响

另外还有在这个区域

发生的一个串气量

这个的话是在

论文的3.2.2小节中表述

这样的话

我们是看这个循环量

它的一个测量与控制

循环量的话

它是能够通过Ur

也就是提升管中的气速

然后鼓泡区的气速

以及鼓泡床中的物料

堆积高度能够

得到比较好的控制

然后这个循环它的一个

通过提升管这种形式

它的一个循环的

速率的范围

是在2到8千克每平方米每秒

下面是针对用成像图

对这个气速的反应进行研究

使用的是水泥

担载25%的氧化铜

在上部的储料桶之中

然后与下部分10%的

一氧化碳作为燃料气

逆流的接触

然后从中间设置一个

就是

就是气体分析的一个取样口

然后在这个地方是测

一氧化碳和二氧化碳的

一个浓度以得到气体

一氧化碳在这里放的

一个转化效率

这个也是我这部分实验

主要得到的一个数据

实验数据

然后对这个下行床的

反应区域再进行一个建模

这边的话是一个控制方程

然后初始条件

以及边界条件

首先进行的是这个模型

它本身的验证

这个紫色的方块是实验点

而这个红色的

是这个计算的值

混合的还较好

然后表示这个

下行床的二维模型较为准确

然后首先研究的是

不同载氧体它的活性的影响

从氧化的钛铁矿

到活化钛铁矿

然后再到水泥担载氧化铜

它的还原速率

是在不断的增加

然后对于这个

因此的话

它的这个一氧化碳转化效率

一氧化碳转化效率

在同一个就是循环速率下面

也是就是氧化钛铁矿最低

然后是活化钛铁矿

这是氧化铜

采用3千克每平方米每秒的

（铜基）的载氧体

能够消耗约95%的

可燃性气体

而使3千克平方米每秒的

钛铁矿的载氧体的话

大概能消耗47%的

可燃性气体

这部分的可燃性气体

目前用的是一氧化碳

作为的燃料

另外的话

整体的这个系统的反应

它还受到就是不同颗粒

它的分布的影响

我们设置了

三种分布的结构

第一是一种完全理想的

混合理想的一种分布

二的话就是中心

有一个提升管

然后是中心提升管的话

不能进行反应

三的话就是传统的颗粒

完全以密相区的形式

进入到整个反应器之中

对于反应结构分布的

结构三的话

由于颗粒在很小的

区域内集中

然后气体的扩散阻力比较大

一氧化碳它的转化率

会导致比较低

而分布结构一和二的话

几乎类似

分散结构越好的话

一氧化碳它的转化率

也会导致越高

总结这部分的研究

是表示循环量

首先这个下行床

它的这个

循环量大概是

2到8千克每平方米每秒

控制灵活稳定

当下行床的

这个分散结构好的时候

载氧体活性高

一氧化碳它的转化率较高

使用下行床中

如果3千克每平方米每秒的

钛铁矿的话

那大概能消耗约47%

就是原本溢出燃料反应器

中的一个可燃性气体

如果使用的是（铜基）

的载氧体的话

大概能消耗95%

以上的一个可能性气体的

一个比例

针对之前所做的一个研究

就是碳分离器以及下行床

我们所做的

就是单独研究出来

需要下面做的

就是将这两部分的

一个反应器

然后整合到整体的

系统之中去

然后进行整体的

一个设计然后实验

在这个里面再验证

碳分离器以及燃料反应器

它的一个可行性

针对与这个下行床的话

它的整合其实相对比较容易

但是针对于

这个碳分离器的话

整个碳分离器分离效果的话

其实受到整个系统

它循环速率以及

包括系统上下的压差分布

还包括它进口形式的

一个影响

因此在这个系统之中

我最后还会对这个系统中

碳分离器它的一个分离能力

再做一个研究

首先对这个碳分离器

它这个进口进行一个优化

使用的是CFD DEM的方法

在中实现

对碳分离器的一个模拟

可以看到的是

在物料密相斜向下的

一个进料方式

容易造成在这个进口处

两种颗粒的一个碰撞

混合强烈

所以将原先的这种密相

斜向下的进料方式

改成一个用气体携带在

这个上方形成

一个稀相的向上的

一个进料方式

另外的话将

下行床整合在整体系统中

其实有两种思路

一种思路的话

就是我们刚刚做

单体实验的时候

用一个中心提升管

将鼓泡床的物料提升到

反应器上部

然后形成一个下行床

另外的话

就是使用

碳分离器中的一个气速

使用碳分离器中的气速

直接将整体系统循环的

这个物料

然后在这个上方进行分散

这样的话就不会消耗

中心的一个提升管的

一个就是这个中心提升管的

这个消耗的一个气量

消耗中心提升管的气量

另外的话它还降低了

复杂度

因为这边的话

只需要两个

这个旋风分离器

然后只需要3个U型阀

降低了系统的复杂度

但是这样带来了

一个不好的

就是它对于这个

就是它对于这个下行床

物料的循环能力

控制相当于是减弱了

但是由于它这种是不增加

新的能耗

就是在碳分离器

上面不增加新的能耗

可以咨询用这种

是作为一个实现

下行床的方式

在用这个方式的话

能够实现3千克每平方米

每秒落料的一个下行床

针对与整个系统的

一个设计方案

进行一下总结

这个整体的设计中

包括三个大类的反应器

空气反应器 燃料反应器

以及在中间的一个碳分离器

对于这个燃料反应器

而言的话

它是一个

下行床耦合鼓泡床的

一个形式

它这个下行床是

通过碳分离器

分散整个反应器

循环回去的载氧体颗粒

然后在这个上面

分散形成一个下行床

这个地方下行床的

在之前的系统设计中

它能够达到3千克

每平方米每秒的

一个落料速率

然后用钛铁矿的话

约消耗44%的可燃性气体

而用那个（铜基）

载氧体的话

大概是消耗95%以上

对于碳分离器的话

这边的话是使用了

一个提升管

作为它的基本形式

然后使用的是向上的

进口形式

推荐的风速它的

运营是1.4米每秒

然后分离比例30%

效率达到80%以上

而碳分离器这边的一个

分率效率还需要在

整体系统中

从上游从这个物料的上游

然后两个出口再进行

取样进行分析

我们可以看到碳分离器

它的一个分离特性的话

还是跟之前一样

我们研究主要是

分离器底部的气速

对整体分离比例和

分离效率的影响

分离比例大概是在10%

到50%之间

而它的效率是

从40%达到了约100%

对于这个固体的

给料速率的话

我们推荐的值

在这一块是小于100克每秒

风速是1.4米每秒

然后分离比例30%

而分离效率为80%

由此也在系统中

相对是验证了提升管

作为碳分离器

它本身的一个可行性和

有效性

另外的话就是最后将

最后即是证明了

整个系统它设计的

一个可行性

最后的话

我们来到结论的部分

结论的话主要包括4点

首先第一

我们要分离二元颗粒的话

我们需要提高颗粒

在加速区

分离区中的一个停留时间

另外的话

稀相区能够有效的

分离二元颗粒提升管

第二是提升管是碳分离器的

一个可行而且有效的形式

下行床在

不增加系统能耗的基础上

能有效提高燃料反应器

气体利用效率

总结以上

就是总结以上的

这三个结论

就会导致第四个

就是燃料反应器

碳分离器和空气反应器

这样的一个组成的系统

运行稳定

是以煤为燃料的化学类燃料

反应器的可行形式

论文工作的

一个主要的创新点

第一个是提出了

提升管形式的碳分离器

建立了二元颗粒的浓度

测试方法

碳分离器的评价方法

提出了评价

碳分离器经济性的一个指标

然后提出了下行床

耦合鼓泡床的燃料反应器

验证其提高燃料气

利用效率的一个可行性

最后建立了煤

以煤为燃料的

化学链燃烧反应器的

一个设计方法

整体的系统运行稳定

在读博期间论文的

发表情况如下

共发表一作的SCI三篇