Thermodynamic model of coal direct chemical looping combustion

化学链燃烧 燃烧 化学 摩尔比 化学平衡 固体燃料 热力学平衡 煤燃烧产物 氧气 化学工程 热力学 物理化学 有机化学 催化作用 工程类 物理
作者
Min Huang,Zichen Wang,Xuefeng Yin,Na Zhang,Hao Wang,Dongxu Liang,Hao Liu
出处
期刊:International Journal of Coal Preparation and Utilization [Taylor & Francis]
卷期号:: 1-18
标识
DOI:10.1080/19392699.2024.2442453
摘要

Chemical looping combustion (CLC) technology offers cost-effective CO2 emission reduction. Coal direct chemical looping (CDCL) emerges as a promising solid fuel CLC technology owing to its ability to directly utilize coal without prior gasification, enhancing system integration and efficiency. Despite significant progress in CDCL, challenges persist, including carbon deposition and insufficient oxidation and reduction of oxygen carriers (OCs). This study conducted a thermodynamic equilibrium analysis of a CDCL combustion reactor using Cantera 3.0, a chemical calculation module developed at the California Institute of Technology. The analysis explored the impact of different temperatures, OC-to-coal molar ratios (θ), and OCs types on combustion products. By employing the minimum Gibbs function method and analyzing intrinsic reaction mechanisms, the study provides insights for predicting and optimizing system performance. Thermodynamic equilibrium analysis revealed that with CuO as the OC, insufficient OC (θ < 0.6) led to Cu as the reduction product, while sufficient OC (0.6 < θ < 1.3) yielded Cu and CuO, and excess OC (θ > 1.3) resulted in Cu2O. To optimize CO2 capture, a molar ratio of θ of at least 1.4 and a temperature of at least 800°C are recommended. When Fe2O3 served as the OC, insufficient OC (θ < 0.45) produced Fe and FeO, while excess OC generated FeO and Fe3O4. Optimal operational performance and CO2 capture efficiency required an OC-to-coal molar ratio exceeding 1.4 and a temperature higher than 700°C. This study demonstrates that in CDCL combustion systems, selecting appropriate OCs, temperatures, and OC-to-coal molar ratios ensures stable and efficient combustion and CO2 capture. These findings offer crucial guidance for optimizing system operation.
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