钙基吸收剂循环脱碳再脱硫特性研究
【摘要】化石燃料燃烧产生的S02和C02被认为是分别导致酸雨和全球气候变暖的主要原因,而以化石燃料为主要能源的电力生产是最大的S02和C02排放点源。石灰石等钙基吸收剂因来源广、价格低、吸收容量大被广泛用来脱除电厂烟气中的S02,进一步研究发现钙基吸收剂还具备循环脱除烟气中C02的能力。基于前人研究成果,本文提出利用钙基吸收剂先循环脱碳再脱硫的思想,并设计了循环流化床运行流程,其中钙基吸收剂先循环脱碳再脱硫,烟气先脱硫再脱碳,既避免了烟气中S02对脱碳的不利影响,又实现了两种气体的相继脱除,是一项环保经济可行的方案。本文采用热重分析仪(TGA)和固定床实验等实验设备,从基础动力学入手,探讨了粒径和煅烧气氛对钙基吸收剂脱碳和脱硫的影响以及吸收剂经历的碳化循环次数对其脱硫的影响。由于吸收剂脱碳能力随循环次数的增加而下降,采用蒸汽水合的方法提高钙基吸收剂脱碳和脱硫能力。在模拟真实烟气气氛下,采用鼓泡流化床设备,研究了钙基吸收剂循环脱碳再脱硫特性以及吸收剂流化效果和颗粒磨损特性。基于“以废治废”的思想,利用煤灰与CaO水热化合反应,合成具有更大比表面积和比孔容积的吸收剂,并利用TGA进行脱碳和脱硫能力测试。实验过程借助了扫描电镜、比表面积分析仪、粒径分析仪和X射线衍射分析仪等辅助设备研究样品在不同反应阶段的特性。研究发现,在180目-400目的粒径范围内,粒径对碳化反应影响较小,而对硫化反应影响较大,粒径越小硫化率越高。煅烧过程中CO2浓度对碳化反应影响较大,而对硫化反应影响不大。钙基吸收剂碳化率随碳化循环次数的增加而下降,但硫化率受碳化循环次数的影响不大,40次循环后的吸收剂硫化率与新鲜剂硫化率接近,说明脱碳失效后的吸收剂剂仍是良好的脱硫剂。蒸汽水合法对钙基吸收剂激活作用明显,且吸收剂具有可重复水合激活特性。碳化失效的吸收剂每经历一次水合作用,其碳化活性可恢复至接近新鲜剂水平,且随后的活性下降规律与新鲜剂相同。水合后的吸收剂硫化率远高于新鲜剂硫化率。水合作用在吸收剂颗粒表面产生了大量裂缝和破碎,一方面有利于气体扩散和增大产物可自由生长的外表面积,另一方面由于增大了吸收剂磨损速度,不利于流化床运行。本文证实了钙基吸收剂流化床运行时团聚固结问题的存在。天然石灰石在鼓泡流化床中运行一段时间后,颗粒团聚固结导致流化效果恶化,甚至出现“死床”的现象。这是由于钙基吸收剂高温下自身的特性所造成的,粉末状新鲜石灰石在固定床上煅烧后即发生结块现象。石灰与铝酸钙水泥混合并制粒成球型颗粒的吸收剂,具有更好的循环稳定性和脱硫能力,更好的抗磨损和抗团聚性能,但是该吸收剂初始几次脱碳能力低于天然吸收剂。基于“以废治废”的思想以及受火山灰反应可生成高比表面积产物的启发,将煤灰与CaO在热水中混合搅拌加速火山灰反应,得到比表面积和比孔容积明显提高的钙基吸收剂。火山灰反应产物主要是CaSiO3,呈网状结构,其发达程度与CaO/煤灰配比、水热化合时间以及CaSO4或NaOH的添加量有关。合成剂比天然吸收剂具有更好是循环稳定性,但合成剂中CaO配比不宜过低,否则合成剂中有效CaO含量过低,将降低整体脱碳脱硫能力。经过多次脱碳循环失效的合成剂仍然具有良好的脱硫能力。添加少量NaOH会明显降低合成剂循环脱碳能力,但却能大幅提高脱硫能力,这是由于脱硫反应除了受气体扩散控制外,还受固态离子扩散控制,Na+离子的加入可造成更多的晶格缺陷,加速了离子扩散速率,从而提高脱硫能力。
【作者】赵争辉；
【导师】陈鸿伟；
【作者基本信息】华北电力大学，热能工程，2014，博士
【关键词】钙基吸收剂；循环脱碳；脱硫；流化床；蒸汽水合；吸收剂改性；
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