O/CO气氛下燃煤中硫与氮在热场中转化行为的研究

摘要

煤燃烧过程中产生的SO2、NOX、CO2引起的酸雨、光化学烟雾及温室效应等对环境造成了严重的危害。O2/CO2燃烧技术采用烟气再循环，以CO2代替空气中的N2参与煤燃烧，将烟气中CO2的浓度提高到95％，使CO2的回收极为方便，能同时实现对SO2、CO2、NOX及其它污染物的控制，是一种环境友好型的新型燃烧技术。目前有关O2/CO2燃烧技术的研究主要集中在该技术的燃烧特性和经济性评价等方面，而有关O2/CO2燃烧技术下燃煤有关组分的化学转化过程的研究较少。燃煤中的污染组分如硫、氮及重金属等在O2/CO2燃烧方式下的转化特性的研究对于探索该方式下污染物SO2、NOX的综合控制机理具有重要意义。 本文首先综述了O2/CO2燃烧方式的原理及燃煤中SO2及NOX排放特性的研究进展，然后对O2/CO2燃烧方式下碳酸钙作为脱硫剂的有关反应特性及反应机理、燃煤中硫与氮的转化特性进行了研究，并采用CHEMKIN软件对硫、氮的转化动力学进行了计算。 研究了O2/CO2气氛下温度对脱硫剂CaCO3 与SO2的反应特性的影响。研究结果表明当温度超过500℃时，燃烧气氛对CaCO3 与SO2的反应产率（钙转化率）产生较大影响。1200℃以下，空气气氛下钙转化率高于O2/CO2气氛；1200℃以上，则相反；随温度提高，两种气氛下钙转化率差异减小，表明O2/CO2气氛有利于高温钙基脱硫。 实验还发现提高SO2 浓度可增加钙转化率是由于SO2 对硫化反应的促进及对硫酸钙分解的抑制；表明O2/CO2 燃烧技术所运用的烟气循环方式导致SO2的富集是其喷钙脱硫效率优于传统空气燃烧方式的原因之一。O2/CO2气氛下CO2 浓度对CaCO3 分解反应产物CaO的微观结构有重要影响。热重分析表明CO2 浓度增加使CaCO3 起始分解温度提高，并使CaCO3的分解速率降低，低浓度CO2 表现为催化CaO 烧结，高浓度CO2 抑制CaCO3的分解。研究结果还表明在一定温度下CaCO3 分解反应速率与硫化反应速率相当，可避免CaO 烧结，改善CaSO4 对孔的堵塞，存在一最优孔隙结构，这种优化的孔隙结构是O2/CO2 燃烧技术在高温下脱硫效率高于空气气氛的重要原因。XRD 分析发现O2/CO2气氛下硫化产物组成随温度变化，硫化反应机理不同于空气气氛下，既有直接硫化反应机理也有先分解后硫化的间接硫化反应机理。研究了三种煤质特性不同的燃煤（合山煤、算盘山煤、短陂桥煤）在O2/CO2气氛下硫的静态转化特性。结果表明三种燃煤在该气氛下SO2生成量均低于相应的空气气氛下，这是由于燃煤燃烧特性的变化及烟气中高浓度CO 还原SO2 所致。研究还发现O2/CO2气氛下煤质特性对硫转化为SO2的影响远低于空气气氛下。加入CaCO3 作为脱硫剂后，1000℃以下，空气气氛下脱硫率高于O2/CO2气氛；1000℃以上，反之，且在一定温度范围内脱硫率随温度升高而增加的幅度较空气气氛下大。 采用滴管炉实验装置在800℃-1300℃温度范围研究了O2/CO2气氛下合山煤中的硫的动态转化特性，探讨了CO2 浓度、温度等因素对SO2生成的影响，并通过红外光谱及元素分析等手段研究了相关机理。研究结果表明CO2 浓度是影响燃煤中硫动态转化特性的重要因素，当CO2为80％时，烟气中SO2 浓度远小于比空气气氛下；同时，元素分析结果发现底灰中硫含量高于空气气氛下，表明硫转化为SO2的转化率降低。 红外光谱表征结果表明O2/CO2气氛下燃煤中硫转化产物存在多种形式如COS等，SO2只是众多转化产物的一种。研究还发现CO2 浓度对碳酸钙的最佳固硫温度有着重要影响。当CO2 浓度为分别40％和80％时，最佳的固硫温度则相应为900℃和1000℃。 CHEMKIN 动力学计算结果亦表明高温时硫的转化速率快于低温情况下的速率；SO2含量的最终平衡值受反应温度和CO2 浓度的双重影响，COS的生成量随着气氛中CO2浓度的增加而增加，与实验结果一致。O2/CO2气氛下对不同煤质特性燃煤的氮的静态转化特性研究表明燃烧气氛对氮转化为NOX的影响与温度有关。O2/CO2气氛下NOX生成量明显降低。700℃到900℃是NOX生成量随温度变化最敏感的温度区域，较之空气气氛，700℃时NOX生成量降低近50％，是Nox 被CO 还原所致。O2/CO2气氛下，CaCO3 对Nox生成峰值的影响与温度密切相关。燃煤中氮含量仍是影响NOX生成的重要因素，O2/CO2气氛更有利于降低高挥发份燃煤NOX生成量。 探索了CO2 对气相中NO 还原特性的影响。CO2 对NO 还原率的影响与燃烧气氛的氧化或还原特性有关。氧化性气氛中CO2的存在能促进NO的还原，且NO的还原率随CO2 浓度增而增加；而还原性气氛CO2的存在不利于NO的还原。采用CHEMKIN软件对NO转化动力学进行了计算，计算结果与实验结果吻合较好。