成型钙基吸收剂钙循环反应活性及强度研究

摘要

钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化捕集燃烧后烟气中CO2因适用于现有电站机组改造、技术经济性优且能和重整制氢工艺相结合，是一种极具竞争力的燃煤电站CO2减排技术。但该技术主要存在钙基吸收剂循环碳酸化活性衰竭快及吸收剂破碎磨损等问题，缩短了吸收剂的使用寿命，增加了系统运行成本。
　　针对上述问题，本文通过高速湿法制粒机制备成型钙基吸收剂，并在制备过程中掺杂高铝水泥和生物质以进一步提升活性及强度。在高温鼓泡床上研究了成型钙基吸收剂循环碳酸化活性及颗粒磨损，并搭建竖直颗粒碰撞装置研究钙基吸收剂抗碰撞破碎强度。进一步考察了蒸汽活化对失活成型钙基吸收剂碳酸化活性及强度的影响。最后，建立了钙剂吸收剂煅烧炉内一次破碎模型，数值计算了钙基吸收剂进入煅烧炉后吸收剂内部热应力、压应力和总应力瞬态分布情况，并考察了颗粒粒径、孔隙率及化学反应动力学参数对各应力的影响。。
　　高铝水泥支撑钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化实验表明掺杂10％高铝水泥制备的钙基吸收剂高温下具有较好的抗烧结特性，多次循环后孔隙衰竭较弱，循环钙转化率优于原始石灰石，抗磨损能力也优于石灰石。进一步的碰撞实验表明该粉末成型的钙基吸收剂煅烧后仍有与石灰石相近的抗碰撞破碎强度。煅烧温度越高，吸收剂强度越弱;多次循环后吸收剂因烧结强度增加。基于rittinger磨损理论，结合碰撞数据发展了计算吸收剂碰撞破碎后平均粒径的半经验预测公式。
　　生物质掺杂成型钙基吸收剂实验表明，掺杂生物质后，成型钙基吸收剂钙循环过程孔隙增加且衰竭减弱，循环碳酸化活性提升;但其抗碰撞破碎强度却下降。碰撞实验表明随着颗粒粒径和煅烧温度的增加，生物质掺杂钙基吸收剂碰撞强度减弱;多次循环后该吸收剂强度获得提升。微观结构分析表明吸收剂孔隙的增加及表面裂缝将削弱颗粒强度。碰撞数据表明，生物质掺杂颗粒碰撞破碎也符合rittinger磨损理论。
　　对失活水泥支撑成型钙基吸收剂进行蒸汽活化实验。结果表明，失活成型颗粒活化后活性提升幅度大，950℃煅烧下活化后钙转化率由0.113升至0.419，活化石灰石仅由0.089增至0.270。碰撞实验显示蒸汽活化后颗粒强度下降明显，石灰石活化后出现大量裂缝，增加了活性，但削弱了强度;而成型颗粒活化后未出现裂缝，由于内部钙铝氧化物作为介质可释放膨胀应力。水泥成型钙基吸收剂蒸汽活化后孔隙提升更佳，活性提升更显著，但强度下降也明显。对活化后颗粒进行过热处理明显改善了强度，表明过热可消除晶格内空穴及缺陷。
　　建立了钙基吸收剂进入煅烧炉后内部热应力、压应力瞬态分布模型，并考察颗粒粒径、孔隙率和煅烧反应速率对瞬态应力分布的影响。径向热应力和压应力在球心处达峰值，切向热应力在外表面达峰值;压应力峰值时刻滞后于热应力峰值。吸收剂粒径增加，推迟应力峰值时刻;而热应力及压应力峰值随吸收剂粒径先减小后增加，最小热应力峰值所对应粒径大于最小压应力峰值所对应粒径。吸收剂孔隙率增加，压应力峰值呈指数衰减;分解反应速率减小，压应力峰值降低。成型钙基吸收剂快速升温煅烧后表面裂缝远少于石灰石，与其较大的孔隙率及气体生成量少减小了压应力值有关。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．2 CO2捕集技术

1．1．3 钙基吸收剂循环煅烧／碳酸化捕集CO2技术

1．2 本课题的国内外研究进展

1．2．1 钙基吸收剂活性提升研究

1．2．2 机械制粒法制备吸收剂

1．2．3 钙基吸收剂强度特性研究

1．2．4 钙基吸收剂破碎模型研究

1．3 本文研究内容及研究目的

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究目的

1．4 本章小结

参考文献

第二章 实验装置与方法

2．1 引言

2．2 实验样品

2．3 实验装置及方法

2．3．1 鼓泡床实验装置

2．3．2 钙循环、蒸汽活化及过热处理实验方法

2．3．3 颗粒碰撞破碎实验装置及方法

2．4 实验分析仪器

2．4．1 Rosemount红外烟气分析仪

2．4．2 X射线荧光光谱仪(XRF)

2．4．3 低温氮吸附仪

2．4．5 分析天平

2．4．6 振动筛

2．5 本章小结

参考文献

第三章 水泥支撑成型钙基吸收剂活性及强度特性研究

3．1 引言

3．2 水泥支撑成型钙基吸收剂微观特性

3．3 鼓泡床内循环碳酸化特性

3．4 鼓泡床内磨损特性

3．5 碰撞破碎特性

3．5．1 煅烧温度对钙基吸收剂碰撞破碎影响

3．5．2 循环次数对钙基吸收剂碰撞破碎影响

3．5．3 碰撞破碎模型

3．6 本章小结

参考文献

第四章 生物质改性成型钙基吸收剂活性及强度特性研究

4．1 引言

4．2 碰撞破碎特性

4．2．1 原始颗粒碰撞破碎特性

4．2．2 煅烧温度对改性颗粒碰撞破碎影响

4．2．3 循环次数对改性颗粒碰撞破碎影响

4．2．4 碰撞后平均粒径演变公式

4．3 微结构特性

4．3．1 孔隙结构特性

4．3．2 SEM分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 水泥支撑成型钙基吸收剂蒸汽活化活性及强度特性

5．1 引言

5．2 水泥支撑成型钙基吸收剂蒸汽活化前后微观特性

5．3 水泥支撑成型钙基吸收剂蒸汽活化前后活性

5．4 成型颗粒蒸汽活化前后破碎特性及过热处理影响

5．5 本章小结

参考文献

第六章 钙基吸收剂破碎模型研究

6．1 引言

6．2 破碎模型及数值求解

6．3 吸收剂粒径对热应力及压应力的影响

6．4 孔隙率及煅烧反应速率对压应力的影响

6．5 石灰石与水泥支撑成型钙基吸收剂首次煅烧后表面形态

6．6 本章小结

参考文献

第七章 全文的总结和展望

7．1 全文总结

7．2 迸一步研究建议

致谢

作者简介、攻读硕士期间参加的学术活动与发表的论文