用于高温捕集CO2的氧化钙基材料颗粒的吸附及耐磨性能研究

摘要

在全球变暖时代背景下,减少二氧化碳排放已经成为全世界的共识.在众多的CO2分离方法中,钙循环脱碳技术(CaL)以其高吸附量且成本低廉的优点受到广泛关注.但是,此技术的发展仍然面临着两个巨大的挑战.一方面,氧化钙基CO2吸附剂在高温吸脱附循过程中会由于烧结而导致吸附效率逐渐降低.另一方面,氧化钙基吸附剂需要进行颗粒成型才能在流化床上进行应用,且流化过程中会产生严重的磨损,甚至会导致吸附剂跑剂而影响其循环利用,降低钙循环技术的经济性.挤出-滚圆法是将粉体吸附剂制作为具有一定机械强度的吸附颗粒的一种简单方法.然而该方法在提高吸附颗粒机械性能的同时常常会以降低吸附颗粒的吸附性能为代价.本文主要针对上述问题开展研究,希望获得吸附性能及抗磨损性能俱佳的氧化钙基吸附材料.首先,文中筛选并使用四种造孔剂通过挤出-滚圆法制备了多种吸附颗粒,并对造孔剂添加量及造孔剂尺寸大小对吸附颗粒性能的影响进行了研究,揭示了造孔剂对吸附颗粒的作用特性.此外,本文还研究了Y2O3/MgO的添加对氧化钙基吸附剂的影响,探讨了不同混合方式、湿法球磨水量及Y与Mg添加比例对合成吸附颗粒性能的影响规律.获得主要成果如下:　　① 研究发现添加5%聚乙烯造孔剂制得的吸附颗粒有最佳的CO2吸附量(0.155 g/g)及煅烧后较高的机械抗磨损性能(4.0 N),比纯氢氧化钙吸附颗粒分别高出14%、25%.这主要由于造孔剂的使用使吸附颗粒内部孔隙结构得到改善,提高了吸附的化学控制阶段的反应速率,同时,低添加量造孔剂在低温时分解,减小了颗粒在高温煅烧时造成的机械强度损失.　　② 造孔剂粒径的大小对钙基CO2吸附颗粒的性能有一定影响.造孔剂颗粒越小,吸附剂的吸附量越大,在机械性能方面,造孔剂尺寸为12微米时吸附颗粒达到最大的抗压强度.　　③ 实验中发现,采用湿法球磨制备出的吸附颗粒吸附性能最好,在用最佳的液固比1∶1及Y2O3/MgO质量比2∶1时制得的吸附颗粒有更优秀的循环吸附性能,同时在62个吸脱附长循环后,其吸附量为0.140 g/g,比纯氢氧化钙吸附颗粒提高31.2%.其原因主要是湿法球磨制得的吸附颗粒有更佳均匀的晶粒及固体载体分布,同时,颗粒内部的孔隙结构得到了提高.　　④ 在机械性能及抗磨损研究中发现,采用最佳固液比及Y2O3/MgO质量比的吸附颗粒有更好的机械性能及抗磨损性能.其机械强度大小为9.0 N,较纯氢氧化钙颗粒提高约172.7%;经过10小时的磨损测试,其磨损率为0.419%,仅为纯氢氧化钙颗粒的1/3.　　本文对氧化钙基吸附剂的研究工作丰富了该方向的知识,在一定程度上为工业化利用钙循环技术提供了相关依据.

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 钙材料CO2吸附性能研究

1.2.1 钙前驱体筛选

1.2.2 水合活化

1.2.3 添加/掺杂改性

1.2.4 吸附剂合成

1.3 钙基吸附剂颗粒成型与抗磨损研究

1.3.1 颗粒成型方法

1.3.2 粘接剂筛选

1.3.3 颗粒磨损评价方法

1.4 文献总结

1.5 本文主要的研究内容

2 吸附材料制备、测试与分析方法

2.1 实验材料及装置

2.2.1 材料混合

2.2.2 颗粒成型

2.3 性能测试

2.3.1 吸附性能测试

2.3.2 机械性能

2.4 材料表征

2.4.1 场发射扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDS）

2.4.2 比表面积与孔径分析

3 掺杂造孔剂的钙基吸附剂颗粒的性能研究

3.1 引言

3.2 造孔剂热解性能分析

3.3 吸附颗粒基础表征

3.4造孔剂种类的影响

3.4.1 吸附颗粒CO2吸脱附性能

3.4.2 吸附颗粒机械性能评价

3.5 造孔剂添加量的影响

3.5.1 吸附颗粒CO2吸脱附性能

3.5.2 吸附颗粒机械性能评价

3.6 造孔剂颗粒尺寸的影响

3.6.1 吸附颗粒CO2吸脱附性能

3.6.2 吸附颗粒机械性能评价

3.7 本章小结

4 氧化钙基吸附剂Y2O3/MgO添加改性研究

4.1 引言

4.2 混合方法的影响

4.2.1 吸附颗粒基础表征

4.2.2 吸附颗粒CO2吸脱附性能

4.2.3 吸附颗粒机械性能评价

4.3 湿法球磨水量的影响

4.3.1 吸附颗粒CO2吸脱附性能

4.3.2 吸附颗粒机械性能评价

4.4 Y2O3与MgO比例影响

4.4.1 吸附颗粒CO2吸脱附性能

4.4.2 吸附剂机械性能

4.5 吸附剂长循环及流化态磨损测试

4.5.1 吸附剂长循环吸附性能

4.5.2 吸附剂流化态磨损性能

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文结论

5.2 主要创新点

5.3 研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢