高水蒸氣氣氛下煤燃燒對(duì)CaO再生及循環(huán)活性影響的研究.pdf

1、溫室氣體CO2排放導(dǎo)致全球變暖，CO2排放主要來(lái)源于燃煤電廠。燃燒后CO2捕集方式比較適合于現(xiàn)有電廠CO2捕集。鈣基吸收劑煅燒—碳酸化循環(huán)捕集CO2是一種較為合適的CO2捕集方法。鈣基吸收劑主要來(lái)源于石灰石的煅燒。然而，煅燒過(guò)程需要燃料燃燒提供熱量。一種較為有效的方法是在O2/CO2/Steam氣氛下利用燃煤燃燒為石灰石分解提供熱量。煅燒氣氛中添加水蒸氣主要是為了提升CaO活性。為將該方法應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐中，需要研究的科學(xué)問(wèn)題有：1、高濃

2、度水蒸氣對(duì)CaCO3煅燒和CaO碳酸化過(guò)程的影響；2、煤燃燒后的灰分、硫及其他污染物在產(chǎn)物CaO和尾氣CO2中的分布及其對(duì)CaO活性的影響；3、高濃度水蒸氣對(duì)石灰石分解以及煤燃燒反應(yīng)過(guò)程的影響及其機(jī)理。
　　本文針對(duì)以上科學(xué)問(wèn)題，分別進(jìn)行了以下研究：1、在固定床反應(yīng)器中研究了水蒸氣對(duì)CaCO3煅燒和CaO碳酸化過(guò)程的影響，并制備了高強(qiáng)度Ca(OH)2吸收劑；2、在熱重分析儀中研究了煤燃燒對(duì)鈣基吸收劑循環(huán)吸收CO2活性的影響；3、在

3、連續(xù)進(jìn)出料流化床反應(yīng)器上研究了O2/CO2/Steam氣氛下煤燃燒/CaO再生系統(tǒng)中的氣固產(chǎn)物分布、產(chǎn)物CaO活性以及水蒸氣反應(yīng)過(guò)程。
　　研究結(jié)果表明，煅燒、碳酸化氣氛中添加水蒸氣能促進(jìn)CaCO3分解、提升CaO活性。煅燒氣氛添加水蒸氣后，一方面，CO2分壓降低促使CaCO3分解反應(yīng)加快，另一方面，由于Steam/CO2氣氛下氣固傳熱量較高，換熱量增加促使CaCO3分解加快。Steam/CO2氣氛下石灰石分解可在相對(duì)較低的溫度進(jìn)

4、行，燒結(jié)程度較低，產(chǎn)物CaO活性提升。碳酸化過(guò)程添加水蒸氣后，H2O分子在CaO表面發(fā)生電離反應(yīng)，生成的OH-與CO2反應(yīng)生成CO32-，促進(jìn)CaO對(duì)CO2的吸收。水合反應(yīng)添加水蒸氣，高壓水蒸氣不僅提升吸收劑活性，還提升Ca(OH)2顆粒強(qiáng)度。水蒸氣分壓增加致使顆粒孔隙率增加、內(nèi)應(yīng)力降低，于是吸收劑顆粒強(qiáng)度增加。
　　煤燃燒為石灰石分解供熱時(shí)，煤燃燒/CaO再生過(guò)程宜在高濃度水蒸氣氣氛下進(jìn)行。本文在連續(xù)進(jìn)出料流化床反應(yīng)器中對(duì)煤燃燒

5、/CaO再生過(guò)程進(jìn)行研究。結(jié)果表明，提升供氧量可使SO2、CO和H2等雜質(zhì)氣體在CO2中的含量降至零，提升水蒸氣供應(yīng)量同樣可使CO、SO2下降，但H2升高。優(yōu)化氧氣和水蒸氣供應(yīng)量可以得到高純度的CO2。
　　相比于普通空氣燃燒方式，在O2/CO2/Steam氣氛下的煤燃燒行為有很大不同。本文創(chuàng)新性地采用18O同位素示蹤H2O分子反應(yīng)過(guò)程。結(jié)果表明，無(wú)論貧氧還是富氧氣氛條件下，煤焦顆粒內(nèi)部都存在欠氧環(huán)境，致使水蒸氣（H218O，H2

6、16O）氣化反應(yīng)發(fā)生，生成C16O、C18O、H2等，而后C16O、C18O、H2擴(kuò)散至煤焦顆粒表面，與O2反應(yīng)生成C16O16O、C16O18O和H216O等。H2O既參與了煤燃燒反應(yīng)，燃燒過(guò)程中又生成了H2O。
　　此外，煤燃燒會(huì)導(dǎo)致CaO活性降低。煤燃燒過(guò)程中的灰分在CaO中有殘留但不會(huì)參與反應(yīng)，吸收劑中的硫含量較低（只有少量CaSO4）。特別是在流化床中，大部分的煤灰和CaSO4都聚集在旋風(fēng)分離器小顆粒CaO。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程

7、中，只有大顆粒CaO用于吸收燃煤電廠煙氣中的CO2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示大顆粒CaO吸收劑中的灰分和硫含量非常低，對(duì)鈣循環(huán)捕集CO2效率影響較小。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤添加導(dǎo)致吸收劑活性降低的主要原因是煤燃燒后產(chǎn)生的高溫造成吸收劑燒結(jié)。雖然活性降低，但煅燒氣氛中的水蒸氣又能提升CaO活性。
　　采用Aspen Plus搭建煤燃燒與石灰石分解工藝流程，模擬結(jié)果顯示，雖然高濃度水蒸氣氣氛下煤/石灰石混合燃燒/分解工藝系統(tǒng)的能量損耗率升高，但綜合考慮CaO