鈣基脫硫劑硫化反應(yīng)產(chǎn)物層擴散機制研究.pdf

1、SO2排放控制是潔凈燃燒研究領(lǐng)域的重中之重。干法脫硫中鈣基脫硫劑(石灰石)的脫硫效率不高、鈣利用率較低。本文從影響鈣基脫硫劑微觀結(jié)構(gòu)的主要成因,顆粒微觀結(jié)構(gòu)分形特性,晶粒團聚模式的粘附融合規(guī)律,顆?？紫吨械臍怏w擴散動力學(xué)傳質(zhì)規(guī)律,致密晶粒內(nèi)的固態(tài)離子傳質(zhì)規(guī)律,以及氣-固傳質(zhì)擴散的耦合控制模式等方面展開研究,以期為提高脫硫效率提供理論支撐。主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　 (1)為探索近似CFB條件對脫硫劑煅燒分解后結(jié)構(gòu)特性的影響,

2、對DTU-2A型熱天平進行了技術(shù)改造。實驗發(fā)現(xiàn):氣氛中CO2濃度增大易導(dǎo)致碳酸化；水蒸氣對石灰石分解起到一定的催化作用;溫度升高會加快石灰石分解過程,但會加劇石灰石煅燒產(chǎn)物的燒結(jié)；雜質(zhì)導(dǎo)致石灰石最終分解轉(zhuǎn)化率降低。多種因素造成脫硫劑顆粒具有非線性結(jié)構(gòu)。
　　 (2)分形維數(shù)是表征微粒結(jié)構(gòu)特性的重要參數(shù)。研究表明:用SEM圖像法和壓汞儀法均能有效測定顆粒試樣的分形維數(shù)。同時發(fā)現(xiàn):脫硫劑隨溫度升高或雜質(zhì)增加,燒結(jié)現(xiàn)象愈嚴重,脫硫劑分

3、形維數(shù)降低。并提出一種測定石灰石煅燒顆粒微觀形貌多重分形譜的方法。
　　 (3)通過建立三維空間粘附方程,進行了晶粒團聚融合的計算機模擬研究,并與壓汞儀實驗數(shù)據(jù)進行定性對比分析,發(fā)現(xiàn):石灰石在高溫煅燒過程中,存在晶粒融合現(xiàn)象,會導(dǎo)致CaO顆粒分形維數(shù)、孔隙率、比表面積的降低。本文利用晶粒團聚體的概念,對產(chǎn)物層進行了二級劃分,即:顆粒產(chǎn)物層和晶粒產(chǎn)物層,在顆粒產(chǎn)物層內(nèi)傳質(zhì)過程服從氣體擴散機制,在晶粒產(chǎn)物層內(nèi)傳質(zhì)過程服從固態(tài)離子擴散

4、機制。
　　 (4)壓汞儀實驗發(fā)現(xiàn)顆粒產(chǎn)物層內(nèi)的孔隙尺寸在5-2000nm范圍內(nèi),Knudsen數(shù)很大,基本處于Kn>0.1區(qū)域,反應(yīng)氣體SO2分子在其內(nèi)部的擴散存在稀薄氣體效應(yīng),產(chǎn)物層中孔隙的分形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致擴散能力下降,計算出了顆粒產(chǎn)物層內(nèi)的氣體擴散系數(shù),分析了反應(yīng)氣體在顆粒產(chǎn)物層內(nèi)沿徑向的濃度分布規(guī)律。
　　 (5)利用掃描電鏡能譜分析功能研究晶粒產(chǎn)物層內(nèi)離子擴散流,發(fā)現(xiàn):Ca2+離子“向外生長”擴散方式是晶粒產(chǎn)物層內(nèi)

5、的主要擴散形式,且屬于電中性擴散,擴散驅(qū)動力來自產(chǎn)物表層的缺陷飄移；利用電導(dǎo)率補償效應(yīng)獲得CaSO4產(chǎn)物層的Arrhenius特征溫度680K,特征電導(dǎo)率10-5.722S,采用差熱分析法推定脫硫劑晶粒產(chǎn)物層內(nèi)的固態(tài)離子擴散活化能為223.98KJ/mol,并計算出了固態(tài)離子擴散系數(shù)。
　　 (6)建立了顆粒系統(tǒng)硫化反應(yīng)物質(zhì)流的耦合擴散方程,對照TGA實驗數(shù)據(jù)進行定性比較。研究發(fā)現(xiàn):硫化反應(yīng)擴散過程是由氣體擴散與固態(tài)離子擴散兩種