O-,2--CO-,2-氣氛下燃煤中硫與氮在熱場(chǎng)中轉(zhuǎn)化行為的研究.pdf

1、煤燃燒過程中產(chǎn)生的SO2、NOX、CO2引起的酸雨、光化學(xué)煙霧及溫室效應(yīng)等對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。O2/CO2燃燒技術(shù)采用煙氣再循環(huán)，以CO2代替空氣中的N2參與煤燃燒，將煙氣中CO2的濃度提高到95％，使CO2的回收極為方便，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2、CO2、NOX及其它污染物的控制，是一種環(huán)境友好型的新型燃燒技術(shù)。目前有關(guān)O2/CO2燃燒技術(shù)的研究主要集中在該技術(shù)的燃燒特性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等方面，而有關(guān)O2/CO2燃燒技術(shù)下燃煤有關(guān)組分的化學(xué)

2、轉(zhuǎn)化過程的研究較少。燃煤中的污染組分如硫、氮及重金屬等在O2/CO2燃燒方式下的轉(zhuǎn)化特性的研究對(duì)于探索該方式下污染物SO2、NOX的綜合控制機(jī)理具有重要意義。 本文首先綜述了O2/CO2燃燒方式的原理及燃煤中SO2及NOX排放特性的研究進(jìn)展，然后對(duì)O2/CO2燃燒方式下碳酸鈣作為脫硫劑的有關(guān)反應(yīng)特性及反應(yīng)機(jī)理、燃煤中硫與氮的轉(zhuǎn)化特性進(jìn)行了研究，并采用CHEMKIN軟件對(duì)硫、氮的轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。 研究了O2/CO2氣

3、氛下溫度對(duì)脫硫劑CaCO3 與SO2的反應(yīng)特性的影響。研究結(jié)果表明當(dāng)溫度超過500℃時(shí)，燃燒氣氛對(duì)CaCO3 與SO2的反應(yīng)產(chǎn)率（鈣轉(zhuǎn)化率）產(chǎn)生較大影響。1200℃以下，空氣氣氛下鈣轉(zhuǎn)化率高于O2/CO2氣氛；1200℃以上，則相反；隨溫度提高，兩種氣氛下鈣轉(zhuǎn)化率差異減小，表明O2/CO2氣氛有利于高溫鈣基脫硫。 實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)提高SO2 濃度可增加鈣轉(zhuǎn)化率是由于SO2 對(duì)硫化反應(yīng)的促進(jìn)及對(duì)硫酸鈣分解的抑制；表明O2/CO2 燃燒技

4、術(shù)所運(yùn)用的煙氣循環(huán)方式導(dǎo)致SO2的富集是其噴鈣脫硫效率優(yōu)于傳統(tǒng)空氣燃燒方式的原因之一。O2/CO2氣氛下CO2 濃度對(duì)CaCO3 分解反應(yīng)產(chǎn)物CaO的微觀結(jié)構(gòu)有重要影響。熱重分析表明CO2 濃度增加使CaCO3 起始分解溫度提高，并使CaCO3的分解速率降低，低濃度CO2 表現(xiàn)為催化CaO 燒結(jié)，高濃度CO2 抑制CaCO3的分解。研究結(jié)果還表明在一定溫度下CaCO3 分解反應(yīng)速率與硫化反應(yīng)速率相當(dāng)，可避免CaO 燒結(jié)，改善CaSO4

5、對(duì)孔的堵塞，存在一最優(yōu)孔隙結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)化的孔隙結(jié)構(gòu)是O2/CO2 燃燒技術(shù)在高溫下脫硫效率高于空氣氣氛的重要原因。XRD 分析發(fā)現(xiàn)O2/CO2氣氛下硫化產(chǎn)物組成隨溫度變化，硫化反應(yīng)機(jī)理不同于空氣氣氛下，既有直接硫化反應(yīng)機(jī)理也有先分解后硫化的間接硫化反應(yīng)機(jī)理。研究了三種煤質(zhì)特性不同的燃煤（合山煤、算盤山煤、短陂橋煤）在O2/CO2氣氛下硫的靜態(tài)轉(zhuǎn)化特性。結(jié)果表明三種燃煤在該氣氛下SO2生成量均低于相應(yīng)的空氣氣氛下，這是由于燃煤燃燒特性的變

6、化及煙氣中高濃度CO 還原SO2 所致。研究還發(fā)現(xiàn)O2/CO2氣氛下煤質(zhì)特性對(duì)硫轉(zhuǎn)化為SO2的影響遠(yuǎn)低于空氣氣氛下。加入CaCO3 作為脫硫劑后，1000℃以下，空氣氣氛下脫硫率高于O2/CO2氣氛；1000℃以上，反之，且在一定溫度范圍內(nèi)脫硫率隨溫度升高而增加的幅度較空氣氣氛下大。 采用滴管爐實(shí)驗(yàn)裝置在800℃-1300℃溫度范圍研究了O2/CO2氣氛下合山煤中的硫的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化特性，探討了CO2 濃度、溫度等因素對(duì)SO2生成的影

7、響，并通過紅外光譜及元素分析等手段研究了相關(guān)機(jī)理。研究結(jié)果表明CO2 濃度是影響燃煤中硫動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化特性的重要因素，當(dāng)CO2為80％時(shí)，煙氣中SO2 濃度遠(yuǎn)小于比空氣氣氛下；同時(shí)，元素分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)底灰中硫含量高于空氣氣氛下，表明硫轉(zhuǎn)化為SO2的轉(zhuǎn)化率降低。 紅外光譜表征結(jié)果表明O2/CO2氣氛下燃煤中硫轉(zhuǎn)化產(chǎn)物存在多種形式如COS等，SO2只是眾多轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的一種。研究還發(fā)現(xiàn)CO2 濃度對(duì)碳酸鈣的最佳固硫溫度有著重要影響。當(dāng)CO2 濃

8、度為分別40％和80％時(shí)，最佳的固硫溫度則相應(yīng)為900℃和1000℃。 CHEMKIN 動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果亦表明高溫時(shí)硫的轉(zhuǎn)化速率快于低溫情況下的速率；SO2含量的最終平衡值受反應(yīng)溫度和CO2 濃度的雙重影響，COS的生成量隨著氣氛中CO2濃度的增加而增加，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。O2/CO2氣氛下對(duì)不同煤質(zhì)特性燃煤的氮的靜態(tài)轉(zhuǎn)化特性研究表明燃燒氣氛對(duì)氮轉(zhuǎn)化為NOX的影響與溫度有關(guān)。O2/CO2氣氛下NOX生成量明顯降低。700℃到900℃

9、是NOX生成量隨溫度變化最敏感的溫度區(qū)域，較之空氣氣氛，700℃時(shí)NOX生成量降低近50％，是Nox 被CO 還原所致。O2/CO2氣氛下，CaCO3 對(duì)Nox生成峰值的影響與溫度密切相關(guān)。燃煤中氮含量仍是影響NOX生成的重要因素，O2/CO2氣氛更有利于降低高揮發(fā)份燃煤NOX生成量。 探索了CO2 對(duì)氣相中NO 還原特性的影響。CO2 對(duì)NO 還原率的影響與燃燒氣氛的氧化或還原特性有關(guān)。氧化性氣氛中CO2的存在能促進(jìn)NO的還原