O2-CO2條件下鈣基吸附劑控制燃煤多種污染物的實驗研究.pdf

1、O2/CO2燃燒技術(shù)是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)空氣燃燒,有效減少燃煤電站鍋爐CO2排放的燃燒新技術(shù),同時可以有效降低NOx排放總量,是煤燃燒領(lǐng)域發(fā)展的新方向之一。另外,低成本的爐內(nèi)噴鈣脫硫在O2/CO2燃燒下因煙氣循環(huán)和脫硫機理的改變重獲生機。盡管早期的研究提出了O2/CO2燃燒下石灰石發(fā)生直接硫化反應(yīng)機理,實際爐內(nèi)脫硫過程為CaO-SO2反應(yīng)和CaCO3-SO2直接硫化反應(yīng)同時存在,但是直接硫化反應(yīng)機理對石灰石脫硫的貢獻還未給出定量數(shù)據(jù)。另外,基

2、于S對亞微米顆粒形成的貢獻,爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)M1形成和排放的影響,O2/CO2燃燒反應(yīng)氣氛的改變是否對吸附劑控制PM1帶來優(yōu)勢等,有待深入研究。另外爐內(nèi)噴鈣同時對重金屬排放的物化特性造成影響,相關(guān)研究還十分缺乏。
　　本論文首先通過系統(tǒng)的實驗對O2/CO2燃燒方式下爐內(nèi)噴鈣脫硫機理進行了定量的研究;然后,基于燃燒過程中亞微米和中間模態(tài)顆粒形成機理,對添加石灰石和高嶺土燃燒控制PM1排放進行了探索;最后,基于Ca基吸附劑添加,開展了

3、燃煤過程中有毒Cr(VI)的形成機理和控制研究。通過深入系統(tǒng)地研究燃煤多種污染物的排放及控制機理,提出了O2/CO2燃燒下污染物有效控制的策略和技術(shù)方法。本論文主要內(nèi)容如下:
　　通過沉降爐燃燒實驗,對O2/CO2燃燒下石灰石分解及脫硫機理進行了深入揭示,定量研究直接硫化反應(yīng)機理對石灰石脫硫的貢獻,并探討了燃燒過程中影響石灰石直接硫化反應(yīng)的因素。當(dāng)CO2分壓高于CaCO3分解的平衡分壓時,CaCO3分解受到抑制而直接發(fā)生硫化反應(yīng),

4、研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ca/S為4.4時,1273K下27％O2/CO2燃燒系統(tǒng)脫硫效率為36.2%,其中超過1/3為通過直接硫化反應(yīng)脫硫。直接硫化反應(yīng)機理對脫硫的貢獻隨著石灰石添加量的增加而增大,當(dāng)Ca/S為16時,系統(tǒng)脫硫效率為68.1%,完全通過直接硫化反應(yīng)脫硫。另外,煤中成灰元素Si/Al在燃燒過程中與石灰石表面反應(yīng)生成硅鋁酸鹽高溫熔融增大擴散阻力,抑制石灰石分解和脫硫反應(yīng),對O2/CO2燃燒下的影響比空氣條件下大。
　　基于煤燃燒過

5、程中亞微米和中間模態(tài)顆粒形成機理,提出使用石灰石和高嶺土控制燃煤PM1的排放,分析了O2/CO2燃燒反應(yīng)氣氛的改變對其控制PM1排放帶來的優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn),在相同溫度下,O2/CO2氣氛使吸附劑具有更大的表面積,高嶺土通過表面反應(yīng)捕獲金屬蒸氣使其由PM1向大顆粒中轉(zhuǎn)移,石灰石通過與煤中堿金屬堿土金屬競爭反應(yīng)吸附煙氣中SO2,減少煤中金屬與SO2反應(yīng)生成亞微米硫酸鹽。研究發(fā)現(xiàn)O2/CO2燃燒下添加高嶺土和石灰石控制PM1排放的最佳溫度為13

6、73K。在此溫度下添加高嶺土使(2SiO2*Al2O)/(Na+K)為1.6時,PM1減少了(56~74)%;添加石灰石當(dāng)Ca/S為3.1時,PM1減少了(70~78)%。
　　爐內(nèi)噴鈣技術(shù)的使用導(dǎo)致劇毒Cr(VI)生成的風(fēng)險。本論文定量研究了空氣及O2/CO2燃燒下煤中有機Cr的分解釋放和Cr(VI)的生成,深入揭示了Cr(VI)生成的影響因素,并對Cr蒸氣的捕獲方法和Cr(VI)的生成控制進行了探索。研究發(fā)現(xiàn)空氣燃燒下煤中有機

7、Cr分解和從顆粒中釋放主要發(fā)生在最初熱解揮發(fā)分析出階段。相同O2濃度下,O2/CO2燃燒高濃度CO2抑制了煤中有機Cr的分解,并促進了Cr(VI)生成;提高O2/CO2燃燒的O2濃度促進了煤中Cr的分解釋放,并在一定程度上促進了Cr(III)的氧化。爐內(nèi)高濃度的HCl促進Cr以CrCl3和CrO2Cl2形態(tài)揮發(fā)釋放,SO2通過與Cr蒸氣反應(yīng)生成Cr2(SO4)3使更多的Cr固定在灰中。Na2SO4、MgO、Fe2O3和CaO都可以有效捕

8、獲燃燒過程中的Cr蒸氣,但CaO導(dǎo)致灰中大量Cr(VI)生成,發(fā)現(xiàn)了一種CaO對Cr(III)氧化的新途徑,即通過Ca(2+)與Ca(0)之間的氧化還原將電子從Cr(III)轉(zhuǎn)移到O2,將Cr(III)氧化為Cr(VI),提出Cr(VI)的生成與金屬的標(biāo)準(zhǔn)還原電勢有關(guān)。MgO和Fe2O3對固態(tài)灰中Cr(VI)生成有一定的抑制作用,爐內(nèi)噴鈣燃燒過程中同時添加一定量的MgO或Fe2O3不但可以有效捕獲Cr蒸氣,而且同時實現(xiàn)了抑制灰中Cr(V