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钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化捕集CO₂研究

作　者: 吴昊
导　师: 杨宏旻
学　校: 南京师范大学
专　业: 热能工程
关键词: 钙基吸收剂 CO2捕集 SO2影响水蒸气影响乙醇改性
分类号: X701
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

作为一种燃烧后CO2捕集技术,钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化(CCRs)法因其相对于醇胺溶液吸收法有较高的经济性而受到关注。目前CCRs技术尚处于起步阶段,针对复杂烟气条件下对CO2捕集效果影响的探讨较少,通过吸收剂改性来提高CCRs技术的捕集效率也有很大上升空间。为此,本文首先系统地开展了对钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化反应特性及影响因素的研究,其次对SO2气体与水蒸气对CCRs法捕集CO2的影响进行实验分析,最后针对吸收剂转化率下降而开展了乙醇溶液改性的研究。论文首先采用小型固定床反应器与热重分析仪,开展了钙基吸收剂循环煅烧／碳酸化反应特性的研究,重点考察了碳酸化温度、煅烧温度、颗粒粒径、CO2浓度对钙基吸收剂反应特性的影响以及SO2气体与水蒸气气氛下钙基吸收剂的反应特性,获得了不同反应条件与不同反应气氛下的碳酸化转化率的变化规律。并在实验基础上,通过对不同循环吸收条件下吸收剂表面固体产物层孔隙变化规律的分析和微观解释,揭示了吸收剂循环转化率下降的原因和机理,其次,论文开展了烟气中SO2和水蒸气对钙基吸收剂CaCO3捕集二氧化碳影响的实验研究,获得了SO2对钙基吸收剂碳酸化特性、煅烧特性以及循环稳定性的影响规律,并结合SEM分析结果,从循环煅烧/碳酸化反应角度,分析了可能存在的原因。结果表明：钙基吸收剂吸收CO2的能力随着循环反应次数的增加逐渐发生衰减；烟气中802的存在会进一步加剧这种衰减,且衰减程度随着802浓度的增加而增大；经过十次循环后,碳酸化转化率分别为25.5%(0%802)、16.9%(0.1%802)和5.2%(0.2%SO2)。造成这种衰减加剧的主要原因是反应产生较厚的硫酸化产物层,硫酸化产物层使颗粒表面孔隙发生堵塞,阻碍了CO2在吸收剂内部的扩散,降低了碳酸化转化率。在水蒸气影响下,钙基吸收剂碳酸化转化率随着循环反应次数的增加而发生衰减的程度会得到抑制,且抑制程度随着水蒸气浓度的增加而增大。当水蒸气浓度大于20%时,对吸收剂的改善能力将不再加强。造成这种影响的原因是水蒸气会使固体表面形成一层“水膜”,降低了固体产物扩散的能量壁垒,使CaCO3固体产物扩散速度加快,从而提高了转化率。针对钙基吸收剂在循环煅烧/碳酸化反应过程中碳酸化转化率随反应次数增加而发生急剧衰减的问题,本文还开展了利用乙醇溶液对钙基吸收剂进行改性的研究,以降低钙基吸收剂碳酸化转化率的衰减速度,以提高吸收剂捕集CO2能力。实验采用乙醇溶液对CaO吸收剂进行水和改性,通过爆蒸的方式获得了具有优良吸收性能的吸收剂。研究表明,随着循环反应次数的增加,乙醇溶液改性后经过爆蒸的吸收剂碳酸化转化率明显高于水合改性后的吸收剂,且乙醇浓度越高,则改性后CaO的转化率越高,抗烧结性能越好。当乙醇溶液浓度分别为30%、50%70%和90%时,十次循环后钙基吸收剂的碳酸化转化率分别为35.2%、43.4%、48.8%和50.5%,而未经改性的吸收剂碳酸化转化率此时则为25.5%。这是由于乙醇分子强化了H2O与CaO的结合力和渗透力,从而使CaO煅烧后产生孔径增扩效应,颗粒粒径和孔隙结构的改变使得改性CaO具有更好的C02循环捕集性能

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