论文摘要
近年,工业生产过程中伴随着污染物的大量排放,其中温室气体(主要组分为C02)的排放被认为是造成全球气候变化异常的主要诱因,且30%以上的C02排放量来自于以化石燃料为原料的能源生产过程。因此,有效控制能源工业中C02的排放量已成为全球未来经济和环境可持续发展的必然选择。以钙基吸收剂固体颗粒作为C02载体,捕集燃烧化石燃料所产生的烟气中C02,形成的CaC03产物热解,释放高浓度C02气体,进一步液化后注入地质处置层或深海,被认为是可帮助实现电力生产过程中近零或零C02排放的污染控制方式,但其弊端是CO2吸收循环效率呈现衰减趋势,因此,若采用天然石灰石作为吸收剂,其消耗量较大。为全面解释钙基吸收剂CO2吸收循环过程的化学反应机理,并寻找改善其吸收效率衰竭特性的方式,本文主要研究内容为以流化床作为主要实验设备,气体吸附仪、扫描电镜及X荧光衍射光谱测量仪为实验辅助分析设备,探讨天然、合成及高温改性钙基吸收剂的C02吸收循环特性,以确定最适于进行长期煅烧／碳酸化循环的钙基吸收剂颗粒种类,探讨各种碳酸化反应参数、改性处理参数等对吸收剂样品的作用机理,且基于实验数据,建立晶粒重叠生长模型,模拟吸收剂颗粒的CO2吸收循环过程。利用流化床反应器,以天然石灰石作为CO2载体,在不同反应参数(温度、压力及气氛)条件下进行煅烧／碳酸化循环,测量其C02吸收循环特性；并对天然吸收剂样品的颗粒结构特性变化进行测量。实验结果表明,随着碳酸化循环的深入,样品颗粒内小孔(dpre<200nm)容积的不断降低,导致其C02吸收能力呈现衰减趋势。为改善天然钙基吸收剂的CO2循环吸收衰减特性,基于CaO水合反应,制备以A1203或MgO为主要杂质的合成钙基吸收剂,同样利用流化床实验及颗粒结构分析,探讨不同种类合成吸收剂的煅烧／碳酸化循环特性。以A1203为杂质的合成钙基吸收剂的CO2吸收循环特性较优,具体而言,样品具有较高的C02吸收能力；较高的碳酸化反应活性；稳定的CO2吸收循环特性；较低的损耗率。相较于天然石灰石样品,部分合成吸收剂颗粒显示出不同的CO2循环吸收特性,即随着碳酸化反应气氛中C02摩尔分数的增加,其C02吸收效率增加。对钙基吸收剂进行高温改性处理,也被认为是一种改变吸收剂碳酸化循环特性的方式。在不同改性处理参数(温度、气氛)条件下,分别对天然石灰石及合成钙基吸收剂进行改性处理,获得的高温改性吸收剂样品,投入流化床反应器,测量其煅烧／碳酸化循环反应特性。高温改性合成吸收剂样品的C02吸收循环特性明显优于改性天然吸收剂样品,其C02吸收效率较高,且C02吸收循环效率基本保持稳定,特别是,部分高温改性合成钙基吸收剂样品的C02吸收能力产生了一定量的再生,原因可能是杂质的存在阻碍了样品的烧结。高温改性钙基吸收剂颗粒的孔隙结构分析数据表明,颗粒中小孔(dpore<200nm)容积的再生改善了其C02吸收能力。建立重叠球形颗粒生长模型,模拟钙基吸收剂颗粒的煅烧／碳酸化循环过程。分别采用天然石灰石、合成钙基吸收剂及高温改性钙基吸收剂作为计算样本,设定天然石灰石颗粒的晶粒分布为均匀分布,合成吸收剂及改性吸收剂颗粒的晶粒分布为离散均匀分布,并分别基于各自样品的分形维数参数,对假定晶粒分布进行矫正,模拟结果与实验数据吻合良好。进一步对合成吸收剂及改性吸收剂颗粒的SEM电镜图像进行图像处理,所得到的颗粒表面晶粒分布数据与假定晶粒离散分布区间相似。