化石燃料的燃烧向环境中释放了大量温室气体，以CO2为主的大量温室气体的释放，导致了严重的温室效应及全球气候异常现象，已成为世界各国需要共同关注的全球性问题。在各主要温室气体中，CO2对温室效应的贡献率达到了55％。我国是以煤炭为主的能源结构，煤炭生产单位热量引起的CO2排放量比石油和天然气分别高出约36％和61％。因此，我国在温室气体减排方面面临着巨大压力。燃煤电厂生产过程中排放大量CO2，是最大固定排放源之一。燃烧后捕捉技术，被认为是短期内能够为化石燃料电厂提供有效CO2分离捕捉的技术。根据燃煤电厂及其烟气系统特点，利用粉煤灰和烟气含有的能量分离捕捉烟气中的CO2，充分体现了清洁生产和循环经济的思想。
针对以上问题，本论文以分离捕捉燃煤电厂烟气中的CO2为研究对象，利用垂直式固定床反应装置，研究了高温吸收剂循环分离CO2的碳酸化过程。普通钙基材料存在吸收容量低、循环稳定性差及易烧结等问题，通过改性、掺杂等手段制备了一系列高温钙基吸收剂，用于分离捕捉模拟烟气中的CO2。论文主要包括以下五部分：
1.利用醋酸钙、氢氧化钙、碳酸钙和氧化钙等钙基材料，通过简单制备过程得到四种高温钙基吸收剂，并研究了其碳酸化反应特性。确定反应气流速、吸收剂颗粒粒径及碳酸化反应温度等因素对钙基吸收剂CO2吸收性能的影响。通过XRD、SEM及氮吸附等表征手段分析吸收剂反应前后的成分，结构及形貌的变化。用失活模型拟合钙基吸收剂吸收CO2的实验穿透曲线。最后对钙基吸收剂吸收CO2的机理进行分析；
2.在上述钙基吸收剂中掺入粉煤灰，得到钙基粉煤灰吸收剂。以CaO-CaO/FA为例进行前期实验条件确定，如最佳反应气流速为0.1L/min、吸收剂粒径为0.8mm、粉煤灰掺杂量为25％及最佳反应温度为650℃等。XRD分析结果表明CaO-CaO/FA吸收剂通过制备过程形成了大量矿物。失活模型能够很好的拟合CaO-CaO/FA吸收剂吸收CO2的实验数据。对不同钙基材料制备的钙基粉煤灰吸收剂的碳酸化特性进行了研究。
3.高温吸收剂的循环稳定吸收性能十分重要。煅烧温度和煅烧气氛对吸收剂CO2吸收性能的影响研究表明，850℃为吸收剂最佳煅烧温度，降低煅烧气氛中的CO2分压能够减缓吸收剂活性的衰减。通过对钙基和钙基粉煤灰吸收剂的多循环研究发现，CaAc2-CaO和CaAc2-CaO/FA具有最优越的CO2吸收性能和循环稳定性。第15次循环后，CaAc2-CaO/FA比CaAc2-CaO表现出了更好的循环稳定性。Dolomite-CaO和Dolomite-CaO/FA吸收剂的碳酸化反应特性研究表明，其CO2吸收性能和循环吸收稳定性能较差。
4.研究了La和Ce改性钙基吸收剂的碳酸化特性。10％ La/CaO和5% Ce/CaO吸收剂表现出了最优异的CO2吸收性能。10% La/CaO吸收剂中的La2O3不仅是作为一种类“骨架”存在，还是一种活性成分，能够协同捕捉CO2分子；5% Ce/CaO吸收剂含有部分铈的氧化物，碳酸化反应后生成了Ce4O2C2和CeO2C2物质。多循环研究结果表明，10% La/CaO和5% Ce/CaO在循环吸收CO2的过程具有良好的循环稳定性。SEM表明，经历20次循环后5% Ce/CaO出现严重的烧结塌陷现象，部分区域颗粒完全粘连到了一起。
5.初步研究CaAc2-CaO和CaAc2-CaO-FA吸收剂在流化床反应器中的碳酸化特性。多循环流化床实验中，这两种吸收剂仍表现出较好的CO2吸收性能，但随着循环次数的增加，穿透时间明显变短，穿透曲线出了重合。循环后产物的XRD分析发现，含有部分未反应的CaO，说明吸收剂在流化床反应器中流化状态不佳。最后，我们提出了一种燃煤电厂同步固硫固碳工艺。
- 作 者：
- 杨磊
- 学科专业：
- 环境工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 南开大学
- 导师姓名：
- 于宏兵
- 学位年度：
- 2012
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
