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CO2)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CO2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CO2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CO2载体，捕集燃烧化石燃料所产生的烟气中CO2，形成的CaCO3产物热解，释放高浓度CO2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CO2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CO2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CO2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(dpore＜200nnm)容积的不断降低，导致其CO2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Al2O3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Al2O3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CO2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CO2摩尔分数的增加，其CO2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CO2吸收循环特性明显优于改性天然吸收剂样品，其CO2吸收效率较高，且CO2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CO2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CO2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。
- 作 者：
- 闫瑾
- 学科专业：
- 动力工程及工程热物理;热能工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 华北电力大学(北京)
- 导师姓名：
- 陈鸿伟
- 学位年度：
- 2013
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
