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《华中科技大学》 2010年
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O_2/CO_2燃烧方式下煤中S析出行为及其与Ca相互作用机制研究

吕当振  
【摘要】:目前燃煤发电仍然主导着我国70%的电力供应,而煤燃烧是SOx、NOx、颗粒物以及温室气体CO_2等污染物的最主要排放源之一,因此大力开发高效、清洁燃煤技术对国家可持续发展和能源安全具有重大意义。O_2/CO_2燃烧技术是近年来国际上公认的煤的清洁、高效利用技术,特别是温室气体CO_2减排的一项关键技术。研究表明O_2/CO_2燃烧能同时实现对CO_2、SO_2、NOx、颗粒物、痕量元素等多种污染物协同控制,因此开展这方面的研究具有重要的科学和实际意义。 本文系统综述了国内外O_2/CO_2燃烧方式下煤基础燃烧特性,包括传热传质、着火和燃尽,污染物释放等方面研究,重点阐述了该燃烧方式下SO_2生成与控制研究现状。论文从O_2/CO_2燃烧前热解过程中硫前驱物形成与转化入手,借助于实验室立式热天平和沉降炉等实验系统,针对SOx生成与控制,系统地研究了O_2/CO_2燃烧方式下钙基脱硫剂煅烧、烧结与硫化特性;同时针对电厂锅炉机组中可吸入颗粒物的的生成与排放问题,进一步研究了炉内喷钙脱硫对气态硫和可吸入颗粒物PM_(10),尤其是亚微米颗粒物PM_1的协同控制,主要内容如下: 首先研究了CO_2气氛下煤中硫赋存形态对硫迁移与转化的影响。O_2/CO_2燃烧方式下,N_2替代为CO_2,气氛的改变对硫前驱物生成有着重要影响,同时热解脱挥发份过程中硫的前驱物对燃烧过程中SOx生成与排放至关重要。实验结果表明:两种关键中间活性基团SH~*和active S分别来自煤中有机硫和无机硫(FeS_2)热分解过程。SH~*活性基团倾向与煤焦有机官能团反应生成H_2S,COS,和Sn分子;同时还与煤焦反应生成char-S,固定在煤焦中;而活性基团active S来自黄铁矿分解,与煤焦中有机官能团反应生成气体小分子SO_2,COS,同时还与煤焦本身反应生成新生有机硫,固定在煤焦中。此外煤中矿物强烈影响中间活性基团SH~*和active S的迁移和转化; 其次研究了O_2/CO_2燃烧方式下燃烧工况对石灰石煅烧和烧结特性的影响。相对于传统O_2/N_2气氛,O_2/CO_2气氛下石灰石起始分解温度升高,表观活化能增大,这不仅延迟了石灰石分解而且延长了分解时间,从而缩短了烧结时间,减缓了烧结进程,改善了煅烧产物CaO孔隙结构,保障了良好的脱硫活性,使得SO_2和O_2更容易进入脱硫剂内部反应,有利于深化脱硫;温度与时间对石灰石煅烧与烧结是同时作用的,温度越高,煅烧反应速率越快,烧结也随着加快,在900-1000℃温度区间内存在一个最佳脱硫温度点,此时CaO比表面积和孔隙率最大;此外借助于烧结动力学理论计算发现,当石灰石分解结束时,停留时间的延长使得煅烧产物CaO晶粒尺寸增大,烧结变得更加严重;相比于传统O_2/N_2燃烧,气氛对石灰石煅烧和烧结的影响是显而易见的,O_2/CO_2燃烧方式能够有效地减缓烧结,为煅烧产物CaO提供良好的孔隙结构,进而为后续的脱硫提供有利条件; 然后研究了硫化机理对石灰石脱硫效率和钙转化率的影响。与传统O_2/N_2气氛下的间接硫化CaO-SO2机理不同,O_2/CO_2燃烧方式下石灰石脱硫受直接硫化CaCO3-SO2和间接硫化CaO-SO2机理共同控制。实验结果表明,O_2/CO_2气氛下CaSO4产物层表面呈现多孔结构,脱硫效率和Ca转化率明显高于传统O_2/N_2气氛。为了更加接近实际燃煤炉内喷钙脱硫过程,借助于沉降炉研究了炉膛温度、气氛、Ca/S对炉内喷钙脱硫效率和钙利用率的影响。实验表明O_2/CO_2燃烧方式下炉内喷钙脱硫具有更高的脱硫效率和适应更高和更宽的温度范围; 最后研究了炉内喷钙对协同脱除SO_2和可吸入颗粒物中硫的影响。S是亚微米颗粒物重要的组成成分之一,通常以SO_3、硫酸、亚硫酸或硫酸盐的形式存在于亚微米颗粒表面。通过添加石灰石可以与颗粒物表面硫反应生成颗粒较大的CaSO4,使得颗粒物尺寸向大粒径方向移动,进而显著降低亚微米颗粒物排放量,从而有效地控制了可吸入颗粒物的排放。实验结果表明:温度和氧浓度对炉内喷钙过程中颗粒物排放量的影响是通过煤焦颗粒表面温度、局部气氛以及石灰石反应活性共同实现的。随着温度的升高,亚微米颗粒物和可吸入颗粒物生成量先减小后增加;而随着氧浓度的升高,亚微米颗粒物生成量先减小后增加,而可吸入颗粒物生成量一直增加。此外相对于传统O_2/N_2气氛,O_2/CO_2燃烧方式下炉内喷钙对可吸入颗粒物和亚微米颗粒物的减排率都更高;同时亚微米颗粒物中硫与脱硫剂反应生成CaSO4转移到超微米颗粒物中,使得超微米颗粒物比例增加,这将有利于电厂静电除尘器脱除。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ534

【引证文献】
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【同被引文献】
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