【摘要】： 2G PFBC-CC和IGCC是有發(fā)展前途的兩種潔凈煤發(fā)電技術,然而煤在氣化過程中產(chǎn)生的H_2S等含硫物質不僅污染大氣,而且腐蝕設備,必須進行凈化,同時性質不穩(wěn)定的脫硫產(chǎn)物CaS也必須進行穩(wěn)定處理。作為一項關鍵工藝,鈣基脫硫劑的脫硫及CaS氧化對于上述發(fā)電技術的工業(yè)化應用至關重要。以此為背景,本文在熱重分析儀上對鈣基脫硫劑(石灰石和白云石)還原態(tài)條件下的脫硫及其產(chǎn)物的氧化問題進行了系統(tǒng)研究,并在小型加壓噴動流化床煤部分氣化裝置上進行了模擬實際過程的石灰石脫硫試驗。 在加壓熱重分析儀上進行了H_2S與鈣基脫硫劑的硫化反應以及CaS氧化反應的試驗研究,主要考察了幾個關鍵參數(shù)(如壓力、溫度、反應氣濃度、顆粒粒徑、脫硫劑類型、氣體成分等)對反應的影響,并提出了反應的機理和數(shù)學模型。試驗結果表明,在保持反應氣體(H_2S或O2)摩爾含量不變的情況下,增加總壓,反應速率和轉化率隨之增加;保持反應氣體分壓不變時,增加總壓,反應速率和轉化率卻隨之減小。溫度對反應影響較大。升高溫度,有利于反應的進行,但在較高溫度下雖然反應較快,但也容易發(fā)生燒結導致反應活性大幅降低。提高反應氣體濃度,均有利于反應速率的提高,且對反應氣體分壓來說為一級反應。隨著脫硫劑粒徑的增加,反應速率降低。反應條件和脫硫劑類型對硫化反應影響也很大。在CaCO3完全煅燒條件下,各種脫硫劑都有很高的脫硫效率;而在CaCO3非煅燒條件下,未煅燒的石灰石反應能力較差,而半煅燒白云石則有很高的脫硫效率。此外,對脫硫劑煅燒和硫化這兩個實際氣化過程中不可分離的伴隨過程也進行了試驗研究,發(fā)現(xiàn)二者彼此都有影響。對于鈣基脫硫劑的硫化反應以及CaS的氧化反應,在反應的初始階段,受表面化學反應控制,而在反應后期,主要受通過致密產(chǎn)物層的固態(tài)離子擴散控制。引入分形維數(shù)的概念對傳統(tǒng)反應模型進行了改進,初步建立了分形未反應收縮核模型和分形微粒模型,試驗也證實了模型的適用性。 首次將熱重分析-傅立葉變換紅外(FTIR)聯(lián)用技術應用到CaS氧化反應中,應用FTIR分析技術,對反應固體產(chǎn)物成功地進行了定性和定量分析。對反應產(chǎn)物進行的SEM-EDS分析也證實,在CaS氧化過程中,高于870℃時,發(fā)生CaS與CaSO4的固固反應。首次在加壓條件下對CO_2與CaS之間的反應進行了試驗研究,應用FTIR和煙氣分析儀等手段對試驗結果進行了定量分析,發(fā)現(xiàn)由于CO2含量的不同,生成的反應產(chǎn)物也不同。對不同反應程度的脫硫產(chǎn)物的氧化試驗表明,隨著脫硫劑硫化程度(即S/Ca)的增加,其氧化率反而減小。 此外,還研究了不同反應條件對反應物表面分形維數(shù)的影響以及分形維數(shù)對樣品反應特性的影響。試驗發(fā)現(xiàn),煅燒條件和顆粒粒徑對樣品的分形維數(shù)影響較大。一般說來,分形維數(shù)大的樣品,反應性能也好。 在0.1MWth加壓噴動流化床煤部分氣化裝置上進行了模擬實際過程的石灰石脫硫試驗。結果表明:隨著壓力(0.1-0.3MPa)、溫度(844-918℃)以及Ca/S(2-3)的增加,脫硫效率也隨之增加,本試驗脫硫效率最高可達90%。試驗結果證明了2G PFBC-CC系統(tǒng)中利用石灰石作為脫硫劑進行煤氣化還原脫硫工藝路線的可行性。 除了試驗研究以外,還利用ASPEN PLUS軟件定量描述了鈣基脫硫劑的硫化以及CaS氧化過程中各組分之間可能發(fā)生的反應,了解氣體成分對反應的影響程度,模擬預測在趨勢上與試驗結果有較好的一致性,為試驗研究提供了方向性的指導。考慮到坩鍋對熱重分析試驗的影響,利用Fluent計算軟件對不同類型的坩鍋的流場進行了模擬計算,發(fā)現(xiàn)底面開孔的坩鍋最有利于反應氣體與固體反應物之間的傳質�；谶@樣的結果,本試驗所用坩鍋采用了Pt絲網(wǎng)編織而成的底面和側面均多孔的設計。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2006
【分類號】：X701.3

【引證文獻】

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1 李小敏;流化床氣化條件下煤灰低熔點共融物形成特性[D];浙江大學;2007年

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本文編號：2696603