石灰石在煤燃烧过程中固硫反应机理研究进展

对石灰石在煤燃烧过程中固硫反应的机理和模型研究进展进行了较为详细的评述,指出碳酸钙的硫酸化作用主要有四种不同的机理,并且提出了若干石灰石炉内脱硫的研究方向。     

燃烧固硫反应的动力学和热力学及其影响固硫产物分解因素的研究

煤在高温条件下燃烧不利于固硫反应，并从热力学角度出发，得出了煤燃烧中钙基固硫剂反应自由能与温度的关系函数，由化学反应动力学得出院 硫酸钙分解反应的动力学方程及其相关参数，在还原性气氛中，从理论和实验上都证明了硫酸钙在较低温下会发生二次分解，理论分解温度与实际分解温度非常吻合，煤灰中氧化钙和三氧化二铝的存在，可以提高硫酸钙的分解温度同阳也给出了钙基固硫剂的应用条件。     

燃煤固硫中石灰石直接硫化反应机理的研究进展

在压力比较高的增压流化床（PFBC）和O2／CO2燃烧方式中，由于压力增大，石灰石煅烧分解受到抑制，甚至不发生煅烧分解，CaCO3和S02直接进行硫化反应。笔者对石灰石直接硫化的反应机理进行综述，同时也综述了温度、CO2分压、O2分压及SO2浓度等因素对石灰石直接硫化速率的影响。这将对开发新的工艺技术具有重要意义。     

富氧燃烧方式下煤中砷的挥发行为

选取SJS烟煤,利用高温管式炉模拟富氧燃烧,在600~1400℃温度范围内研究了O₂浓度、CO₂浓度及温度对砷挥发的影响,并进行了空气燃烧模式下的对比实验。对不同工况下的灰样进行FTIR表征并结合化学热力学软件模拟进行分析,结果表明:富氧气氛和空气气氛下煤中砷的挥发比例均随温度升高不断增大,并在低温区间(<900℃)和高温区间(>900℃)分别出现了砷的剧烈失重,但O₂浓度和CO₂浓度影响了不同气氛下砷的具体挥发行为。低温下(<900℃)O₂浓度是影响砷挥发的主要因素,O₂浓度越高,砷的挥发比例越大;相同O₂浓度下,CO₂浓度越高,砷的挥发比例越低,CO₂的存在抑制了煤中砷的挥发。高温下(>900℃)CO₂浓度是影响砷挥发的主要因素,富氧气氛下高CO₂浓度对热量的阻碍导致相同条件下砷酸盐发生分解需要更高的温度,因此富氧气氛下砷的挥发较空气模式滞后;此外CO₂在煤颗粒表面形成还原性气氛,高价态砷化合物向不稳定的低价态砷化合物转变,低价态砷化合物的快速分解导致高温下富氧气氛中砷的挥发速率较常规空气模式快。     

化学链燃烧钙基载氧体的竞争反应热力学分析

化学链燃烧能在化石燃料燃烧能量释放的同时有效分离CO2.以CaSO4作为载氧体,在CO和H2作为还原剂的条件下,对CaSO4的氧化-还原反应进行了基于吉布斯最小自由能化学反应的理论计算,绘出化学反应的平衡相图,分析出在氧化态和还原态下平衡相图中都有CaSO4,CaS和CaO稳定存在的区域.通过控制温度扣气体反应物的浓度,就可以得到在化学链燃烧中所需要的CaS和CaSO4的稳定区.     

水泥工业煤粉富氧燃烧NO释放特性实验研究

在回转炉实验台架上,分别研究了掺石灰石及掺CaO的情况下,N2/O2、CO2/O2气氛及氧浓度对典型煤种在富氧燃烧条件下燃烧释放NO的影响规律.研究结果表明:CO2/O2气氛下煤粉燃烧NO释放总量较N2/O2气氛下少;CO2/O2气氛下氧浓度的增加对煤粉燃烧NO释放有促进作用;石灰石及CaO对煤粉燃烧NO的生成均具有催化作用,且CaO的催化作用更强.     

CFB锅炉低氮燃烧对炉内固硫影响研究进展

随着火电厂烟气污染物排放标准的日益严格,循环流化床(CFB)锅炉多采用低氮燃烧技术在燃烧阶段降低NO_x的生成,但低氮燃烧应用会使炉内局部气氛,尤其是密相区的氧含量降低1%～4%,CO等还原性气氛增加1%～2%。固硫反应在不同氧浓度及还原性气氛条件下会表现出不同的反应路径,从而影响整个固硫反应速率和不同固硫产物的生成,导致最终固硫率的不同。因此CFB锅炉中引入低氮燃烧条件后会对炉内钙基固硫过程产生一定的影响。为了明晰低氮燃烧条件对CFB炉内钙基固硫反应的影响,保证燃烧中同时降低SO_2和NO_x的排放浓度,实现CFB锅炉中低氮燃烧技术与钙基固硫技术的耦合,综述了低氮燃烧反应条件对CFB锅炉炉内钙基固硫过程影响的研究现状,分别阐述了整个固硫过程中低氮还原性气氛及氧化-还原交变气氛条件对固硫剂煅烧、固硫剂固硫及固硫产物的分解转化3个不同反应阶段的影响。结果表明:CO_2浓度变化对CaCO_3煅烧影响较大且研究较多,气氛中CO_2的分压会直接减弱煅烧反应进行的程度;O_2和CO浓度变化对CaCO_3煅烧的影响未见报告,但从理论上推断影响较小,仍需进一步试验证明。在低氮燃烧形成的氧化-还原交变气氛下,炉内固硫反应过程变得复杂。氧气消失后,固硫率会降低20%左右,随着还原性气氛中CO含量的增加,固硫率还会进一步降低;随着CO等还原性气氛的增强,固硫产物CaSO_4稳定性降低,分解温度降低,CaS稳定性增强。但氧化、还原交变气氛下固硫产物的转化机制研究表明,当形成以CaS为内核,CaSO_4为外壳的固硫产物时,钙利用率和固硫效率会有所提高。可见,低氮燃烧气氛对硫化反应的影响具有不确定性。由于硫化反应的复杂性和固硫产物的不稳定性,目前尚无明确的针对不同固硫剂与反应温度和反应气氛的最佳匹配结果。因此,提出需进一步探究石灰石、电石渣等钙基固硫剂在不同氧浓度气氛及不同程度还原性气氛条件下的固硫反应机制,明确低氮燃烧条件对钙基固硫过程的影响,最终获得CFB锅炉低氮燃烧与炉内钙基固硫两者有机结合的优化反应条件,为实际生产提供可靠的理论依据。     

化学链燃烧中铁基载氧体研究进展

化学链燃烧是我国应对气候变化的重要技术之一。载氧体作为氧和热的载体,是实现化学链燃烧的关键因素。近年来,寻找廉价载氧体成为研究者们关注的问题。铁基载氧体由于具有价廉、资源丰富、环境友好、机械性能好等优点受到了广泛关注,但其反应活性相对较差,如何提高其反应活性是其大规模应用的关键。笔者详细论述了化学链燃烧中铁基载氧体活性改进的研究进展,针对如何提高铁基载氧体的反应性能,从铁基载氧体制备方法的优化、组分掺杂、结构调控等3方面进行了阐述。指出,对于载氧体制备方法,应综合载氧体反应性能、制备周期和成本等因素,对其进一步选择或改进。对于载氧体组分,惰性载体的添加、制备成复合载氧体以及碱金属掺杂均可在一定程度上提高载氧体的反应性能,但采用单一措施均存在一定的问题,如活性组分与惰性载体的相互反应、复合载氧体的烧结以及碱金属的流失等,因而需要进一步研究各种因素间的相互作用。对于不同结构的载氧体,虽具有良好的结构稳定性或热稳定性,但也存在各自的缺点,如钙钛矿结构储氧能力较低,氧释放能力较低;在长时间的循环过程中,尖晶石结构的载氧体产生晶相分离和颗粒烧结而失活的现象;为了保持壳核结构的载氧体在循环过程中的稳定性及反应活性,对壳材料需要进一步选择及优化。基于目前研究现状,笔者指出铁基载氧体反应性能的进一步提高需综合考虑各方面因素并深入探究各因素之间的相互作用。     

CO2提浓的富氧燃烧技术简述

燃料在空气(N_2体积分数79%)中燃烧时产生的烟气中的CO_2体积分数较低(13%～16%),欲将其分离是困难的,需要消耗大量的能量,必将导致成本过高。为了以较低的费用得到更易分离的高浓度CO_2,从燃烧的角度发展了一种新型燃烧方式,即富氧燃烧技术。     

煤化学链燃烧载氧体研究进展

煤的化学链燃烧是清洁煤燃烧的重要技术之一。化学链中载氧体的使用可以避免煤和空气直接接触,从而避免氮氧化物等污染物的产生并提高能量转化效率。一般来说,煤的化学链燃烧有2种反应途径:煤气化化学链燃烧和氧解耦化学链燃烧;不同反应途径将极大影响载氧体组分以及结构设计。详细论述了2015-2020年煤化学链燃烧中固态金属载氧体的研究进展,包括铁基、锰基、铜基、镍基、硫酸钙以及其他复合金属载氧体。总结了不同金属载氧体的优缺点、反应路径、气-固和固-固反应机理、金属与载体的相互作用以及载氧体失活原理。铁基载氧体被广泛应用于气化化学链燃烧中,但单一铁基载氧体的反应速率较低。适量添加碱金属或碱土金属可以提升载氧体的反应活性。锰基载氧体在化学链燃烧中具有两面性:一方面可以在高温缺氧气氛中释放气态氧,另一方面也可以与还原性气体发生气-固反应。通过使用惰性载体以及碱金属添加剂可以提高锰基载氧体的机械强度和氧解耦能力。含铜载氧体具有出色的氧解耦能力和反应活性而被广泛关注,然而铜及其氧化物低熔点所带来的金属聚集导致载氧体的失活问题亟需克服。研究发现使用铁、锰和铜矿石制得的载氧体具有良好的反应性能。硫酸钙载氧体具有较好的反应活性,但煤的化学链燃烧时潜在的二氧化硫和硫化氢副产物需要引起重视。镍基载氧体虽然在煤的化学链燃烧中反应性能较好,但硫毒化、成本较高和环保性能不佳等缺点导致近年来镍基载氧体的研究较少。新型双金属或多金属载氧体可以同时结合2种金属的反应特性,从而显著提高载氧体的整体反应活性。基于载氧体的研究现状,对未来的发展方向提出了4点建议:结合2种煤的化学链燃烧机理设计新型氧解耦辅助化学链燃烧载氧体;发展新型材料和金属组分的载氧体;利用冶金工业废料制得载氧体;开发新型结构的载氧体。     

富氧燃烧气氛下石灰石煅烧/硫化特性及模型模拟

利用自制恒温热重装置,模拟循环流化床富氧燃烧气氛,进行了石灰石同时煅烧/硫化实验,并通过对煅烧/硫化产物孔结构以及硫化产物电导率的测量,探讨了硫化反应机理。相比石灰石先煅烧成CaO再硫化,吸收剂孔隙更容易堵塞且更早进入到产物层扩散控制阶段;产物层扩散控制阶段固态离子扩散率更高,可获得更快的硫化速率和更高的最终钙转化率。烧结会极大影响CaO的钙转化率,尤其当温度高于950℃时;粒径效应显著,随石灰石颗粒粒径减小最终钙转化率明显提高;SO₂浓度提高有助于最终钙利用率的提高。建立了晶粒-微晶粒模型,对不同温度、粒径、SO₂浓度条件下石灰石同时煅烧/硫化特性进行了数学模拟,模拟结果与实验结果较为吻合。     

Enhancement of direct sulfation of limestone by Na2CO3 addition

For an oxy-fuel circulating fluidized bed combustion system, the limestone calcination is normally prevented due to excessive CO₂ partial pressures and the limestone is subject to a direct sulfation reaction. The enhancement of the direct sulfation of limestone by Na₂CO₃ was investigated under high CO₂ partial pressure in a thermogravimetric apparatus (TGA) and scanning electron microscope (SEM) analysis method. A commercial limestone with a mean size of 18.8 μm was used. Experimental results indicate that the incorporation of Na⁺ ions in solid product CaSO₄ lattice structures results in formation of more extrinsic point defects in the crystal lattices of CaSO₄ and a significantly increased solid-state diffusivity/mobility in the solid product. So the direct sulfation of Na₂CO₃-doped limestone shows higher rate and higher degree of conversion in the later stage of sulfation, in comparison with the direct sulfation of original limestone. The reaction changes from diffusional control to chemical reaction control in the presence of Na₂CO₃ because of the effect of foreign ions on accelerating the solid-state diffusion.     

O2/H2O燃烧方式下石灰石的间接硫化反应特性

利用水平管式炉和热重实验台架,对O₂/H₂O、O₂/N₂和O₂/CO₂ 3种不同燃烧方式下石灰石的间接硫化反应特性进行了研究。重点探究了燃烧方式、水蒸气浓度对石灰石间接硫化反应的影响规律与机理。同时,对硫化产物进行了X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）、孔结构特性和扫描电镜（SEM）分析。结果表明,O₂/H₂O燃烧方式相比于相同氧浓度下的O₂/N₂和O₂/CO₂燃烧方式,石灰石间接硫化反应的钙转化率在化学反应控制阶段基本相同,在扩散控制阶段O₂/H₂O燃烧方式下的钙转化率有显著的提高。主要原因是水蒸气促进了硫化反应后期产物层内的固态离子扩散。此外,O₂/H₂O燃烧方式下,不同的水蒸气浓度对石灰石的钙转化率基本没有影响。     

A variable diffusivity shrinking-core model and its application to the direct sulfation of limestone

A variable diffusivity shrinking-core model that allows for temporal and spatial variation of the effective diffusivity in the solid product layer was developed in this study. The model was used to analyze a set of experimental data for the direct sulfation of three limestones (that is, their reaction with SO2 under noncalcining conditions), and a parameter estimation procedure was formulated for extracting the effective diffusivity as a distributed parameter from the experimental conversion vs. time curves. Very strong effects of temperature, concentration, and depth in the product layer on the effective diffusivity were revealed by the analysis. On the basis of the obtained results, it was concluded that despite being essentially nonporous, uncalcined limestones can react with SO, under noncalcining conditions at rates comparable to those of calcined samples because they present much lower resistance for diffusion of SO2 through the product layer than the latter.     

Carbonation of fly ash in oxy-fuel CFB combustion

Oxy-fuel combustion of fossil fuel is one of the most promising methods to produce a stream of concentrated CO₂ ready for sequestration. Oxy-fuel FBC (fluidized bed combustion) can use limestone as a sorbent for in situ capture of sulphur dioxide. Limestone will not calcine to CaO under typical oxy-fuel circulating FBC (CFBC) operating temperatures because of the high CO₂ partial pressures. However, for some fuels, such as anthracites and petroleum cokes, the typical combustion temperature is above 900 °C. At CO₂ concentrations of 80-85% (typical of oxy-fuel CFBC conditions with flue gas recycle) limestone still calcines, but when the ash cools to the calcination temperature, carbonation of fly ash deposited on cool surfaces may occur. This phenomenon has the potential to cause fouling of the heat transfer surfaces in the back end of the boiler, and to create serious operational difficulties. In this study, fly ash generated in a utility CFBC boiler was carbonated in a thermogravimetric analyzer (TGA) under conditions expected in an oxy-fuel CFBC. The temperature range investigated was from 250 to 800 °C with CO₂ concentration set at 80% and H₂O concentrations at 0%, 8% and 15%, and the rate and the extent of the carbonation reaction were determined. Both temperature and H₂O concentrations played important roles in determining the reaction rate and extent of carbonation. The results also showed that, in different temperature ranges, the carbonation of fly ash displayed different characteristics: in the range 400 °C < T ? 800 °C, the higher the temperature the higher the CaO-to-carbonate conversion ratio. The presence of H₂O in the gas phase always resulted in higher CaO conversion ratio than that obtainable without H₂O. For T ? 400 °C, no fly ash carbonation occurred without the presence of H₂O in the gas phase. However, on water vapour addition, carbonation was observed, even at 250 °C. For T ? 300 °C, small amounts of Ca(OH)₂ were found in the final product alongside CaCO₃. Here, the carbonation mechanism is discussed and the apparent activation energy for the overall reaction determined.     

玻璃熔窑的全氧燃烧、纯氧助燃和富氧燃烧技术

介绍了玻璃熔窑全氧燃烧技术、纯氧助燃技术和富氧燃烧技术的一些最新研究成果和技术优势,指出全氧、纯氧或富氧燃烧技术是玻璃企业节能降耗、提高产品质量、取得良好经济效益的有效措施,是企业进行节能改造的重要选择。     

全氧燃烧玻璃熔窑耐火材料的研究进展

介绍了全氧燃烧熔窑的优点,如可节约燃料,减少NOx排放,降低对环境的污染,提高玻璃质量,提高火焰温度、熔窑熔化能力及熔窑产量,适当降低熔窑建设费用,提高熔窑使用寿命;分析了全氧窑内大量碱蒸气和水蒸气的增加对胸墙、池壁、大碹等关键部位耐火材料的侵蚀及全氧熔窑耐火材料的选材,对日产600t浮法玻璃熔窑的耐火材料使用进行了对比分析;提出生产优质浮法玻璃和高附加值特种玻璃要采用更为先进的燃烧工艺和玻璃熔制工艺;并对全氧玻璃熔窑耐火材料现状及前景进行了分析和展望。