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燃煤流化床锅炉飞灰湿法碳酸化固定CO2特性研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 CO2矿物碳酸化技术

1.2.1 CO2矿物碳酸化技术提出的背景

1.2.2 CO2矿物碳酸化技术的特点及可行性

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文的研究内容、目的及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目的

1.4.3 技术路线

1.5 本章小结

参考文献

第二章 实验装置与方法

2.1 实验试样

2.2 实验系统

2.2.1 高压不连续碳酸化实验系统

2.2.2 常压连续碳酸化实验系统

2.3 实验仪器与基本分析方法

2.3.1 差压变送器

2.3.2 无纸记录仪

2.3.3 衍射仪

2.3.4 全自动化比表面积及空隙分析仪

2.3.5 扫描电子显微镜

2.3.6 同步热分析仪

2.4 实验工艺参数与评价参数的选择

2.4.1 反应温度

2.4.2 CO2浓度

2.4.3 气体流率

2.4.4 液固比

2.4.5 反应压力

2.4.6 pH值

2.5 本章小结

参考文献

第三章 燃煤流化床飞灰高压不连续碳酸化反应特性研究

3.1 实验评价方法—压降法

3.2 燃煤流化床飞灰高压不连续碳酸化反应工艺优化实验

3.2.1 正交实验分析

3.2.2 工艺参数对燃煤流化床飞灰高压不连续碳酸化反应的影响

3.3 燃煤流化床飞灰高压不连续碳酸化过程反应特性研究

3.3.1 碳酸化反应前后物相特性变化

3.3.2 碳酸化反应前后颗粒微观结构特性变化

3.3.3 碳酸化反应前后微观形貌特性变化

3.4 高压不连续碳酸化反应前后热重实验分析

3.4.1 热重法中CO2固定量的计算

3.4.2 不同工艺参数对飞灰碳酸化固定CO2效果的影响

3.5 本章小结

参考文献

第四章 燃煤流化床飞灰常压连续碳酸化反应特性研究

4.1 实验评价方法—热重法

4.2 燃煤流化床飞灰常压连续碳酸化反应工艺优化实验

4.2.1 正交实验分析

4.2.2 工艺参数对燃煤流化床飞灰常压连续碳酸化反应的影响

4.3 燃煤流化床飞灰常压连续碳酸化过程反应特性研究

4.3.1 碳酸化反应前后物相特性变化

4.3.2 碳酸化反应前后颗粒微观结构特性变化

4.3.3 碳酸化反应前后微观形貌特性变化

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究不足之处及后续工作展望

致谢

作者简介,攻读硕士学位期间的学术成果

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摘要

近年来循环流化床燃烧技术作为新型高效低污染清洁燃烧技术得到快速的发展,正向大型化发展,面临的一个严峻的问题是燃煤流化床飞灰的大量堆积。由于CFB飞灰中碱性物质钙含量较高,可以作为CO2矿物碳酸化原料固定CO2实现碳封存。根据“直接利用固体废弃物,碳酸化反应固定CO2”的思路,通过“气—液—固”反应装置考察利用CFB飞灰直接湿法碳酸化固定CO2反应特性,初步确定CFB飞灰碳酸化反应机理,为实现利用CFB飞灰低成本固定CO2,实现一定程度的减排,达到清洁生产和“以废治废”的目的,具有良好的应用前景。
  本论文通过采用模拟飞灰在高压和常压两种工况下碳酸化反应实验装置,选取陕西榆林地区某流化床锅炉飞灰试样(飞灰A、飞灰B)作为反应试样,利用正交实验和单因素实验分析研究不同工艺条件下CO2固定效果,确定碳酸化反应最佳工艺参数和技术条件;同时,利用XRD、BET、SEM分析测试手段对反应前后试样的矿相成分、微观结构和微观形貌变化进行详细分析,并利用TG分析得到飞灰碳酸化反应前后所得试样的热重曲线,初步明确反应机理。主要结果如下:
  (1)设计并搭建了高压不连续碳酸化实验系统和常压连续碳酸化实验系统,详细分析了实验条件的选择,并对XRD、BET、SEM、TG分析测试手段进行介绍。
  (2)燃煤流化床飞灰高压不连续湿法碳酸化反应特性分析研究表明,选取钙含量较高的CFB飞灰B,利用正交实验分析结果得出工艺参数的主次顺序为液固比>CO2浓度>搅拌转速>反应温度>反应压力。利用单因素实验分别优化飞灰A和飞灰B的碳酸化工艺得出,飞灰A碳酸化反应最佳工艺参数为CO2浓度100%、反应压力3 MPa、搅拌转速300 rpm、反应温度60-80℃、液固比1∶1 ml/g,此时CO2固定量为每千克飞灰固定CO2为22 g,碳酸化效率为39.44%;飞灰B最佳碳酸化反应工艺参数为CO2浓度100%、反应压力3 MPa、搅拌转速300 rpm、反应温度80℃、液固比2∶1ml/g,此时CO2固定量为每千克飞灰固定CO2为60.5 g,碳酸化效率为64.63%。采用XRD、BET、SEM等方法对碳酸化反应前后试样进行表征分析,结果表明飞灰中Ca2Al2O5、CaO、Ca3Si2O5、Ca(OH)2等碱性物质与CO2发生反应,反应后固相表面出现颗粒状CaCO3且分布比较密集,比表面积和孔容大幅度提高,证实碳酸化反应后飞灰矿物分散度和晶格变化明显。最后,利用“热重法”计算得出单因素实验下CFB飞灰在不同实验工况下的碳酸化反应固定CO2量,结果表明,“热重法”和“压降法”计算结果比较吻合,误差在合理范围内,进一步验证CFB飞灰不同工艺参数条件下碳酸化反应特性。
  (3)燃煤流化床飞灰常压连续湿法碳酸化反应特性分析研究表明,选取CFB飞灰B试样,利用正交实验分析得出工艺参数主次顺序为CO2浓度>液固比>反应温度>气体流率>反应时间。单因素实验中不同实验工况下碳酸化反应过程中pH值变化趋势呈现出“缓慢下降—急剧下降—趋于稳定”,pH值的变化反映出碳酸化程度和反应速率;结合XRD、SEM、BET的分析结果得出飞灰碳酸化反应发生在颗粒表面,钙扩散到颗粒表面的速度很可能决定整个反应的速率。最后,利用TG分析得到单因素实验下不同实验工况的热重曲线,采用“热重法”得出飞灰常温常压碳酸化反应在60 min内基本完成;一定范围内随着CO2浓度、反应温度、气体流率的提高,碳酸化固定CO2效果增强;最佳碳酸化反应条件为液固比7∶1 ml/g、反应温度80℃、CO2浓度100%、气体流率0.61/min。
  本文为开发利用燃煤流化床飞灰作为CO2矿物碳酸化原料提供一定的理论基础,为流化床飞灰的进一步利用提供一种新思路,对促进矿物湿法碳酸化进行CO2封存技术发展具有指导意义。

著录项

  • 作者

    刘宣义;

  • 作者单位

    东南大学;

  • 授予单位 东南大学;
  • 学科 动力工程及工程热物理;热能工程
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 吴新;
  • 年度 2015
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 TK229.66;
  • 关键词

    流化床锅炉; 飞灰堆积; 碳酸化反应; 二氧化碳;

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