循环流化床电石渣脱硫实验研究

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 循环流化床电石渣脱硫实验研究 姓名：王鹏 申请学位级别：硕士 专业：动力工程及工程热物理；热能工程 指导教师：李永华 2011-03
摘
要
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要
目前，燃煤污染是我国环境污染的重要方面，其中减少含硫污染物的排放 是治理燃煤污染的一项重要内容。 电石渣是一种氢氧化钙含量很高的工业废渣， 电石渣的大量堆积严重污染周边环境，如果能够利用其脱硫，不仅可以减少环 境污染，而且能达到以废制废的目的。 本文采用热分析法，在热天平上进行电石渣脱硫的热重实验研究。实验结 果显示，电石渣脱硫反应分为煅烧和吸收两阶段。在实验工况下，温度越高， 钙的转化率越高； SO2 浓度越高，反应在化学反应控制阶段持续的时间越短， 反应更容易进入到产物层扩散控制阶段。 通过对实验数据的分析，确定了电石渣的脱硫过程，并且讨论了其脱硫机 理。利用数学模型研究电石渣脱硫反应动力学特性，计算并分析了动力学参数 ——活化能 E、表面化学反应速率常数 k s 和产物层扩散系数 Ds。结果表明，模 型能够很好的描述化学反应控制阶段和产物层扩散控制阶段的脱硫反应过程。 对反应过程做出合理假设，结合未反应收缩核模型和孔分布模型，并采用 质量守恒定律和扩散方程建立 CaO 吸收 SO2 的颗粒 —孔分布模型。 模型计算结 果跟实验结果吻合的较好，模型能够较好的描述电石渣的脱硫过程。最后，利 用某电厂的实际运行数据再一次验证了模型的准确性。现场运行数据还表明， 电石渣的加入对锅炉运行的影响很小。 本研究为开发废弃物型脱硫剂提供理论基础，对促进脱硫技术发展具有重 要的理论价值和工程应用指导作用。 关键词： 电石渣；脱硫；孔结构；动力学；模型
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沉淀物逐步变稠，形成电石渣浆 [4] 。电石渣浆为灰褐色浑浊液体，在静置后分 成三部分，澄清液、固体沉积层及中间胶体过渡层，三者比例随静置时间及环 境条件变化呈可逆变换，固体沉积物即是我们常说的电石渣 [5]。 干电石渣的主要成分是 Ca(OH) 2 ，此外还含有少量的无机和有机杂质，如 硫化物、磷化物、氧化铁、氧化镁、氧化铝、二氧化硅等，因含微量的碳及硫 磷杂质而呈灰白色，有微臭味，长时间堆放的陈渣还含有少量碳酸钙 [6] 。电石 渣含有很多有毒有害的成分，若处理不当会对环境造成很大污染。 电石渣的产量大，其有效的综合利用途径必须是规模化的。由于数量大， 运输成本高，且电石渣在运输过程中沿途滴漏、粉尘飞扬，造成新的环境污染， 如何使这些废弃的电石渣变废为宝是当前亟待解决的问题。 电石渣是强碱性物质，颗粒粒度较细 (l0-50µm的粒子占 80% 左右 ) ，因组成 成分中含有大量的 Ca(OH)2 ，故其性质与熟石灰乳相似。Ca(OH) 2 在水溶液中的 溶解度为 1.608kg/m3 ，约是石灰石溶解度的 10000 倍，因此，它在水溶液中迅速 解离，生成的 Ca2+ 和 SO4 2- 反应，生成 CaSO4 沉降下来。电石渣作为脱硫剂的优 势在于反应不受 CO2 溢出的影响，反应速度比石灰石快很多，并且利用率更高。 将电石渣进行煅烧，产物当中最大的组分为 CaO ，同时还含有一定量的 Fe2 O3 、Al2 O3 、MgO等碱性金属氧化物，这些物质可以直接跟酸性气体 SO2 进行 反应， 达到脱硫的效果。 同时这些碱性化合物在反应过程中还可以起催化作用， 加快反应速度，提高脱硫效率。相对于石灰石来说，电石渣煅烧后形成的 CaO 的孔隙率大、比表面积大、反应活性好，非常适用于循环流化床脱硫 [7]。 综上所述，将电石渣用于燃煤电厂脱硫，既能高效、低成本的得到很好的 脱硫效果，又可以有效的解决工业废弃物电石渣的堆放和污染问题，从而使这 两种有害物质得以中和，最终达到以废治废、变废为宝的目的。
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Abstract
At present, coal-fired pollution is the focus of Chinese environmental pollution, in which controlling emissions of sulfur dioxide is a very important element. Carbide slag is industrial waste which includes high sulfur, the bulk deposition of it make heavy-polluted of the envirement around, if we can use it to do desulfurization, not only can decrease the pollution, but also makes good waste utilization. This article uses the thermal annlysis, makes the thermal analysis research of the carbide slag desulfurization in the thermobalance. The results of the experiment show carbide slag desulfurization reaction is divided into two stages: Calcination and Absorption. In the experimental condition, the higher the temperature is, the higher the conversion of calcium; the higher SO2 concentration is, the shorter the reaction in chemical reaction control stage continuous time is, reaction easier to enter the product layer controlling stage. Based on the analysis of the experimental data, we determine the desulfurization process and discuss the desulfurization mechanism. Using the mathematicl models to study the carbide slag desulfuration reaction dynamical characteristic, we calculate and analyze their dynamic parameter—activation energy E, chemical reaction rate constant ks, product layer diffusion coefficient Ds. The results indicate that the mathematical model can describe the desulfurization reaction process well at the chemical reaction controlling stage and at the product layer diffusion controlling stage. Make reasonable hypothesis of the reaction process, combing unreacted shrinking core model and pore distribution model and use conservation of mass and the diffusion equation to establish CaO absorb the SO2 particle-pore distribution model. Calculation results of the model and the experimental results are well matched. The model can describe carbide slag desulfurization process well. Finally, using a power plant actual data also proved the accuracy of the model once again. The site operation data also shows that, adding the calcium carbide slag make little effect for the boiler operation. This study provides theoretical basis for developing the waste type desulfurizer, meanwhile, it has very important theoretical value for promoting the development of desulfurization technology and directive function for engineering application. Keywords: carbide slag; desulfurization; pore structure; dynamics; model
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第1章 绪 论
1.1 选题背景及意义
能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，能源的开发利用在推进了人 类社会发展的同时也带来了严重的生态环境问题。 2007年，我国能源消费总量 为 26.5 亿吨标准煤，居世界第二位，我国一次能源消费构成中，煤炭的比例高 达 2/3以上 [1]。中国能源结构以煤为主的格局在未来相当长的一段时间内不会发 生变化。 中国电力结构中，利用燃煤发电一直是主力，装机容量从 20世纪 50 年代到 现在，一直保持在 70% 以上。据中电联统计显示：到 2008 年底，我国发电设备 装机总容量达到 7.92 亿千瓦，其中，火电 6.01 亿千瓦，约占总容量的 75.87% 。 随着煤炭消费的不断增长，燃煤产生的 SO2 也不断增加，从 1998 年以来，我国 SO2 年排放量超过美国，连续多年居世界首位 [2]。虽然国家投入大量的人力物力 对 SO2 污染进行治理，但是近几年 SO2 的排放量一直居高不下，始终在 2200万吨 以上 [3] 。按 SO2 污染的工业部门来看，火电厂 SO2 排放量占全部排放总量的 50% 左右，是最重要的污染源。 SO2 是具有强烈刺激性的无色气体，它容易溶解于人体的血液和其它粘液 中。大气 SO2 污染对人体健康的影响具有广泛、长期、慢性作用等特点，人体 接触很低浓度的 SO2就会发生不良反应。 SO2 的大量排放严重影响了我国城市空气质量，并由此引发的酸雨问题更 为严重。酸雨使土壤酸化和贫痔化，农作物及森林生长减缓，湖水酸化，鱼类 生长受到抑制，对建筑物和材料有腐蚀作用，加速风化等。 因此削减和控制燃煤 SO2 污染将是中国能源和环境保护部门面临的严峻挑 战。 电石渣是电石 (CaC2) 加水生成乙炔气体 (C2 H2) 后遗留下来的工业废渣，其 化学反应式如下：