郭泰成，鄧菲，鄒潺，王春波

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北省保定市 071003； 2.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊市 050000)

O2/CO2氣氛下水蒸氣對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化的影響

郭泰成1，鄧菲2，鄒潺1，王春波1

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北省保定市 071003； 2.河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊市 050000)

為進(jìn)一步探討富氧氣氛下水分對(duì)硫化特性的影響，利用等溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了富氧燃燒石灰石同時(shí)煅燒/硫化實(shí)驗(yàn)，研究了水蒸氣濃度、溫度、石灰石粒徑以及種類等對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化特性的影響。水蒸氣提高了石灰石煅燒速率，石灰石完全分解時(shí)間縮短；在硫化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制階段水蒸氣的影響不明顯，而到擴(kuò)散控制階段促進(jìn)作用變得顯著。富氧氣氛下水蒸氣的影響隨溫度(實(shí)驗(yàn)范圍)升高而突出，溫度越高最終的鈣轉(zhuǎn)化率越高。粒徑效應(yīng)顯著，隨石灰石粒徑的減小最終鈣轉(zhuǎn)化率明顯提高。水蒸氣對(duì)不同種類石灰石的同時(shí)煅燒/硫化特性影響趨勢(shì)基本一致。

O2/CO2氣氛；石灰石；煅燒/硫化；水蒸氣

0 引 言

流化床富氧燃燒技術(shù)在碳捕集的同時(shí)可以通過添加石灰石固硫并能減少NOx排放，因此被認(rèn)為是一種能綜合控制燃煤污染物排放的新型燃燒技術(shù)[1-3]。富氧燃燒氣氛下，煅燒階段SO2的存在對(duì)石灰石煅燒/硫化特性影響較大。富氧循環(huán)流化床其CO2濃度可以高達(dá)80%以上，但當(dāng)燃用石油焦或無煙煤時(shí)，爐內(nèi)運(yùn)行溫度需在900 ℃以上，此時(shí)石灰石會(huì)分解，發(fā)生間接硫化反應(yīng)。循環(huán)流化床中的石灰石間接硫化反應(yīng)并非是煅燒完全的CaO顆粒與SO2的反應(yīng)，而是在石灰石顆粒內(nèi)同時(shí)發(fā)生的煅燒和硫化反應(yīng)，即同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)[4]。這與傳統(tǒng)CaO的硫化反應(yīng)有不同的特性，因此傳統(tǒng)的以CaO顆粒代替石灰石顆粒研究爐內(nèi)石灰石脫硫的過程并不十分合適[5]。

水蒸氣是鍋爐煙氣中重要的組成成分，尤其是在富氧循環(huán)流化床中，由于存在煙氣再循環(huán)，特別是在濕法煙氣循環(huán)方式下，水蒸氣的濃度甚至可達(dá)20%，因此，對(duì)石灰石的同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)，水蒸氣是不可忽略的影響因素。Wang[6]等發(fā)現(xiàn)在常規(guī)燃燒氣氛下煅燒中少量的水蒸氣會(huì)促進(jìn)石灰石的分解，認(rèn)為水分子削弱了CaO和CO2之間的結(jié)合。Borgwardt[7]等研究了煅燒產(chǎn)物CaO的燒結(jié)特性，發(fā)現(xiàn)水蒸氣和CO2會(huì)加速CaO孔結(jié)構(gòu)的燒結(jié)。Wang[8-9]等通過熱重分析系統(tǒng)研究了石灰石在常規(guī)燃燒氣氛下間接硫化和O2/CO2氣氛下直接硫化時(shí)水蒸氣的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水蒸氣對(duì)石灰石的硫化具有明顯促進(jìn)作用，并認(rèn)為可能是硫化過程中CaO與H2O生成了暫態(tài)化合物 Ca(OH)2，而Ca(OH)2更容易與SO2發(fā)生反應(yīng)，因此促進(jìn)了硫化反應(yīng)的進(jìn)行。Stewart[10]等人利用熱重分析和管式爐研究了在常規(guī)燃燒氣氛下的水蒸氣對(duì)石灰石間接硫化的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水蒸氣對(duì)硫化具有明顯的促進(jìn)作用并且存在最佳水蒸氣濃度，并通過實(shí)驗(yàn)分析把原因歸結(jié)為水蒸氣的存在加強(qiáng)了硫化反應(yīng)的固態(tài)離子擴(kuò)散，另外他們還在100 kW 微型循環(huán)流化床進(jìn)行了空氣氣氛下和富氧氣氛下的硫化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了水蒸氣的存在會(huì)提高鍋爐的脫硫效率，但同時(shí)指出過高的水蒸氣濃度反而可能會(huì)對(duì)脫硫效率帶來消極影響。Duan[11]等人在管式爐上研究了O2/CO2氣氛下的間接硫化特性和直接硫化特性，認(rèn)為水蒸氣對(duì)硫化的作用是在硫化后期的擴(kuò)散控制階段。

現(xiàn)有的關(guān)于水蒸氣對(duì)石灰石硫化特性的影響研究主要是先把石灰石煅燒生成CaO，然后再進(jìn)行試驗(yàn)研究，而實(shí)際循環(huán)流化床中石灰石煅燒與硫化并存，因此不能人為將石灰石煅燒與硫化過程分開，而對(duì)于水蒸氣對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化時(shí)硫化特性的影響還未見報(bào)道。同時(shí)，以往實(shí)驗(yàn)常采用熱天平逐步升溫[10,12-13](一般升溫速率為20～30 ℃/min)的研究方法，這和工程實(shí)際中石灰石突然置于高溫下差別較大；流化床反應(yīng)器的研究方法雖然很接近實(shí)際工況，但其不能評(píng)估反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致不能有效評(píng)估各反應(yīng)階段的影響因素，也不能得到各因素的影響權(quán)重[14]。

為彌補(bǔ)目前研究中僅以N2和空氣(沒有考慮SO2的影響)為煅燒氣氛以及熱天平逐步升溫系統(tǒng)和模擬流化床反應(yīng)器的不足，本文自制恒溫?zé)嶂匮b置，針對(duì)富氧氣氛下不同反應(yīng)條件對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到其反應(yīng)特性曲線，并對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

圖1為能夠?qū)崿F(xiàn)等溫下熱重信號(hào)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)用爐為管式爐，管長(zhǎng)800 mm，內(nèi)徑40 mm，有效恒溫段為300 mm以上，爐溫由溫控儀控制，其精度為±2 ℃。重量傳感器精度為0.1mg。石灰石反應(yīng)質(zhì)量變化通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采樣頻率為3s-1。模擬煙氣各組分體積分?jǐn)?shù)分別為φ(CO2)=75%、φ(O2)=5%不變，φ(SO2)=0.2 %，N2為平衡氣。進(jìn)入反應(yīng)爐內(nèi)的氣體流速大于0.1 m/s，前期重復(fù)性實(shí)驗(yàn)證明該氣體流速下可消除反應(yīng)過程中氣體擴(kuò)散影響[5]。利用該裝置前期進(jìn)行的研究表明，其具有足夠的精度[15-16]。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)選用沙嶺子電廠石灰石以及保定熱電廠石灰石，其化學(xué)成分采用X射線熒光光譜分析獲得并示于表1。每次實(shí)驗(yàn)稱取約80 mg石灰石樣品，平鋪于90 mm長(zhǎng)，12 mm寬，9 mm深的石英舟內(nèi)形成均勻的單顆粒厚度薄層。為盡可能接近工業(yè)實(shí)際，首先將爐溫升到設(shè)定溫度并穩(wěn)定60 min，然后通過滑軌將石英舟(內(nèi)置石灰石)迅速送入爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)CaCO3完全分解后，可以根據(jù)式(1)計(jì)算反應(yīng)過程中石灰石的鈣轉(zhuǎn)化率為

(1)

式中：mt為反應(yīng)過程中(石灰石完全分解后)樣品質(zhì)量；m0為煅燒階段無SO2時(shí)石灰石完全煅燒后質(zhì)量；mi為石灰石樣品質(zhì)量；A為石灰石中CaCO3質(zhì)量份額；WCaCO3、WCaSO4以及WCaO分別為CaCO3、CaSO4以及CaO的摩爾質(zhì)量。

表1 石灰石主要成分分析

Table 1 Principal component analysis of limestone %

為采用(1)式計(jì)算樣品的硫化轉(zhuǎn)化率，需要確定實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)樣品中的CaCO3是否完全分解，因而進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：當(dāng)同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)結(jié)束時(shí)，將樣品移至純N2氣氛下快速冷卻，然后把樣品研磨到粒徑小于10 μm后再次置于900 ℃、N2氣氛下煅燒，如果樣品質(zhì)量不再發(fā)生變化，則證明樣品中的CaCO3已完全分解。

孔結(jié)構(gòu)采用美國(guó)Micromeritics公司TristarⅡ3020全自動(dòng)比表面積及孔隙度分析儀在液氮飽和溫度(77 K)下進(jìn)行靜態(tài)等溫吸附測(cè)量?？捉Y(jié)構(gòu)測(cè)試儀經(jīng)實(shí)驗(yàn)前校準(zhǔn)，其誤差小于1.5 %。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為探討水蒸氣對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化特性的影響，選擇粒徑為150～250 μm的石灰石顆粒在溫度為900 ℃、SO2濃度為0.2%、水蒸氣濃度為0%或20%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(記為同時(shí)煅燒/硫化)，結(jié)果如圖2所示。作為對(duì)比，煅燒過程不含硫而硫化過程含0.2%SO2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(記為煅燒-硫化)也示于圖2。

圖2 水蒸氣對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化特性的影響

由圖2可看出，無論是對(duì)同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)還是煅燒-硫化反應(yīng)，水蒸氣對(duì)石灰石的煅燒和硫化都有明顯的影響。對(duì)于同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)，在20%水蒸氣條件下煅燒階段的樣品質(zhì)量下降速度快于0%水蒸氣時(shí)，同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)含20%水蒸氣的樣品質(zhì)量較高。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的樣品進(jìn)行研磨和再次煅燒實(shí)驗(yàn)證明圖2中經(jīng)過同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)的樣品已經(jīng)完全分解。同時(shí)煅燒/硫化工況下，在0%和20%水蒸氣下的樣品最終硫化轉(zhuǎn)化率分別為36.9%、41.4%，相對(duì)提高了12.2%。而對(duì)于煅燒-硫化反應(yīng)，水蒸氣的存在也對(duì)其有很大影響。同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)與煅燒-硫化反應(yīng)另一個(gè)很大的差別是煅燒質(zhì)量最低點(diǎn)含義不同，同時(shí)煅燒/硫化工況下，考慮到煅燒階段硫化的影響，相對(duì)質(zhì)量最低點(diǎn)并不是石灰石完全煅燒點(diǎn)。實(shí)際上，流化床中所進(jìn)行的是石灰石的同時(shí)煅燒/硫化過程，這或許是導(dǎo)致其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果不符的原因之一，因此有必要對(duì)實(shí)際流化床中所進(jìn)行的同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的討論。

2.1 水蒸氣濃度的影響

為詳細(xì)探討不同水蒸氣濃度下石灰石對(duì)同時(shí)煅燒/硫化特性的影響，選擇粒徑為150～250 μm的石灰石在75%CO2，5%O2，0.2%SO2，N2平衡條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，水蒸氣濃度分別為0%、10%、20%，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水蒸氣濃度對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化特性的影響

由圖3可看出：在石灰石失重階段，當(dāng)水蒸氣存在時(shí)石灰石失重速率較快，例如在0%、10%、20%這3種水蒸氣濃度下，到達(dá)失重速率最低點(diǎn)的時(shí)間分別為320、250、215 s；而對(duì)于石灰石增重階段，當(dāng)存在水蒸氣時(shí)，石灰石質(zhì)量增加較快，即硫化速率較高，水蒸氣的存在促進(jìn)了硫化反應(yīng)的進(jìn)行，最終鈣轉(zhuǎn)化率得到提高，例如3種水蒸氣濃度下最終鈣轉(zhuǎn)化率分別為36.9%、39.3%、41.4%。

2.2 溫度的影響

在富氧循環(huán)流化床中，溫度是影響硫化反應(yīng)的重要因素，溫度對(duì)石灰石的硫化反應(yīng)具有2方面的作用，一方面溫度的升高對(duì)硫化反應(yīng)具有促進(jìn)作用，另一方面過高的溫度會(huì)導(dǎo)致CaO顆粒燒結(jié)，從而對(duì)硫化反應(yīng)產(chǎn)生消極的作用。圖4分別為900、950和1 000 ℃下，水蒸氣對(duì)沙嶺子電廠石灰石的同時(shí)煅燒/硫化特性的影響。石灰石粒徑為150～250 μm、0.2%SO2、反應(yīng)氣氛含有0%、20%水蒸氣。

從圖4中可看出，在含有水蒸氣時(shí)，其煅燒過程中石灰石顆粒完全分解時(shí)間縮短，且對(duì)石灰石的硫化反應(yīng)也總會(huì)有促進(jìn)作用。樣品的鈣轉(zhuǎn)化率分別從含有0%H2O時(shí)的36.49%、44.54%、45.57%到含有20%H2O時(shí)41.11%、56.45%、63.58%，分別提高了4.62%、11.91%和18.01%。在含有0%H2O時(shí)，富氧氣氛有利于高溫下的硫化反應(yīng)的進(jìn)行，但溫度高于950 ℃時(shí)，提高反應(yīng)溫度CaO燒結(jié)嚴(yán)重，鈣轉(zhuǎn)化率提高不明顯。但在同一水蒸氣濃度下，相同的反應(yīng)時(shí)間，隨著溫度的增加，轉(zhuǎn)化率相應(yīng)的增加。這說明在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，溫度的升高對(duì)硫化反應(yīng)的促進(jìn)效果與燒結(jié)相比，具有更大的影響。尤其是水蒸氣存在時(shí)，樣品的煅燒速率更快，且越高溫度下水蒸氣對(duì)最終石灰石鈣轉(zhuǎn)化率的提升越明顯。

圖4 溫度對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化特性的影響

2.3 粒徑的影響

在流化床中，吸收劑粒徑會(huì)在一個(gè)寬泛的范圍內(nèi)變化。因此，有必要研究水蒸氣對(duì)不同粒徑石灰石顆粒硫化反應(yīng)的影響。

圖5為不同粒徑范圍內(nèi)沙嶺子電廠石灰石同時(shí)煅燒/硫化反應(yīng)特性曲線圖，反應(yīng)溫度為900 ℃，CO2濃度為75%，O2濃度為5%，SO2濃度為0.2%，N2平衡氣體，0%、20%H2O。從圖5可明顯看出，小粒徑石灰石更容易煅燒，分解速率更快。在沒有水蒸汽的工況下，硫化過程中粒徑效應(yīng)明顯，3種粒徑分別為75～97、150～250、355～450 μm的沙嶺子電廠石灰石最終的鈣轉(zhuǎn)化率分別為51.96%、34.76%和15.63%。水蒸氣對(duì)各種粒徑的石灰石煅燒/硫化特性也都表現(xiàn)出了促進(jìn)作用，其促進(jìn)程度隨粒徑的變化而不同。3種粒徑的石灰石在含有20%H2O時(shí)，鈣轉(zhuǎn)化率分別提高了8.4%、3.57%和3%。硫化速率和最終的鈣轉(zhuǎn)化率都隨著石灰石粒徑的減小呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。這種趨勢(shì)的產(chǎn)生是因?yàn)樾×绞沂w粒具有更大的反應(yīng)表面積，有利于氣固反應(yīng)的進(jìn)行，表現(xiàn)為硫化反應(yīng)速率的提高。同時(shí)，由于反應(yīng)過程中孔隙的堵塞，阻礙了CaO顆粒內(nèi)進(jìn)一步的硫化反應(yīng)，而小粒徑石灰石顆粒硫化反應(yīng)部分相對(duì)更大，從而最終得到更高的鈣轉(zhuǎn)化率。

圖5 石灰石粒徑對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化特性的影響

2.4 石灰石種類的影響

循環(huán)流化床的脫硫效率和循環(huán)流化床的運(yùn)行狀態(tài)以及石灰石脫硫劑的種類有很大的關(guān)系，石灰石的種類也是影響硫化效率的一個(gè)重要因素。

圖6為2種石灰石(150～250 μm)在900 ℃下分別含有0%、20%H2O下鈣轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化。從圖6可見水蒸氣對(duì)不同種類的石灰石硫化都具有促進(jìn)作用，但其鈣轉(zhuǎn)化率在相同反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的提高程度隨石灰石種類的不同而不同，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)，保定熱電廠和沙嶺子電廠石灰石從0%H2O到20%H2O時(shí)鈣轉(zhuǎn)化率分別提高了3.48%和4.59%。這是由于石灰石的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)的差異影響到水蒸氣對(duì)石灰石硫化過程的促進(jìn)作用，從而最終影響到了石灰石的最終鈣轉(zhuǎn)化率。

圖6 石灰石種類對(duì)石灰石同時(shí)煅燒/硫化特性的影響

3 水蒸氣影響的機(jī)理分析

由上可知，水蒸氣無論是對(duì)石灰石煅燒還是煅燒產(chǎn)物硫化都具有促進(jìn)作用。水蒸氣對(duì)煅燒和硫化反應(yīng)的促進(jìn)作用，一方面可能提高其反應(yīng)速率，另一方面可能改變了顆粒的孔結(jié)構(gòu)。為了分析富氧氣氛下水蒸氣濃度對(duì)孔結(jié)構(gòu)特性的影響，對(duì)900 ℃、φ(SO2)=0.2%、粒徑為150～250 μm的沙嶺子電廠石灰石顆粒進(jìn)行了研究。對(duì)比樣本的實(shí)驗(yàn)氣氛分別含有0%、20%水蒸氣。石灰石反應(yīng)過程中失重質(zhì)量最低點(diǎn)時(shí)吸收劑孔結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 水蒸氣對(duì)石灰石煅燒/硫化樣品孔結(jié)構(gòu)特性影響

圖7為富氧燃燒氣氛下水蒸氣對(duì)石灰石煅燒/硫化產(chǎn)物孔結(jié)構(gòu)特性影響，可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)氣氛中存在20%水蒸氣時(shí)，吸收劑顆粒無論是孔徑分布、孔容積以及比表面積都相對(duì)較大，其中孔容積與比表面積分別相對(duì)增大48.13%與10.44%。對(duì)于氣固反應(yīng)，固體顆粒具有較大比表面積有助于反應(yīng)速率的提高，同時(shí)良好的孔徑分布也有利于硫化反應(yīng)的深入進(jìn)行，從而取得更高的鈣轉(zhuǎn)化率，這可能是水蒸氣對(duì)石灰石硫化起促進(jìn)作用的原因之一。

4 結(jié) 論

(1)水蒸氣提高了石灰石煅燒速率，石灰石完全分解時(shí)間縮短；水蒸氣存在時(shí)，石灰石煅燒產(chǎn)物孔徑分布向大孔處偏移，硫化反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散控制階段延長(zhǎng)，最終鈣轉(zhuǎn)化率提高。

(2)當(dāng)反應(yīng)氣氛含有水蒸氣時(shí)，在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨反應(yīng)溫度的升高，石灰石煅燒速率以及硫化速率均不同程度的相對(duì)提高，最終表現(xiàn)為石灰石鈣利用率的提高，且提高量隨著溫度的提升而愈發(fā)明顯。

(3)粒徑效應(yīng)對(duì)石灰石硫化反應(yīng)影響顯著，隨石灰石顆粒粒徑減小，石灰石煅燒/硫化速率提高，最終鈣轉(zhuǎn)化率提高，水蒸氣的存在會(huì)讓這個(gè)現(xiàn)象越發(fā)顯著。

(4)2種石灰石由于其組分和結(jié)構(gòu)特性不同，在煅燒/硫化時(shí)表現(xiàn)出不同的硫化特性，整體上水蒸氣對(duì)2種石灰石的硫化都有促進(jìn)作用，但程度不一。

[1]張學(xué)鐳, 崔巍. 鈣基吸收劑捕集1 000 MW機(jī)組煙氣中CO2的性能分析[J]. 電力建設(shè), 2015, 36(5): 119-124. ZHANG Xuelei, CUI Wei. CO2capture performance from flue gas in 1 000 MW unit with using ca-based sorbent[J]. Electric Power Construction, 2015, 36(5): 119-124.

[2]張東輝, 莊燁, 朱潤(rùn)儒, 等. 燃煤煙氣污染物超低排放技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析[J]. 電力建設(shè), 2015, 36(5): 125-130. ZHANG Donghui, ZHUANG Ye, ZHU Runru, et al. Ultra-low air pollutant control technologies for coal-fired flue gas and its econmic analysis[J]. Electric Power Construction, 2015, 36(5): 125-130.

[3]祝云飛,閻維平, 王禹朋, 等. CFB鍋爐兩級(jí)脫硫系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析及優(yōu)化[J]. 電力建設(shè), 2015, 36(6): 109-113. ZHU Yunfei, YAN Weiping, WANG Yupeng, et al. Technical economic analysis and optimization of two-stage desulfurization system for CFB boiler[J]. Electric Power Construction, 2015, 36(6): 109-113.

[4]BAKER E H. The calcium oxide-carbon dioxide system in the pressure range 1-300 atmospheres[J]. Journal of the Chemical Society, 1962，70: 464-470.

[5]王春波, 張斌, 陳亮, 等. 富氧燃燒氣氛下石灰石煅燒/硫化特性及模型模擬[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(4): 1537-1543. WANG Chunbo, ZHANG Bin, CHEN Liang, et al. Characterization and modeling of limestone calcination and sulfation in oxy-fuel combustion atmosphere[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2015, 66(4): 1537-1543.

[6]WANG Y, THOMSON W J. The effects of steam and carbon dioxide on calcite decomposition using dynamic X-ray diffraction[J]. Chemical Engineering Science, 1995, 50(9): 1373-1382.

[7]BORGWARDT R H. Calcium oxide sintering in atmospheres containing water and carbon dioxide[J]. Industrial Engineering Chemistry Research, 1989, 28(4): 493-500.

[8]WANG Chunbo, JIA Lufei, TAN Yewen, et al. Influence of water vapor on the direct sulfation of limestone under simulated oxy-fuel fluidized-bed combustion conditions[J]. Energy & Fuel, 2011, 25(1): 617-623.

[9]WANG Chunbo, JIA Lufei, TAN Yewen, et al. The effect of water on the sulphation of limestone[J]. Fuel, 2010, 89(9): 2628-2632.

[10]STEWART M C, MANOVIC V, ANTHONY E J, et al. Enhancement of indirect sulphation of limestone by steam addition[J]. Environmental Science and Technology, 2010, 44(22): 8781-8786.

[11]DUAN Lunbo, JIANG Zhongxiao, CHEN Xiaoping, et al. Investigation on water vapor effect on direct sulfation during wet-recyle oxy-coal combustion[J]. Applied Energy, 2013, 108: 121-127.

[13]CHEN Chuanmin, ZHAO Changsui, LIU Songtao, et al. Direct sulfation of limestone on oxy-fuel combustion technology[J]. Environmental Engineering Science, 2009, 26(10): 1481-1488.

[14]王春波, 周興, 鄭之民, 等. 水蒸氣對(duì)石灰石循環(huán)煅燒/碳酸化捕集二氧化碳的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(8): 1224-1230. WANG Chunbo, ZHOU Xing, ZHENG Zhimin, et al. Influence of steam on the limestone calcination/carbonation looping cycle for CO2capture[J]. Proceedings of the CSEE. 2014, 34(8): 1224-1230.

[15]WANG Chunbo, ZHANG Yue, JIA Lufei, et al. Effect of water vapor on the pore structure and sulfation of CaO[J]. Fuel, 2014, 130: 60-65.

[16]WANG Chunbo, WANG Jinxing, LEI Ming, et al. Investigations on combustion and NO emission characteristics of coal and biomass blends[J]. Energy & Fuel, 2013, 27(9): 6185-6190.

(編輯 蔣毅恒)

Effects of Steam on Simultaneous Calcination and Sulfation of Limestone under O2/CO2Conditions

GUO Taicheng1, DENG Fei2, ZOU Chan1, WANG Chunbo1

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China;2. Hebei Xibaipo Power Generation Co., Ltd., Shijiazhuang 050000, China)

To further discuss the effect of steam on the sulfation characteristics under oxygen-enriched atmosphere, this paper implements the simultaneous calcination and sulfation experiment for limestone in oxygen-enriched combustion with using isothermal thermogravimetric experiment device, and studies the influences of steam concentration, temperature, particle size and limestone type on the simultaneous calcination/sulfation characteristics of limestone. The calcination rate is increased by the presence of H2O, which results in a shorter time needed for the complete decomposing of limestone. There is an obvious promotion by H2O in the diffusion controlled stage; however the influence is hardly detected in the dynamic controlled stage. The influence of steam is highlighted with the increase of temperature (within experimental range) under oxygen-enriched atmosphere, and the finally calcium conversion rate increases with the temperature increasing. The effect of particle size is significant, and the ultimate calcium conversion rate increases significantly with the decrease of limestone particle size. The influences of steam on the simultaneous calcination/sulfation characteristics of different types of limestone are basically the same.

O2/CO2atmosphere; limestone; calcination/sulfation; steam

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276064)

TM 621.2

A

1000-7229(2016)01-0097-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.015

2015-09-14

郭泰成(1992)，男，碩士，主要從事潔凈煤燃燒與污染物控制工作；

鄧菲(1990)，女，碩士，主要從事火電廠運(yùn)行及檢修工作；

鄒潺(1992)，男，碩士，主要從事潔凈煤燃燒與污染物控制研究工作；

王春波(1973)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事潔凈煤技術(shù)與污染物控制方面的研究工作。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51276064)