氧化钙高温脱除生活垃圾热处理过程中含氯酸性气体的实验研究

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城市生活垃圾产量的逐年增加,给我国的环境、资源等各方面都带来了巨大的压力,垃圾焚烧发电技术由于在减量化、无害化、资源化等方面的优势在我国得到了迅速的发展。但我国的城市生活垃圾成分复杂,含氯量高,在焚烧过程中产生的HCl等酸性气体会带来高温腐蚀、二次污染等问题,会制约其在经济和环保方面的优势和发展。虽然炉后的烟气净化处理系统在一定程度上能使烟气排放达到日益严格的标准,但HCl等酸性气体的存在仍然对蒸汽参数的造成了限制,并且参与了二恶英的生成。因此,进行炉内协同脱除HCl等酸性气体的研究,能为更加高效清洁的解决生活垃圾问题提供可能。然而钙基吸收剂对于不同酸性气体协同脱除的机理以及相互影响比较复杂,在此方面的研究相对不足,因此在这方面进行进一步的研究和探索具有一定的工程意义和经济潜力。本文首先通过热力学模拟软件Fact Sage,初步探究了氧化钙与垃圾热处理过程的烟气在温度、组分、反应比例等方面的规律。结果显示几种酸性气体与Ca O的结合能力可归纳为SO2>HCl>CO2,其产物的稳定性也基本一致,但HCl与CO2在600℃~800℃的竞争性出现了一个反转。而在气化气氛中,HCl对应产物Ca Cl2的分解温度由焚烧气氛下的800℃左右提高到了950℃,说明了在气化还原性条件下,Ca O对于HCl的吸收固定效果更好。在氧化钙与氯化氢的气固反应机理方面进行了相应的热力学计算和动力学分析,梳理了收缩的未反应核模型。进行了Ca O吸收HCl的实验,当反应温度从650℃升至850℃时,对HCl的吸收量由312.2mg/g-Ca O降低到了217.8mg/g-Ca O,符合热力学模拟的结果。反应初始阶段的吸收速率基本相同,均在3.0 mg/g-Ca O·min左右,根据实验数据和规律定义了一个临界钙氯比Ca:Cl=6.76:1,当钙氯比大于这个比值时,继续增加钙氯比不会对初始的反应速率产生影响。结合了实验数据对模型进行拟合,确定了化学反应控制和产物层扩散控制是该反应过程初始阶段和最终阶段的关键机制,计算得出了相关动力学参数。随着温度由650℃升至850℃,用以表征产物层抗扩散性与化学反应抗性强弱的θ2由7.42降低到了4.19,说明随着温度的升高,化学反应控制的影响效果有一定增强,但产物层扩散的影响仍占主要。在固定床反应系统中进行了不同酸性气体的协同吸收实验,发现仅当HCl-SO2或HCl-CO2与氧化钙发生协同吸收反应,SO2、CO2对高温段HCl的吸收均表现出一定的抑制作用,且850℃时的吸收效果均优于750℃。而当采用模拟烟气,HCl、SO2、CO2等同时与Ca O发生反应时,Ca O对HCl的吸收转化率接近了Ca O对HCl单独吸收时的水平。通过对阶段性复现实验的产物进行SEM、BET等检测分析,明确了产物层形态结构的生长变化。结合文献分析明确了在焚烧气氛下进行高温脱除含氯酸性气体时,CO2对于孔隙活性位点的促进作用以及硫酸化产物及其共熔物对氯化产物的包裹保护作用,促进了HCl的进一步吸收,展现了高温脱氯潜力和优势。通过对该组实验数据与动力学模型的拟合,也发现了产物层扩散控制效果的增强。在850℃下进行了烟气氯硫比、吸收剂种类等其他参数对于高温脱除含氯烟气影响的实验,指出了钙基吸收剂的在高温下脱除含氯酸性气体的关键因素,为后续的研究提供参考。
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