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共沉淀法掺杂离子氧化钙吸收剂脱硫反应机理

2023-10-18 来源:客趣旅游网
第46卷第9期 热 力 发 电 THERMAL POWER GENERATION Vl01.46 No.9 Sep.2017 2017年9月 共沉淀法掺杂离子氧化钙吸收剂 脱硫反应机理 王 林1,高继慧2,车宏伟1,井新径1,李 阳 ,罗 志 (1.西安热工研究院有限公司,陕西 西安710054; 2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150001) [摘 要]利用共沉淀法设计制备了晶格内掺有不同半径杂离子的CaO吸收剂,研究了杂离子类型对 脱硫反应的影响;基于离子晶体内原子扩散的空位缺陷理论,获得了掺杂不同半径离子对 硫化产物层离子扩散影响的整体规律,并利用傅氏转换红外线光谱分析4z( ̄3描电子显微 镜)和X射线衍射仪对掺有不同半径杂离子的Ca0吸收剂进行分析。结果表明:掺杂Ba2 后的CaO吸收剂脱硫性能最佳,而掺杂Mgz 的效果最差;设计样品中实现了杂离子与Ca2+ 原子水平的掺混:杂原子掺入引起了CaO相应的晶格畸变,大半径杂离子能增加晶体中的 空位点缺陷数量,提高吸收剂脱硫性能,而小半径杂离子则对产物层固态离子扩散无促进 作用。 [关键词]共沉淀法;离子掺杂;氧化钙吸收剂:脱硫;空位缺陷;固态离子扩散;脱硫性能 [中图分类号]TK229.2[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2017)09—0124—06 [DOI编号]10.3969/j.issn.1002.3364.2017.09.124 Desulfurization mechanisms of ions diffusion of synthetic CaO sorbents using CO-precipitation method WANG Lin ,GAO Jihui ,CHE Hongwei ,JING Xinjing ,LI Yang ,LUO Zhi (1.Xi’an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710054,Chma; 2.School ofEnergy Science nd aEngineering,Harbm nstIiutte ofTechnology,Harbin 150001,Chma) Abstract:By co-precipitation method.CaO sorbents in which Ca2+and hetero—ion(with diferent radius)were mixed in the crystalline lattice were prepared.The effect of hetero—ion type on desulfurization reaction was studied. On the basis of the vacancy defect theory in solid—state ions difusion.the comprehensive rules about ion—doping promoting ion difusion in sulfated product layer were obtained.The Fourier transfo-rrn infrared spectroscopy (FTIR)and X—ray diffractometer were used to analyze the desulfurization performance of each sample.The result show that,the samples mixed wim Ba2 has the best desulphurization performance,while that with Mg2 has the worst.The dopant ions were successfully mixed with Ca2 at atom leve1.The dopant ions brought in lattice distortion.It concluded that tl1e dopant ions which have a 1arger radius can increase the number of space point defects and improve the desulurfization ability of he tsample.but the smaller radius dopant ions have no positive efrect. Key words:CO—precipitation method,ion doping,CaO absorbent,desulfurization,vacancy defect,solid—state ions diffusion,desulfurizaiton performance 煤炭燃烧造成的环境污染问题日益严峻,其中 反应[ 】。武增华等[3]指出,CaO固硫的整个过程分 为表面化学反应和产物层扩散控制2阶段。第1阶 S02污染最为突出。石灰石因其储量丰富、价廉、 易得而成为应用最广泛的脱硫系统吸收剂[1]。但在 脱硫反应中,吸收剂表面会形成一层致密的硫化产 物层,封闭空隙,阻碍内部吸收剂进一步参与脱硫 段反应速度很快;第2阶段中,前一阶段未反应的 吸收剂以固态离子扩散的形式穿过产物层到达界 面继续反应[4],反应速率极慢因此第2阶段是CaO 收稿日期:2016 11—24 第一作者简介:qc ̄(1989一),男,硕士研究生,主要研究方向为电站锅炉燃烧污染物排放控制技术,wanglina@tpri.com.cn。 第9期 王 林等共沉淀法掺杂离子氧化钙吸收剂脱硫反应机理 125 脱硫反应的关键步骤[5]。产物层的出现,是脱硫反 应不彻底、钙基吸收剂利用率低下的根本原因。研 究者针对如何促进产物层中的固态离子扩散进行 了大量研究,取得了显著的研究成果。王春波等[6] 研究了由Na2CO3溶液调质的石灰石煅烧产物CaO 表1掺杂离子种类 Table 1 The doping ion type 的物理结构与硫化特性,认为调质吸收剂之所以脱 硫性能更佳,是因为Na+取代了Ca2 ,造成了更多 的晶体缺陷,提高了固态离子扩散能力[7-9]。尚建宇 等【l0】通过模拟分析得出,产物层中存在Ca2 和SO42- 的定向扩散流。其他研究者[11_l2】也对无机盐类离子 掺杂改善钙基吸收剂脱硫性能进行了研究,但这些 研究多局限于Na+、 等有限的几种与Ca2 半径接 近的盐离子,未能对更广范围半径的离子掺杂进行 采用自建的固定床实验系统进行CaO样品的 硫化实验,固定床实验系统如图l所示。 实验,因而难以得出各类杂离子对硫化产物层扩散 能力影响的全面规律。 此外,上述研究多采用化学溶液浸渍法,难以 在吸收剂制备阶段即实现杂离子在本体晶格层面 的定型、定量掺入,且大多是利用后期分析手段追 认所用掺杂方法的效果,进而论证晶体缺陷是吸收 剂性能提升的原因,故缺乏说服力。共沉淀法能够 实现多金属离子晶体晶格内原子层面上的均匀混 合[13],故本文利用液相离子共沉淀法,挑选原子半 径不同的杂离子掺入到样品晶格中,设计制造了含 有不同类型掺杂离子的钙基吸收剂,对比分析了各 吸收剂对脱硫性能的影响。 1一控制阀;2一质量流量计;3一混气罐;4一管式炉;5一石英管反应 器;6一caO样品:7一傅氏转换红外线光谱分析仪;8一洗气瓶。 图1固定床实验系统 Fig.1 Schematic diagram of the fixed bed reactor system 1实验仟口1=口3及系统 本文利用化学共沉淀法制得CaCO3,煅烧 CaCO3获得CaO,钙离子与掺杂离子的摩尔比均为 4:1。以Ca2+、Mg2+为例描述共沉淀法的典型步骤: 1)将CaC12和MgC12・6H20按设定金属离子 摩尔比溶解到去离子水中,配成体积为100 mL,总 浓度为1.5 mol/L的混合溶液; 2)在室温下,用力搅拌混合溶液,同时向其中 2结果及讨论 2.1脱硫性能分析 本文脱硫实验在800℃下进行2 h。实验用 0.5 g CaO作为吸收剂,通过反应器模拟烟气总量为 1 500 mL/min,其中SO2质量浓度为5 142.9 mg/m3, 02体积分数为6%,剩余平衡气体为N2。所用仪器 为芬兰Gasmet产DX4000型便携式傅里叶变换多 组分气体分析仪。 逐滴加入50 mL浓度为1 mol/L的Na2CO3溶液, 从而产生碳酸盐沉淀; 图2为4份CaO吸收剂样品的脱硫曲线对比。 由图2可见:1)在反应初始阶段,4份吸收剂的脱 3)滴加完成,停止搅拌,将沉淀物静置陈化 24 h后进行抽滤,同时对沉淀物进行洗涤,当检测 到滤液电导率低于700 ̄tS/em时停止洗涤,洗去沉 淀上黏附的Na+; 4)将所得滤饼放入红外线加热烘箱中,在 硫曲线斜率差别较大,掺Mg2 吸收剂的脱硫曲线斜 率最大,表明其硫化反应速率最慢,其次为掺zn 吸收剂,再次为纯CaO吸收剂,脱硫效果最佳的是 掺Ba2 吸收剂;2)随着反应的进行,掺Mg 吸收 剂最先达到吸收饱和状态,曲线变得平缓,其他3 种吸收剂达到饱和的先后顺序依次为掺zn2 吸收 剂、掺Mg2+吸收剂和掺Ba2 吸收剂,掺Ba2 吸收剂 的反应活性保持最长时间。 100℃下干燥2 h后,将样品置于马弗炉中,在 800℃下于空气中煅烧2 h,最终获得含3种杂离 子和未实施掺杂的4份CaO吸收剂(表1)。 http://www.rlfd.corn.ca 第9期 王林等共沉淀法掺杂离子氧化钙吸收剂脱硫反应机理 127 2.4硫化产物XRD分析 王春波等[14】指出,吸收剂晶体中空位点缺陷的 生成,是产物层中固态离子进行扩散的根本原因。 因此,吸收剂脱硫性能的改善与晶体中空位缺陷的 数量直接关联。为证明进入CaO晶格的杂离子引起 了CaO的晶格畸变和晶体缺陷数量变化,本文利用 4所示。由图4可见:以纯CaO吸收剂为基准,掺 Ba2 吸收剂向左偏移;掺Mg2 和掺Zn2 吸收剂向右 偏移,且掺Mg2 吸收剂偏移程度更大。由晶体学布 拉格方程可知,晶面间距与衍射角度成反比例关 系。若衍射峰向高角度偏移,则意味着晶格常数变 小,说明掺入了比主体原子半径小的杂原子;若衍 日本理学株式会社产D/max—RB型x射线衍射 (XRD)测试分析了各份样品的衍射图谱,结果如图 3 5 000 30000 25 000 2O 00O 射峰向低角度偏移,则意味着晶格常数变大,掺入 了比主体原子半径大的杂原子。 积1 5 000 l0 000 暇 g 5 000 O 25 3O 35 40 45 5O 55 60 65 20/(。) a)全谱图 b1 32.2。特征峰 黑 憩 c)53.8。特征峰 d1 4.1。特征峰 图4硫化样品XRD分析 Fig.4 XRD analysis of the sulfated samples 本实验选择添加的3种离子,其原子半径与 Ca2+ ̄较结果为:Mg2 <Ca2+ ̄-Zn2 <Ba2 。将此结果 与XRD数据对比,发现离子半径的大小顺序与其 与Ca2+半径差距越大,混合晶体的晶格扭曲变形程 度也越大,晶格畸变度就越高,产生晶体缺陷的数 量也会越多。 谱线的偏移方向及偏移程度具有一致性,符合晶体 衍射布拉格方程。实验数据与设计掺入的杂原子相 符合,说明不同半径的杂原子确已进入CaO晶格, 并引起了不同形式和不同程度的晶格畸变。根据 XRD数据,利用近似函数法计算了各份样品的晶格 畸变度,结果如图5所示。由图5可见,相比纯CaO 宙 蟾 咯 吸收剂,掺加Ba2 吸收剂晶格畸变度显著增大,掺 加Mg2 吸收剂晶格畸变度也增大了20.2%,掺加 zn2+吸收剂晶格畸变度变化较小。因此,样品晶格 畸变程度的大小与所掺杂离子的种类有关,杂离子 图5 CaO吸收剂晶格畸变度 Fig.5 The lattice distortion degree of CaO absorbents http://www.rlfd.tom.cn l28 热 力 发 电 基于原予半径及离子间作用力,推断杂离子掺 入本体晶格将出现图6所示情况。进一步分析发现, 杂离子进入本体离子晶体的晶格,所存在的位置只 有2种:1)杂离子占据原本体离子的位置(置换 型):2)杂离子进入本体离子间的空隙(间隙型)。 由图6可见:自然状态下形成的离子晶体,本身会 实现[1 5],故小半径杂离子进入间隙对提高固态离子 扩散能力没有积极作用,由此可以得到,小半径杂 离子(如Mg2 、Zn2 )的掺入对硫化产物层离子扩 散能力无促进作用。相反,大半径杂离子(如Ba ) 掺入后,因元素周期数较大,故离子半径远大于 Ca2 。如图6c)中,Ba2 掺入后对周围Ca 的挤压排 自带一定数量的空位缺陷,小半径杂离子掺入后, 其存在位置可能与原有空位复合,减少了晶体中的 阳离子空 数量,使得产物层内嘲态离子扩散的能 力减弱;小半径杂离子也可能进入本体原子间隙, 但离子晶体中原子扩散仅依赖于 位点缺陷才能 斥作用 著,晶体晶格严重变形,故晶格畸变度显 著增大。大半径的Ba2 在CaO晶体中会撑出较多的 空位,从而增加了空位点缺陷的数量,提高了硫化 产物层中固态离子的扩散能力,使得Ba2 掺杂吸收 剂的脱硫效果最优。 1J]J]j]J a)自然状态 b1小半径离lr掺入 c)人半径离r掺入 图6 CaO晶格内掺杂离子情况 Fig.6 Ion doping in the crystalline lattice 3结 论 本文基于晶体内离子扩散的空位缺陷理论,利 DUO、 LAURSEN K,LIM J,GRACE J.Crystallization and fracture:product layer diffusion in sulfation of calcined 1imestone[J1. 1ndus ̄ial & Engineering Chemistry Research,2004,43(1 8):5653—5662. 用化学共沉淀法没计制造掺杂不同半径离子的 CaO吸收剂,研究了掺杂各种离子对产物层扩散性 能及硫化反应特性的影响,得出以下结论。 武增华,许玲,陈昌和.添加剂对氧化钙同硫促进作 用的机理探讨『J].煤炭转化,2000,23(3):72—76. WU Zenghua,XU Ling,CHEN Changhe,et a1. Mechanism of additives on CaO sulfation[E.Coal Conversion,2000,23(3):72—76. MAHULI S K,AGNIH0TRI R,CHAUK S,et al,Pore— structure optimization of calcium carbonate for enhanced 1)共沉淀法能够实现杂离子与本体离子晶格 内原子层面的均匀混合,掺加Ba 的吸收剂脱硫性 能最佳,掺加Mg2 的吸收荆效果最差,且掺加Mg 和Zn2 的吸收剂脱硫效果比纯CaO吸收剂差。 sulfationlJ].AIChE Journal,l 997,43(9):2323—2335. 春波,陈传敏.碳酸钙直接硫化反应产物层 态离 子扩散机理研究【J】.中旧电#J LTC程学报,2007,27(35): 44—48. 2)大半径杂离子的掺入会提高CaO晶体中的 空位点缺陷量,促进产物层固态离子扩散,提高吸 WANG Chunbo.CHEN Chuanmin.Investigation on solid state ions dilusifon in the product layer of direct 收剂的脱硫性能;小半径杂离子的掺入,则对空位 数量的提高无增加作用,因而降低了吸收剂的脱硫 }生能。 sul ̄tion reaction of Iimestone[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(35):4—48. 王春波 沈湘林.Na2CO3调质钙基脱硫剂硫化机理实 验研究Ⅲ.工程热物理学报,2002,23(5):641—644. WANG Chunbo,SHEN Xianglin.The investigation on the sul ̄tion mechanisms of Ca—based SOrbent modiifed by [参考文献] [1] 袁中山, 迪铺,=f:树尔.采用一{4】=化燃煤添加剂的 燃烧中例硫作川研究[J].燃料化学学报,2002,30(1): 3—40. Na2C03[J].Journa1 of Engineering Thermophysics,2002, 23f51:641.644 [7] ALvAREZ E. GONZALEZ J F.High pressure thermogravimetric analysis of the direct sul ̄tion of YUAN Zhongshan,WU Diyong,WANG Shudong.Study on sulfur retention of integrated additive during coal Spanish calcium based sorbents[J].Fuel,1 999,78(3): 341.348. A B.VELASC0 G、FUENTE E,ALVAREZ [8] FUEI ES combustion[J1.Journal of Fuel Chemistry and Tech— nology,2002,30(1):36—40. Study of the direct sulfation of limestone particles at high http://www.rlfd.corn.cn 第9期 王 林等共沉淀法掺杂离子氧化钙吸收剂脱硫反应机理 129 CO2 partial pressures[J].Fuel Processing Technology, 2004,79(21:121.133. 1994,38f3 :181-192. L 13]FILITZ R,KIERZKOWSKA A M,BRODA M,et a1. L9j ZEVENHOVENCA P-YRJASK P.HUPAMM.Product Hi曲ly efifcient C02 SOrbents:development of synthetic, layer development during sulfation andsulifdation of calcium-rich dolomites[J1. Environmentla Science uncaleined limestone particles at elevated pressures[J1. Technology,2012,46(1):559.565. Industrial&Engineering Chemistry Research。1 998. [14]王春波,李永华,陈鸿伟.调质脱硫剂硫化反应产物 37(7):2639—2646. 层固态离子扩散机理的研究[J】.热能动力工程,2004, [10]尚建宇,王松岭,王春波,等.脱硫CaO团聚体晶粒产 1 9r51:467.470. 物层内Ca2十和SO42-的扩散行为[J].中国电机工程学 Ⅵ NG Chunbo.LI Yonghua.CHEN Hongwei.An 报,2009.29(29):52.56. Investigation of the mechanism of solid state ion SHANG Jianyu,、)l NG Songling,、^ NG Chunbo,et al, difusion in the sulfidation reaction product layer of a The dilfusion behavior of Ca2 and SO42‘in CaO sorbent modiifed desulfufization agent[J1.Proceedings of the aggregate crystal production layer[]J.Proceedings of the CSEE,2Oo4,1 9(51:467 470. CSEE,2009,29(29):52.56. [15]胡赓祥,蔡殉,戎咏华.材料科学基础[M】.3版.上海: [11]王春波,陈鸿伟,吉云.调质钙基脱硫剂硫化特性研 上海交通大学出版社,2010:157. 究[J】.中国电机工程学报,2004,24(12):238 242. HU Gengxinag,CAI Xun,RONG Yonghua.Foundations 、^ NG Chunbo。CHEN Hongwei.肛Yun.Investigation of materials science[M].3rd ed.Shanghai:Shanghai Jiao on sulfation ofmodifled ca.based sorbent[J1.Proceedings Tong University Press,2010:157(ni Chinese). ofthe CSEE,2004,24(12):238.242. L12J WANGC,SHENX,XUY Investigation on sulfation of modiifed Ca.based sorbent[J].Proceedings of the CSEE, (责任编辑杨嘉蕾) http://www.rlfd.com.cn 

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