熱重分析法研究貝殼固硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
- 期刊名字:高等學(xué)?;瘜W(xué)學(xué)報(bào)
- 文件大小:416kb
- 論文作者:韓奎華,路春美,程世慶,王永征,趙建立
- 作者單位:山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院
- 更新時(shí)間:2020-08-31
- 下載次數(shù):次
Vol 27高等學(xué)?;瘜W(xué)學(xué)報(bào)No. 22006年2月CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES熱重分析法研究貝殼固硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)韓奎華,路春美,程世慶,王永征,趙建立〔山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,濟(jì)南250061)摘要采用熱分析法研究了貝殼和石灰石固硫反應(yīng)過程,用等效粒子模型對(duì)固硫反應(yīng)過程進(jìn)行了表征,計(jì)算分析了其固硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù).結(jié)果表明,貝殼比石灰石含有較多的堿金屬鹽,其作用是提高了貝殼固硫反應(yīng)速率常數(shù)和有效擴(kuò)散系數(shù).貝殼固硫反應(yīng)中存在補(bǔ)償效應(yīng).根據(jù)等動(dòng)力學(xué)溫度判別固硫劑活性適用于不同反應(yīng)控制區(qū)的活性判斷.堿金屬成分對(duì)鈣基固硫劑活性有正負(fù)兩個(gè)方面的影響,含量過大或過小都會(huì)削弱固硫劑活性,因而存在最適含量.在1073-1273K溫區(qū)固硫時(shí),鈣基固硫劑中堿金屬離子與鈣離子摩爾比為1:50左右時(shí)固硫活性較高.關(guān)鍵詞固硫;動(dòng)力學(xué);鈣基固硫劑;補(bǔ)償效應(yīng);貝殼中圖分類號(hào)0643文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0251-079020060240327405煤是我囯蘊(yùn)藏最豐富和利用極廣的化石能源,其直接燃燒產(chǎn)生的SO2是污染空氣和形成酸雨的主要物質(zhì)之一.石灰石資源豐富,廉價(jià)易得,已成為控制燃煤S∽排放的主要鈣基材料,但在高溫固硫時(shí)利用率普遍較低.在最新研究3中新型的鈣基固硫劑貝殼顯示出良好的高溫固硫性能,相同試驗(yàn)條件下其氧化鈣最大轉(zhuǎn)化率高出石灰石10%~30%本文研究二者的固硫反應(yīng)過程和動(dòng)力學(xué)特性,期望為改善石灰石固硫性能、制備復(fù)合鈣基固硫劑提供了一定的理論支持.1實(shí)驗(yàn)部分1.1試劑采集山東半島沿海的4種貝殼和一種石灰石,經(jīng)烘干、曆制和篩分制成實(shí)驗(yàn)用樣品,按GB3286《石灰石、白云石化學(xué)分析方法》對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1Table 1 The main chemical composition of test samples mass fraction %o)]Test sampleAl,O3K ONa, OCaoMgfScallop shell0.0.040.400.040.4954.530.27Trumpet shell0.000.040.070.060.00Ark shell0.02Clam shell0.1653.371.2實(shí)驗(yàn)過程固硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在北京光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的LCT2型差熱天平中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)所用樣品質(zhì)量為10±0.2)ms以排除粒間內(nèi)擴(kuò)散的影響),粒徑范圍為0.105~0.3mm,實(shí)驗(yàn)用模擬煙氣各組分的體積含量為κCO2)=15%,以O(shè)2)=5%和κ(SO2)=0.296%,N2氣為平衡氣.模擬煙氣流速0.931.19m/(以排除氣膜擴(kuò)散影響),實(shí)驗(yàn)終止溫度800中國煤化工:/min.固硫劑中氧化鈣的轉(zhuǎn)化率的計(jì)算公式為CNMHGx=△m· M Cao{mo·WCa0)[ M CasO4)-MCa0)](1)枚稿日期:200501-14基金項(xiàng)科學(xué)基金批準(zhǔn)號(hào):59976019)和山東省自然科學(xué)基金批準(zhǔn)號(hào):Y2003F07)資助聯(lián)系人11958年岀生),女,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事清潔燃燒與污染物防治研究.E-mail:cml@su.edu.328高等學(xué)?;瘜W(xué)學(xué)報(bào)VoL 2式中,x為固硫劑中CaO的轉(zhuǎn)化率;m為固硫劑的初始質(zhì)量;Δπ為反應(yīng)后固硫劑增重;κCaSO)為CaSO4摩爾質(zhì)量;Ca0)為CaO摩爾質(zhì)量;WCaO)為固硫劑中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2結(jié)果與討論2.1時(shí)間和溫度對(duì)固硫劑鈣轉(zhuǎn)化率的影響貝殼和石灰石在不同溫度下固硫反應(yīng)的Ca0轉(zhuǎn)化率(x)與時(shí)間(t)的關(guān)系曲線見圖1.在相同實(shí)驗(yàn)溫度下貝殼CaO轉(zhuǎn)化率明顯大于石灰石飪圖A)B)]在1273K時(shí),扇貝殼、海螺殼、毛蚶殼、花蛤殼和石灰石的CaO最大轉(zhuǎn)化率分別為94.40%,80.85%,79.68%,79.27%和62.32%(A)(c)1073KO0-G-D-D-1173KH401073Kt shell1223K1273K一1223K1273K20AClam shellFlinstone80100/minFig 1 Sulfation of different samples at 1 273 K(A )Trumpet shell B limestone C) five samples2.2固硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表征研究采用等效粒子模型←6處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).氣固反應(yīng)在產(chǎn)物和反應(yīng)物之間的界面進(jìn)行,固體產(chǎn)物層厚度隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,反應(yīng)初期,粒子表面產(chǎn)物層較薄,反應(yīng)處于化學(xué)反應(yīng)控制階段;隨時(shí)間增長(zhǎng),產(chǎn)物層厚度增加,反應(yīng)處于擴(kuò)散控制階段.模型的積分表達(dá)式如下表面化學(xué)反應(yīng)控制階段A,+ AG(x)產(chǎn)物層固體擴(kuò)散控制階段BI BPio(3)其中r,/(kcao2(6bD.c)(5)(6)x)=1-3(1-x)+2(1-x)式中動(dòng)力學(xué)參數(shù)分別用 Arrhenius方程表示為E(R7)e-E(Rgr)(9)式中,t為反應(yīng)時(shí)間min):cM為SO2氣體濃度(mo/mL);cs為固硫劑中CaO的濃度(momL):R,為顆粒原始半徑(cm);C(x)為表面反應(yīng)控制階段轉(zhuǎn)化率對(duì)應(yīng)函數(shù);P(x)為固體擴(kuò)散控制階段轉(zhuǎn)化率對(duì)應(yīng)函數(shù);k為表面反應(yīng)速率常數(shù)cm/min);k為指前因子(cm/min);E為反應(yīng)活化能(kJ/mol);A1和B為時(shí)間校正因子(mn):b為反應(yīng)計(jì)量系數(shù);D為有H中國煤化工D為與D對(duì)應(yīng)的指前因子(cm3/min):E為擴(kuò)散活化能W/ml):R為摩爾氣CNMHG根據(jù)等效粒子模型,固體轉(zhuǎn)化率(x)時(shí)間t)變化的動(dòng)力學(xué)曲線上存在兩個(gè)特征轉(zhuǎn)化率5].一是對(duì)應(yīng)于反應(yīng)控制結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)化率x,二是對(duì)應(yīng)于由過渡區(qū)正式進(jìn)入粒子固體擴(kuò)散控制區(qū)時(shí)的轉(zhuǎn)化率x對(duì)x~t曲線求導(dǎo),根據(jù)微分曲線的變化與轉(zhuǎn)折點(diǎn)(即反應(yīng)速率的變化)確定兩個(gè)特征轉(zhuǎn)化率對(duì)應(yīng)的時(shí)間萬和據(jù)以區(qū)分反應(yīng)過程中的控制區(qū)No. 2韓奎華等:熱重分析法研究貝殼固硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)3292.2.1表面化學(xué)反應(yīng)控制階段根據(jù)式(6)對(duì)t內(nèi)轉(zhuǎn)化率κ進(jìn)行處理,再按式(2)得固硫劑的G(x)-t關(guān)系圖圖2)由圖2可看出,G(x)與t呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系R=0.9664~0.999等效粒子模型能較好地描述石灰石、不同種類貝殼的固硫過程.0201073K1073K0.15015122xK·1123K05}◆127301o}·273X◆1273K0.100.050.050.0500000t/t/minFig 2 Gr(x)vs. t of desulphurization reaction(A)Trumpet shell (B) clam shell ( C)limestone.2.2.2產(chǎn)物層固體擴(kuò)散控制階段根據(jù)式7)對(duì)后轉(zhuǎn)化率x進(jìn)行處理,再按式3擬合得固硫劑的Px)~t關(guān)系圖圖3)由圖3可看出,P(x)與t呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系R=0.9176~0.9985),對(duì)于仼何固硫劑,隨著反應(yīng)溫度的增加,斜率眀顯增大,說眀溫度對(duì)產(chǎn)物層固體擴(kuò)散的影響較大.由于貝殼的孔結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)氣體的擴(kuò)散23,使得反應(yīng)中孔擴(kuò)散和產(chǎn)物層擴(kuò)散同時(shí)控制區(qū)較石灰石的明顯反應(yīng)推遲進(jìn)入產(chǎn)物層固體擴(kuò)散控制階段,CaO轉(zhuǎn)化率進(jìn)一步提高.0.40(B)0.25(C)0.35}1073K1073K1073K▲1173K0.30123K0.250.25·1273K2330.20123¥◆1273A0150.15b0.100.1030Fig 3 P(x)vs. t of desulphurization reaction2.2.3動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算分別對(duì)式4)和(5)式兩邊取對(duì)數(shù),分別以l(1/A),(1/B)對(duì)1/T作圖,由直線的斜率和截距分別求得E,k。,E和D(表2)由表2可看出,在表面化學(xué)反應(yīng)控制階段,貝殼的E比石灰石的小,而E遠(yuǎn)比石灰石的5979k/mol),對(duì)于貝殼固硫反應(yīng),E減小,指前因子k也相應(yīng)減小;E增大,指前因子D也相應(yīng)增大,說明E和k。,E和D存在補(bǔ)償效應(yīng)Table 2 Kinetic parameters of So, removal process by Ca-basedsorbent in different control regionsE(kJ·mol-1)1)fkJ·mol-1)Do/(cm2Trumpet shell17.024824.5Ark shell16.32324.8814275.Clam shell15.22230.22中國煤化工147529.8019.42359.01CNMHG郭漢賢等η從理論上解釋了ZnO和CaO脫硫/固硫過程的補(bǔ)償效應(yīng),指出該補(bǔ)償效應(yīng)既存在于表面化學(xué)反應(yīng),也存在于粒子固體擴(kuò)散反應(yīng).貝殼固硫動(dòng)力學(xué)中補(bǔ)償效應(yīng)回歸結(jié)果lmo=2.9181+0.1700E(R=0.9573)(10)D0=-2.5662+0.09267E(R=0.9980)(11)330高等學(xué)?;瘜W(xué)學(xué)報(bào)VoL 22.3固硫劑活性判別標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償效應(yīng)使 Arrhenius方程中慣用的活化能概念不能準(zhǔn)確衡量固硫劑活性,根據(jù)式8)式(9)和表2中數(shù)據(jù)分別計(jì)算出各溫度下的k和D值,二者可直觀地反映出固硫劑反應(yīng)活性(表3).分析表3中的數(shù)據(jù),反應(yīng)速率常數(shù)k和產(chǎn)物層固體有效擴(kuò)散系數(shù)D與圖1中CaO的轉(zhuǎn)化率曲線相符Table 3 Kinetic parameters k and Ds at different temperaturesT/Kcm. min-1)10D./cm2) SampleT/kk cm. min-1)10 D,(cm2. min-1)Scallop shell 1 07351.78Ark shell69.5252.1381173Clam shell 1 0734.23527318612Trumpet she236.743127321.281Limestone 1 0734840964.8256.528Ark shell0730542127318.711117360.9517.931根據(jù)等動(dòng)力學(xué)溫度判別活性的方法3,溫度T
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