煤燃烧脱硫过程中高温物相固硫基础研究

本文针对炉内煤高温燃烧过程中脱硫率低、传统固硫产物硫酸钙易分解的难题，系统地开展了高温固硫物相基础实验与理论研究，采用微型实验与小型实验、热力学分析与动力学分析相结合的方法展开对本文的全面研究。在自行设计的高温实验装置上进行了高温固硫物相生成、分解特性基础研究，结合XRD、SEM、TG／FTIR等分析测试手段深入细致地探讨了硫铝酸钙和硫化钙等高温固硫物相的生成与分解反应机理，建立高温固硫物相生成与分解热力学与动力学以及预测模型。 本文首先对广泛应用的层燃炉和煤粉炉燃烧过程中固硫的耐热物相硫铝酸钙的性质、生成机理及影响因素进行研究，在小型管式炉和自行设计的高温实验台上开展对硫铝酸钙物相生成及分解特性的实验研究，结合SEM、XRD手段对硫铝酸钙微观结构进行分析。同时研究了不同气氛下硫铝酸钙的生成规律及影响因素。 首次将反应热力学和动力学理论引入到高温固硫物相硫铝酸钙研究中，由于难以获得硫铝酸钙纯物质等方面的原因，目前还没有有关硫铝酸钙热力学及动力学参数的报道，本文在国内外关于无机化合物热力学参数研究成果的基础上，采用近似方法首次得到硫铝酸钙的热力学参数，热力学分析结果与实验数据以及前人成果吻合。采用理论分析与实验研究相结合的方法，首次基于竞争反应机理利用热分析实验对硫铝酸钙生成动力学进行了研究。从热、动力学角度对高温固硫物相的生成、分解特性进行了系统透彻的分析。 考虑到煤自身含有矿物质的特点，对国内硫含量分别为高、中、低的八种煤高温燃烧过程自身固硫特性进行了研究，重点深入研究四种固硫效果明显的煤。为使煤灰中含有的丰富矿物质成为高温耐热物相硫铝酸钙的原料，从而在实际工程上节省运行成本，对煤掺混不同比例的煤灰后的固硫效果及硫铝酸钙生成情况进行了研究，并研究了添加剂混入煤后对硫铝酸钙生成的影响。利用XRD和SEM分析阐明了煤灰中硫铝酸钙的生成反应机理。 针对层燃炉和煤粉炉中一定区域的还原性气氛，对固硫中间产物CaS这一高温固硫物相的生成与分解机理进行系统研究。基于化学反应热力学理论开展CaS的生成与氧化的热力学研究，确定特定条件下的反应可能性。利用热分析实验开展CaS的生成与分解的实验研究、分析各种因素的影响，并建立Cas的生成与分解动力学。利用小型高温实验台对5个典型煤种还原气氛下的CaS生成特性进行了实验研究，并分别在空气和CO2气氛下开展CaS氧化反应特性实验研究。 针对高温固硫物相生成与分解反应的特点以及实验数据“小样本、贫信 浙江大学博士学位论文 摘要 息”的特点，将灰色系统理论用于燃烧过程中高温固硫物相反应机理分析。 对高温固硫物相生成与分解反应过程中各种影响因素进行了灰色关联分析， 对各种因素影响程度进行排序，确定控制因素。并根据实验建立了硫铝酸钙 生成和硫化钙氧化反应的灰色预测模型。 探讨了高温固硫物相在炉内两段脱硫中的技术应用，提出在炉内相应的 气氛下生成硫铝酸钙和硫化钙等高温固硫物相能够提高高温燃烧条件下的 炉内脱硫效果，阐述了高温固硫物相的潜在价值。同时对含硫铝酸钙的高温 固硫渣作为硫铝酸盐水泥熟料的优点与可行性进行研究论证，为固硫炉渣的 再利用指出广阔前景。 关键词:高温固硫物相;硫铝酸钙;硫化钙;热力学;动力学;两段脱硫; 灰色理论