磷石膏作为钙源制备氧化钙基二氧化碳吸附剂及应用问题研究

The amount of released from the power plant is 1/3 of total CO2 released amount.The CO2 capture cost high is a key problem due to the CO2 concentration is lower from flue gas.The chemical looping to capture CO2 from flue gas using CaO as the CO2 adsorbent is the advanced technique of CO2 capture in the world. And the performance and the cost of CaO adsorbent are the most key point of the high cost of CO2 capture from the flue gas.This proposal creatively raises a new idea to use phosphogysum as the precursor of calcium oxide to prepare the calcium oxide by the reactions of calcium sulfate with ammonium carbonate and the decomposition of calcium carbonate, in order to reach a double win of decreasing the cost of the CaO-based CO2 adsorbent and using phosphogysum valuablely.Under the consideration of using phosphogysum directly and the former study results of the particle size of calcium carbonate will strongly effect the properties of CaO,this proposal will concern in details of how of the impurities of phosphogysum effect on the nuclear kinetics and the growth kinetics of calcium carbonate; How the calcium carbonate which contain impurities with different shape and particle size will effect on the microstructure, reactive kinetics of the CaO-based CO2 adsorbent prepared and the decomposition kinetics of calcium carbonate formed in the cycle use; The study proposes another new idea of adding polymer into the slurry to make more pore adsorbent to increase the surface area of adsorbent to resist the sinting, and has a durability of sorption capacity after the multiple carbonation and calcinations. A circle fluidized bed system will be used to study the results of the CO2 reaction properties and thermal conductivity of adsorbent to provide a solid found for the future industrila application for CO2 captures of flue gas of power plant.

占二氧化碳排放总量1/3的热电厂烟气中二氧化碳，浓度低捕集成本高是减排的核心问题。采用氧化钙作为二氧化碳吸附剂的化学循环脱碳是世界上研究的最先进减排技术，而氧化钙的脱碳性能和成本是二氧化碳捕集成本高核心问题的原因。本专题创新性地提出采用磷石膏废料作为钙源，通过磷石膏分解反应制备碳酸钙后热分解制备氧化钙，达到降低氧化钙吸附剂成本和磷石膏废料有效利用的双重目标。基于设想直接利用磷石膏做原料以及研究结果碳酸钙的粒径对氧化钙吸附二氧化碳性能有很大影响的前提，具体研究磷石膏中杂质对制备碳酸钙过程的成核以及晶体生长动力学的影响；研究含杂质碳酸钙具有不同晶形和粒径对制备的氧化钙吸附剂微观结构、与二氧化碳反应动力学和碳酸钙分解动力学的影响；提出添加聚合物为造孔剂，增加吸附剂比表面积抗高温烧结新思路，达到稳定吸附剂的二氧化碳吸附容量的目的。用循环流化床研究该吸附剂的反应、传质和传热性能，为实际应用提供基础。

采用氧化钙与二氧化碳反应的钙循环脱碳是世界上研究的最先进烟气脱碳技术，然而影响该技术实际应用的关键是氧化钙基吸附剂的高成本问题。本专题创新性地提出采用磷石膏废料作为钙源，通过磷石膏分解反应制备纳米级碳酸钙，作为钙源代替工业纳米碳酸钙，制备纳米氧化钙基二氧化碳吸附剂，达到降低二氧化碳吸附剂成本和磷石膏废料有效利用的双重目标。.本专题以申请人多年研究纳米碳酸钙制备纳米氧化钙基二氧化碳吸附剂为基础，重点提出研究磷石膏直接经过气－液－固三相制备纳米碳酸钙的过程和工艺条件，研究制备机理和反应结晶动力学。特别研究磷石膏中杂质二氧化硅对制备纳米碳酸钙及其制备的吸附剂性能的影响等方面。研究材料特点、结构特点以及吸附性能之间的关系。.研究结果证明了磷石膏可以用气－液－固三相法比较容易制备得到纳米级碳酸钙。研究得到影响碳酸钙粒径的因素主要有反应温度，CO2的通量，以及反应时间等。温度升高，CO2通量越小，得到的纳米碳酸钙晶粒越小。在优化的反应温度40℃，CO2通量60mL/min,反应时间1小时的条件下可以得到小于100nm的碳酸钙。研究得到纳米碳酸钙样品起始分解温度为650℃左右，最终分解温度为750℃左右，且粒径越小的碳酸钙样品的分解温度越低的结果。研究确定了反应结晶的机理和建立了纳米碳酸钙的反应结晶的动力学方程。实验研究将制备的纳米碳酸钙代替工业级纳米碳酸钙，用于制备纳米氧化钙基CO2吸附剂，具有同样好的吸附性能。吸附剂样品经TGA测试，吸附容量均在5.5-8.0mol/kg，显示了且快速反应段占整个吸附容量的贡献约50%的纳米氧化钙的特征。磷石膏中主要的SiO2杂质对吸附性能和分解温度略有影响。.研究成果发表11篇SCI标注论文。完成培养毕业博士生两名，硕士生毕业七名。参加国际会议四次，发表会议论文8篇。授权专利6个。其中本项目完全相关内容的授权美国专利一项，中国发明专利两项。研究成果展示了将磷石膏用于生产钙基二氧化碳吸附剂可行性，研究提供了实验和理论基础。