在稀相悬浮床中用改性钙基CCCR反应捕集CO2的热动力学研究

In order to realize the final goal of CO2 sequestration and release reduction，we proposed using calcium based absorbent for CO2 sequestration in cement industry. In this proposal，we would like to modify the calcium based absorbent by using the ingredients from cement composition, which will not effect on the cement properties and will not produce secondary pollution to the environment after the CO2 sequestration. In addition, we will investigate the thermodynamic and kinetics of CaO reacting to CO2 at different environments in terms of different temperature，different CO2 concentration，as well as different heating sources. The O2 enriched environment will be studied through molecular air separation processing（VPSA）. The project will also test the cocking gas cycling process to optimize the processes and conditions of CO2 sequestration... The proposed research will be cover following categories:(1)modification of calcium based absorbent by using the cement ingredients; (2)investigation of thermodynamics process during the Cyclic Calcination/Carbonation Reaction of CaCO3 particles at solid bed；（2）investigation of CCCR reaction mechanism of micro size CaCO3 particles at dilute environment；（3）collecting engineering date and perimeters for the pilot process design as well as further industrialization... The project will has significant impacts in cement industry，which will offer a technical solution for CO2 sequestration，reducing the global warming，as well as environmental protections.

为了富集和捕集工业生产过程产生的CO2，进一步控制和减缓其排放，本课题拟开展以CaO为原料，选用水泥生料中其它组分为改良剂，在不同条件下钙基捕集剂吸收CO2反应过程和煅烧分解反应过程的热力学和动力学研究，掌握其反应机理，以期开发出一种以CaO为化学吸收剂，在水泥工业生产过程中在线有效富集、捕集和分离烟气中CO2的工艺路线。.研究内容：（1）改性钙基捕集剂的成分和粒度特性对吸收特性的影响；（2）堆积态下微米级钙基颗粒循环煅烧碳酸化反应（CCCR）的热动力学基础研究；（3）稀相悬浮态下微米级钙基颗粒CCCR反应的控制机制研究，为确定半工业化稀相悬浮反应器的几何尺寸提供设计依据；（4）稀相悬浮态下微米级钙基颗粒CCCR循环反应的半工业化过程试验，为未来的工业化试验奠定基础。.意义：中国水泥适应全球经济发展和环境保护的要求，走低碳经济发展道路，具有重要理论研究意义。

工业生产是CO2排放的主要来源.控制和减缓工业生产过程中的CO2对于缓解全球变暖和温室效应具有重要意义。本课题采用水泥生料中的其它组分（如MgO、SiO2等）作为钙基捕集剂的改性剂，在高CO2浓度和稀相悬浮态条件下对改性钙基捕集剂吸收CO2反应过程和煅烧分解反应过程的热力学和动力学研究，开发出一种以CaO为化学吸收剂，在水泥工业生产过程中在线有效富集、捕集和分离烟气中CO2的工艺路线。根据课题具体任务要求，在如下方面开展研究工作并取得了相应的研究成果：.（1）钙基捕集剂的碳酸化反应过程由快速化学反应控制阶段、过渡阶段和缓慢产物层扩散控制阶段组成，煅烧后吸收剂颗粒内部形成的细小微孔隙（100nm）有利于碳酸化反应；随着颗粒粒径的增大，捕集剂的效率逐渐降低；而且多次循环（5次和10次）后，煅烧温度和碳酸化反应时间对捕集剂的吸收效率影响显著，但最终碳酸化率趋于稳定值。.（2）在利用不同金属氧化物（MgO/SiO2/Fe2O3）改性钙基过程中发现MgO（掺量为1%）对CO2的捕集性能最优；碳材料改性对钙基材料捕集性能的增强效果为椰壳炭>石墨>竹炭，且碳材料掺量为2%时效果最好；经过提纯凹凸棒石改性后的钙基吸收剂其循环碳酸化率和循环碳酸化稳定性有很大程度地提高；经过蛭石修饰的钙基捕集剂在模拟悬浮态中煅烧50次循环后的循环碳酸化率、抗烧结性能和循环吸收稳定性均优于未改性的钙基捕集剂。.（3）利用改进双外推法和分段配合法分别计算，在堆积态和模拟悬浮态下，石灰石热分解反应的机理模型均为随机成核和随后生长模型;CaO的碳酸化反应化学控制段的反应机理模型也是随机成核和随后生长模型；扩散控制段的反应模型为相边界反应收缩球体模型；CO2浓度越高，CaO碳酸化反应的活化能越低。.（4）根据正交试验分析的结果分析，试验的最佳工艺操作参数为吸收剂平均粒径为17.04μm，煅烧温度为925℃，碳酸化温度为725℃，碳酸化反应时间为60s。