草木灰与co2反应机理与特性研究

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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：草木灰与CO2反应机理与特性研究郭亚飞赵传文*盛友杰陆守香（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥230027）联系电话：15255176539；Email:gyf0415@mail.ustc.edu.cn;cwzhao@ustc.edu.cn摘要：基于热重系统并结合N2吸附、SEM、XRF和XRD表征技术深入分析草木灰与CO2的反应机理。研究发现，在60℃,10%CO2+12%H2O条件下，草木灰中主要活性组分K2CO3先发生水合反应形成不稳定中间产物K2CO31.5H2O和K4H2(CO3)31.5H2O，随后发生碳酸化反应迅

2、速转化为KHCO3。热重内样品发生水合反应和碳酸化反应的转化率分别为62.44%和69.12%。在固定床内考察草木灰脱碳和再生性能。结果显示，固定床内脱碳实际增重高于碳酸化反应增重，表明样品脱碳过程中兼有物理吸附作用。再生过程中CO2析出浓度曲线呈双峰分布，表明脱碳过程中物理吸附和化学吸附共存。样品在固定床内碳酸化和再生转化率分别为51.12%和95.00%。本文的研究结果为草木灰用于燃煤电厂烟气CO2捕集提供理论支撑。关键词：二氧化碳捕集；草木灰；反应机理；脱碳特性；再生特性0.引言温室气体排放所造成的全球变暖问题是当今国际社会普遍关注的焦点之一。2012年德国气候会议数据显示，

3、我国的温室气体排放总量已超过美国，位居全球第一位[1]。加强CO2减排技术的研究，已成为我国科技和经济发展的当务之急。化石燃料燃烧产生的CO2是温室气体排放的主要来源[2,3]。当前，国际上主流的CO2减排模式可分为三类[4,5]：提高能源利用率和转化率；低碳能源、核能及可再生能源替代技术；化石燃料燃烧分离捕获CO2。在我国现有能源结构体系中，化石燃料消耗量占一次能源消费总额92.5%，其中煤炭占69.5%，大部分煤炭用于发电。燃煤电站CO2排放量最大，是最集中的CO2固定排放源，因此也被认为主要的CO2减排目标[6]。在未来几十年内，我国能源供给仍然依赖于化石燃料。因此，碳捕获与

4、封存是当前CO2减排的必由之路。碳捕集与封存（CCS）是将CO2从化石燃料、工业流程或火电厂的排放废气中分离汇集，再输送至海底或地下进行封存，使之长期与大气隔绝的过程[7]。CO2捕集是CCS技术中至关重要的环节。从煤等化石燃料燃烧烟气中捕集CO2的技术路线众多，总体可分为三类：燃烧前捕集[8,9]、富氧燃烧捕集[10,11]和燃烧后捕集[12,13]。基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（No.51206155）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（WK2320000023）作者简介：郭亚飞(1990-)，男，安徽合肥人，博士研究生，主要从事封闭空间CO2清除方面研究工作；赵传

5、文(1983-)，男，山东临沂人，副研究员，主要从事封闭空间CO2清除和烟气净化技术研究。燃烧后捕集技术因具有不影响上游燃烧工艺过程，且不受烟气中CO2浓度影响，无需对现有电厂燃料燃烧设备进行改造等优势，可直接用于传统燃煤电厂烟气CO2分离[14]。近年来，利用干法吸收剂通过气固反应进行燃烧后烟气CO2捕集引起广泛关注[15-21]，但用于CO2捕集分离的固体吸收剂的原料来源、成本及制备工艺在一定程度上制约了其在燃煤电厂烟气脱碳中大规模应用。开发寻求一种廉价吸收剂用于燃烧后烟气CO2捕集势在必行。近年来，将工业固体废弃物应用于燃烧后烟气脱碳的研究引起学者广泛关注。研究表明，工业固体

6、废弃物中通常含有较高的碱基物质，可与CO2直接发生反应产生无机碳酸盐或复合盐类[22]。由于工业固体废弃物通常经过高温产生，本身具有一定活性，且这些材料多为多孔结构，有利于气体扩散吸附[23-25]。部分学者将工业炼钢产生的残渣用于CO2捕集，研究发现残渣中通常含较高比例Ca、Na、K和Mg等矿物质，其用于CO2捕集具有反应速度快、处理简单、脱碳率高等优点[26-28]。与此同时，许多学者提出将燃煤电厂废弃物粉煤灰用于烟气脱碳。研究发现，粉煤灰中通常含有活性组分CaO和MgO，在高温时可实现烟气中CO2捕获[29-32]。利用含碱工业固体废弃物进行燃烧后脱碳已取得一定进展。但利用生

7、物质资源燃烧后产生的草木灰进行烟气脱碳的研究尚未见报导。我国是农业大国，每年会有大量的生物质废弃物产生，这些废弃物的处理方式还停留在田间直接焚烧。随着生物质能源燃烧和回收技术的发展，部分生物质资源被用于直燃电厂燃烧发电[33,34]。燃烧产物草木灰可用于钾肥提纯和工业污染物减排[35-39]。研究表明，草木灰中含有活性组分K2CO3，具有潜在的脱碳能力。采用生物质资源草木灰进行燃烧后烟气CO2捕集，并对其进行固定，不仅可以有效解决其带来的污染问题，同时可实现废弃资源有