CaO固硫反应缩芯动力学模型.pdf

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1、第37卷第3期煤炭转化Vo1．37No．32014年7月C0ALC0NVERS10NJu1．2014CaO固硫反应缩芯动力学模型郭仁宁D赵平卫。’黄声和杨新乐。李向龙摘要建立CaO固硫反应的未反应缩芯动力学模型，通过模型计算，考察了宏观反应、灰层扩散控制、气膜扩散控制和化学扩散控制条件下，反应温度、CaO粒径对固硫反应特性的影响．结果表明，提高反应温度、延长反应时间和减小CaO粒径，有利于提高CaO转化率，其中减小CaO粒径对于提高CaO固硫效果最为明显．模型计算结果与实验结果分析表明，未反应收缩芯模型可较好地描述CaO-SO。固硫

2、反应的宏观动力学，其中影响CaO固硫反应的最主要因素是化学反应扩散控制，提高CaO固硫效率最有效的方法是减小CaO粒径．关键词硫，CaO，固硫反应，反应缩芯模型，动力学中图分类号X701．3，O643态CasO；3)气态的水从反应界面通过灰层扩散到0引言颗粒外表面．我国是世界上最大的S0。排放国，2006年排放根据上述假设及假设CaO颗粒为球体，构建量达到2588万t，此后逐年下降，但2010年排放量CaO颗粒固硫模型(见图1)．仍达2185．1万t，其中煤的燃烧是SO。排放的主要来源之一．Ll]因此，采用有效和适用的控制技术治理煤

3、燃烧过程中硫化物的排放形式依然严峻．目前，燃烧排放硫化物的治理技术可归纳为烟气脱硫和燃烧固硫两类．其中燃烧固硫技术工艺简单，运行成本低廉，固硫产物比较稳定，同时可与燃烧脱硫技术采用一致的添加剂，实现多种污染物的统一脱除，不易导致对水源和土壤的二次污染[8_如]，是前景十分广RcR0RRc阔的固硫控制技术．在燃烧固硫技术的开发与应用图1CaO固硫反应动力学模型中，必须要揭示碱性吸收剂固硫反应的化学过程和Fig．1DynamicmodelofCaO-SO2reaction动力学机制，考察各因素对固硫反应的影响关系，从由于受到阻力的影响，

4、气相区中的SO2扩散到而根据化学反应动力学规律探索提高固硫反应速率反应界面存在着浓度差，即C>c。>c．CaO固硫反和效果的技术途径，为燃烧固硫技术的开发与应用应的过程中存在着气膜扩散控制、灰层扩散控制和提供理论依据．化学动力学控制．1CaO固硫反应缩芯模型2缩芯反应数学模型建立CaO固体颗粒与SO反应生成的CaSO滞留2．1宏观反应动力学在颗粒表面，形成一灰层，灰层密度可能不同于CaO固体颗粒密度，但能维持颗粒的外径不变．则假定CaO与SO2的整个反应过程中CaO颗粒对CaO固体颗粒固硫反应过程进行如下假设：1)的温度是恒定的，模

5、型在整个反应时间内SO。的反S0气体通过灰膜层扩散到颗粒的外表面；2)SO。应速率方程为：气体在CaO固体颗粒界面上反应，生成气态水和固1)S0通过气膜层扩散进入灰层的量为*国家自然科学基金资助项目(51104083)．1)教授I2)硕士生；3)博士、副教授，辽宁工程技术大学机械工程学院，123000辽宁阜新收稿日期t2013—07—18；修回日期；2013—10—2582煤炭转化dnB将公式(3)带入公式(9)可得CaO固体颗粒上一一47c瞄忌(Cg-Cs)(1)的固硫反应速率：2)SO：通过灰层扩散进入反应界面上的量为dnBdn

6、B=-4nR~kscg[1十+k~I瓦Re／+ksRe(1一Re)]一=Q4nR2D()⋯(2)(1O)3)反应界面上的化学反应消耗SO2的量为式(1O)中的SO。浓度随时间变化而变化，因此dnB1．一4一7cR⋯C忌scc(⋯3)应转化为时间的函数．由化学计量数可知，CaO与一T式中：B为SO2物质的量，tool；t为反应时间，S；Rcs02反应存在如下关系式一===一丢警，又有：为CaO粒径，m；忌为SO在CaO中的传质系数，dnc_(11)m。／s；C为气相区S02的浓度，g／m。；C为CaO表d(~3)一警警面SO的浓度，g

7、／m。；C为反应芯界面S02的浓度，式中：规c为CaO的物质的量，mol；Mc为CaO的摩g／m。jR为反应芯粒径，m；D为SOz有效扩散系尔质量，g／mol；Pc为CaO的密度，mol／m。．数，m。／s；k。为表面反应速率常数，m／s．将公式(11)带入公式(10)整理可得：其中多孔介质的扩散系数关系式为[11,12]：dRc=d+乏惫(2M)c+kscgpc1()D。一D／(4)一)式中：D为扩散系数，cm。s；，和分别为限制则未反应芯半径收缩速率表示的CaO颗粒的因子、曲解因子和颗粒空隙率．其中扩散系数D关宏观速率方程式，其

8、初始条件为：一0，R—R．将公系式如下：式(12)左右两边同时除以Rc整理可得：(5)一[+乏()+ksRc(一急)]卺式中：T为绝对温度，K；M1和M2为物质的摩尔质量，g／mol；P是以大气压为单位的压力；为分散对公式(13)带入