石灰石煅烧过程中的烧结试验研究.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 2002年学术会议 024065 石灰石煅烧过程中的烧结试验研究 谢建云 傅维标 钟北京 (清华大学工程力学系 100084) 010xiejianyun@mail．tsinghua．org．ca 摘要：通过在大量的试验工作．并结合对煅烧过程的理论推导得出方程式，得出了在不同 温度下，在煅烧过程产物层中等效扩散系数随时间的变化规律，并在此基础上进～步得到 比表面积随时间的变化规律． 关键词：等效扩散系数，煅烧，石灰石，烧结，比表面积 1．前言 一般来说石灰石的固硫过程由以下三个过程组成，首先是石灰石的煅烧过程： CaC03一CaO+C02． (1) 随后如果煅烧过程的温度比较高，则在生成的生石灰中的孔隙会发生烧结现象， 使得孔隙结构发生变化。随后发生生石灰的固硫过程： CaO+S02+1／202一CaS04 (2) 而在随后的固硫过程中，由于产物硫酸钙要占用更多的空间，所以当固硫反应时，许多 孔隙会自我关闭，并产生气体无法进入的封闭小空间，使得固硫反应无法进一步进行， 从而降低了脱硫的效率。为了提供脱硫的效率，对这些的孔隙形成及其在以后的反应过 程中的不断演化进行研究是非常有必要的。 Borgwardt，R．H．11,2I发现从石灰石煅烧产生的生石灰最初具有104m2／g的比表面积， 随着烧结过程的不断进行，比表面积会不断减少，。而且他同时发现水蒸气和二氧化碳 会加速烧结过程。而且他还认为烧结过程不仅仅减少了颗粒的比表面积，而且还减少了 颗粒的孔隙度。但是孔隙度的减少发生在比表面积减少了一定程度以后。Milne，C．R等 人口1和Alvfors，P．等人161使用了grain模型模拟石灰石煅烧过程和随后发生的烧结过程， 而Fueaes，A．B．【3棚和Agnew,J．等人171使用了一般的收缩核模型模拟石灰石煅烧和烧结过 程。在他们的模型中，都使用了German．MunirI”J格式： r s丫 f1一二f=置．，4 (3) L J 来说明在烧结过程中比表面积的减少。 谢建云等人【1”已经在不发生烧结的情况下，对煅烧过程中的等效扩散系数进行了测 量，本文希望在该试验的基础上，进一步进行深入的研究，从而得出在发生烧结的情况 下，等效扩散系数的变化规律。 2．试验原理 对于一个球形石灰石颗粒，在煅烧和烧结过程中，会发生以下几个步骤： 361  (1)从环境到石灰石颗粒表面的热量传递： (2)从颗粒表面到颗粒内部的传热； (3)在颗粒内部的吸热热解反应； (4)热解生成的二氧化碳通过产物层扩散到颗粒表面，以及在产物层内发生的烧结过 程： (5)二氧化碳从颗粒表面扩散到环境中。 由于煅烧过程比较缓慢。所以使用了暂稳态假定：对于煅烧进行到某一时刻t时， 此时反应界面为ri，对于扩散过程，可以得出，在反应界面上产生的C02为： ％螂(％》] ㈣ 通过产物层扩散到颗粒表面的C02为： ％啦，ot[％}] ㈣ 通过颗粒表面扩散到外界环境中的C02： GcD2=4nr02ha‰。一cc02。) (6) 同时颗粒的失重和某一时刻产生的C02之间有如下关系： ‰=一—d(4x—Pr?广／3Mco,) (，) 联合式(4)、(5)和(6)，可以得出在界面上的C02浓度和环境中的C02浓度之间有如下关 系： 盖兰《·警] ㈣ Dt％rl咤hd 联合式(4)、(5)、(6)和(7)，并且对时间积分，可以得出反应时间t的表达式【101：  等 亟七 h 婵丝 对于传热过程，同样使用暂稳态假定，在反应界面上的反应热为：一 Q=蚶·Gc口．00) 在产物层中扩散的热量为： Q=4彪蹦f盟1 ) L ro—l／ 从颗粒表面获得的热量为： Q=4面陆。也一瓦)+阳钾一刁)】=4碲噬位一瓦) (12) 其中： 《=hg+卯孵+彳玩+to) (13) 联立式00)、(11)和(12)，可以得出在反应界面ri上的温度Ti和环境温度L之间的关系：兰1 ro-r,一耳咄(警] ㈣， 古噬Ero‘ 同时C02平衡压力【8l和石灰石热解反应的动力学参数【31分别如下所示： 只-1．215×lX一12 eXp(j91％j (15) ㈦以圳kd箐j ∞， 依据式(8)、(9)和(14)，同时考虑到C02平衡压力以及反应动力学参数和在反应界面上的 温度之间的关系，如果已经知道煅烧过程中的某一时刻t，以及在该时刻的反应界面位 置ri，就可以得出在该时刻在颗粒内部的等效扩散系数。如果测量了在整个煅烧过程中 的失重过程，依据上面的推导，就可以得到在颗粒内部等效扩散系数的变化过程。从而 可以进一步获得颗粒的比表面积和孔隙大小的变化过程。 3．试验过程 在本文中使用了和谢建云等人【10】试验中相同的试验设备，所以这里就不在做更多叙