钙基脱硫剂团聚体结构烧结模型的计算机模拟

　　钙基脱硫剂CaCO3是一种廉价、适用的SO2吸收剂。当CaCO3喷入炉内高温区后,脱硫剂受热快速分解,形成多孔的CaO颗粒,并与SO2反应,从而达到脱硫的目的。但是,炉内的高温环境导致CaO颗粒孔堵塞,会减小脱硫剂颗粒的比表面积,降低脱硫剂的反应活性。对于石灰石煅烧过程及产物CaO的孔结构特性,已有大量模型,它们最主要的差异在于对煅烧过程中CaO烧结动力学的处理方式不同[1~5]。如不考虑温度、粒径等因素对CaO烧结的作用,所建立的烧结动力学方程适应范围很小。本文在脱硫剂不同粒径团聚体结构模型的基础上,综合考虑烧结过程的体积扩散机制与表面扩散机制,建立新的烧结动力学方程,并研究烧结作用对团聚体结构及CaO颗粒空隙结构的影响规律。

　　1　CaO孔结构

　　多孔CaO的基本结构是由大量相互粘结的晶粒构成的,但这些晶粒并非在整个颗粒内均匀分布[6],而是形成许多团聚体(图1)。团聚体是由更小尺寸的晶粒组成,存在许多的微小气孔即1级气孔,团聚体之间的气孔称为2级气孔。当CaO颗粒在高温状态发生烧结时,由于晶粒具有很高的活性,因此1级气孔很快消失,而2级气孔则相对消失的较慢。同时,团聚体内晶粒不断发生粘结,大晶粒吞没小晶粒,团聚体不断收缩并导致整个CaO颗粒体积收缩[7],比表面积和孔隙率随之减小(图2)。团聚体内气孔消失的同时,CaO烧结现象仍在继续,团聚体之间也会发生粘结现象,造成CaO颗粒比表面积和孔隙率的进一步缩小。

　　2　钙基脱硫剂团聚体烧结动力学方程

　　由于钙基脱硫剂团聚体烧结过程十分复杂,其团聚体颗粒形状各种各样,粒径也有较大差异。此外,反应过程中环境温度较高,钙基脱硫剂在炉内停留时间较短,因此烧结机制为体积扩散与表面扩散的混合扩散机制。在建立烧结过程的定量模型时,通常采用双球形烧结结构。本文采用球-板结构可以更真实的描述烧结过程(图3)。

　　2.1　体积扩散机制

　　在体积扩散机制中,2个团聚体受压处的质点通过体积扩散到达烧结颈部完成传质收缩,并造成烧结体收缩。

　　根据Fick第一定律,单位时间内颈部空位体积的变化规律为:

体积扩散系数DV与D*的关系,以及ΔC的表达式为:

　　式中:C0为空位浓度;k为波尔兹曼常数;σ为表面压应力;Ω=δ3,δ为晶体常数;T为温度。将以上参数及表达式代入式(1)得: