Emission of SO2 from Cement Production

Guilin Hu

Research output: Book/ReportPh.D. thesis

556 Downloads (Pure)

Abstract

Ph. D. afhandlingen omhandler problemstillinger af speciel relevans for cementproduktion med lave emissioner af svolvdioxid. Afhandlingen omfatter dels pyritoxidation – dvs. dannelse af SO2, dels direkte sulfatering af kalksten – dvs. absorptionen af SO2 på CaCO3 under oxiderende betingelser i temperaturområdet 723–973 K. De to parallelle reaktioner er tilsammen ansvarlige for hovedparten af SO2 emissionen fra cementproduktion. Et omfattende litteraturstudium viser at pyrit i en oxidativ atmosfære kan blive oxideret direkte eller via en to–trinsproces hvor der først dannes pyrrhotit. Den præcise oxidationsmekanisme bestemmes af en række faktorer som temperatur, iltkoncentration, partikelstørrelse og gas flow. Direkte oxidation af pyrit er normalt dominerende ved lave temperaturer, høje iltkoncentrationer og med små partikler. Ved direkte oxidation af pyrit, er jernsulfater normalt dannet i små mængder, hvilket kan forsinke eller stoppe oxidationsprocessen på grund af jernsulfats høje molære voluminer – og dermed langsomme diffusion af oxygen. I praksis ved temperaturer omkring 800 K, starter transformation af pyrit tit ved direkte oxidation efterfulgt af den nævnte to–trinsproces. Direkte sulfatering af kalksten er studeret i et reaktorsystem, der simulerer en cyklonforvarmer. De eksperimentale resultater viser at direkte sulfatering af kalksten involverer orienteret kernedannelse efterfulgt af krystalvækst. Eksperimentelle resultater viser at initialkinetikken for den direkte sulfatering er afgørende for SO2 absorption på kalksten i en cyklonforvarmer. Initialkinetikken er således op til 100 gange hurtigere end tidligere målinger præsenteret i litteraturen. Sulfaterinshastigheden falder hurtigt med omsætningsgraden af kalkstenen sandsynligvis på grund af dækning af kalkstensoverfladen med produktkrystaller – og hermed en signifikant indflydelse af faststofdiffusion. Den direkte sulfatering er ved højere omsætningsgrader normalt begrænset af den langsomme faststofdiffusion, der kan påvirkes af forskellige gasser såsom CO2, O2 og H2O. Det er demonstreret med en kombination af kinetiske data og SEM (scanning elektron mikroskopi) billeder at sulfateringsprocessen kan fremmes ved at øge faststofdiffusion i både kalksten og det dannede faste produkt ved at tilsætte additiver som f.eks. alkalimetalsalte, CaCl2 og gasformig HCl. Baseret på de eksperimentelle observationer er matematiske modeller opbygget for både den initiale sulfatering og den videre sulfatering med vækst af produktkrystaller. Modellen for den initiale sulfatering er i høj grad en teoretisk model som beskriver sulfateringsreaktion og faststofdiffusionsproces ved kalkstensoverfladen. Modellen for den videre sulfatering er en empirisk model som beskriver væksten af produktkrystaller. De to modeller beskriver de eksperimentelle data med god præcision – og danner et godt udgangspunkt for en videre optimering af cyklonforvarmerprocessen ved cementproduktion.
Original languageEnglish
Number of pages191
Publication statusPublished - Apr 2007

Cite this