Rate-Equation-Based Grain Model for the Carbonation of CaO with CO2

碳化作用 吸附剂 扩散 钙环 材料科学 粒子(生态学) 粒度 粒径 热力学 动力学 矿物学 化学工程 化学 复合材料 物理化学 物理 地质学 吸附 工程类 海洋学 量子力学
作者
Hui Wang,Zhenshan Li,Xiaoxu Fan,Ningsheng Cai
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:31 (12): 14018-14032 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.7b02751
摘要

A rate-equation-based grain model was developed to describe and predict the complex behaviors of the carbonation reaction of CaO with CO2 in calcium looping. In the model, the assumption of a uniform CaCO3 film at the grain scale was replaced with the product island morphology, and the rate equation theory was used to calculate the growth of product islands; this modified grain model was integrated into a particle scale model in which gas diffusion inside a CaO particle and the pore plugging effect were considered. The macroscopic kinetics of the carbonation reaction—including the initial fast stage and the later product layer diffusion stage—could be predicted successfully using the developed theory and was validated by comparison with experimental data. The effects of structural parameters on the carbonation kinetics were discussed. Furthermore, a nanometer-scale grain design criterion for CaO sorbent was proposed to optimize particle structure and achieve maximum CaO conversion in the initial fast stage; this concept was validated and supported by the developed rate-equation-based grain model. This developed model provides a link between microscopic mechanisms at the grain level and the gas diffusion behavior inside a sorbent particle, and it can be used to describe the macroscopic kinetics of a gas–solid reaction.
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