鄧能運(yùn) 張生芹 陳坤濟(jì) 代 麾 孫敬會(huì)

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

添加劑對(duì)CaO在煤粉燃燒中固硫效果的影響

鄧能運(yùn) 張生芹 陳坤濟(jì) 代 麾 孫敬會(huì)

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

煤的燃燒是我國(guó)大氣污染的主要原因，主要污染物為粉塵和SO2。通過(guò)煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)，得出最佳鈣硫比（Ca/S），在此基礎(chǔ)上，探討添加不同含量的Al2O3、MnO2、Fe2O3等添加劑對(duì)CaO固硫效果的促進(jìn)作用，發(fā)現(xiàn)Ca/S為2.0時(shí)，單一添加劑Al2O3為2%、MnO2為0.5%、Fe2O3為0.7%，CaO的固硫效果最好，復(fù)合添加劑Al2O3為1.5%同時(shí)MnO2為0.55%時(shí)的固硫效果最好。

添加劑；固硫劑；煤粉燃燒；固硫效果

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，而且大部分煤炭中含硫量較高，因此煤的燃燒就成了我國(guó)大氣污染物的主要來(lái)源，同時(shí)也形成了我國(guó)煤煙型大氣污染的特點(diǎn)。我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),大氣污染中90%的SO2是由燃煤造成的,大氣中的SO2可形成酸雨,破壞人類賴以生存的環(huán)境。因此,控制SO2的排放已成為當(dāng)務(wù)之急［1］。重慶市的大氣污染也屬煤煙型，主要污染物是粉塵和SO2，這也是由其能源結(jié)構(gòu)所決定的。

固硫工藝技術(shù)可劃分為燃燒前、燃燒中和燃燒后脫硫三種技術(shù)。其中燃煤中固硫技術(shù)是一項(xiàng)適合我國(guó)國(guó)情的減排SO2技術(shù)［2］。目前該技術(shù)的研究重點(diǎn)為固硫劑及其添加劑的研制開(kāi)發(fā)。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，探索 Al2O3、MnO2、Fe2O3對(duì)鈣基固硫劑固硫效果的影響程度及影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原料

本實(shí)驗(yàn)用設(shè)備主要為北京恒久科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的JCR-2型綜合熱分析儀。

實(shí)驗(yàn)用固硫劑為CaO（分析純），添加劑選擇Al2O3（分析純）、MnO2（分析純）、Fe2O3（分析純），實(shí)驗(yàn)用煤粉來(lái)自重鋼高爐噴吹煤粉，其含硫量為0.5%。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

利用綜合熱分析儀測(cè)定原煤樣和添加不同比例添加劑后煤樣的熱重曲線（TG曲線），從TG曲線上得到樣品的失重百分比，分析煤粉燃燒過(guò)程的固硫效果。

2 添加劑對(duì)CaO固硫效果影響實(shí)驗(yàn)

2.1 未加入添加劑時(shí)CaO的固硫效果實(shí)驗(yàn)

按鈣硫比（Ca/S）分別為0、1.5、2.0、2.5 的比例制備CaO與煤粉的混合物共1g，混勻后稱取10mg，通過(guò)綜合熱分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試不同鈣硫比（Ca/S）時(shí)CaO的固硫效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖1。

表1 不同鈣硫比（Ca/S）下煤粉的失重率

從圖1可以看出，未加入添加劑時(shí)，在鈣硫比從0到2.5的變化過(guò)程中，隨著鈣硫比的增加，固硫效果隨之提高，鈣硫比達(dá)到2.0時(shí)固硫效率最高，鈣硫比超過(guò)2.0后CaO的固硫效果反而降低。本實(shí)驗(yàn)用煤粉鈣硫比為2.0時(shí)的固硫效果較好。

2.2 單一添加劑Al2O3對(duì)CaO固硫效果的影響實(shí)驗(yàn)

Ca/S為2.0時(shí)，添加不同含量的Al2O3，進(jìn)行添加劑Al2O3對(duì)CaO固硫效果的影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖2。

圖1 不同Ca/S下煤粉的失重率

表2 Ca/S為2.0時(shí)單一添加劑Al2O3對(duì)CaO固硫效果的影響

圖2 Ca/S為2.0時(shí)單一添加劑Al2O3對(duì)CaO固硫效果的影響

Ca/S為2.0，Al2O3含量為2%時(shí)，對(duì)CaO的固硫效果具有最大的促進(jìn)作用。

2.3 單一添加劑MnO2對(duì)CaO固硫效果的影響實(shí)驗(yàn)

Ca/S為2.0時(shí)，添加不同含量的MnO2，進(jìn)行添加劑MnO2對(duì)CaO固硫效果的影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。

表3 Ca/S為2.0時(shí)單一添加劑MnO2對(duì)CaO固硫效果的影響

Ca/S為2.0，MnO2含量為0.5%時(shí)，對(duì) CaO的固硫效果具有最大的促進(jìn)作用。

2.4 單一添加劑Fe2O3對(duì)CaO固硫效果的影響實(shí)驗(yàn)

圖3 Ca/S為2.0時(shí)單一添加劑MnO2對(duì)CaO固硫效果的影響

Ca/S為2.0時(shí)，添加不同含量的Fe2O3，進(jìn)行添加劑Fe2O3對(duì)CaO固硫效果的影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖4。

表4 Ca/S為2.0時(shí)單一添加劑Fe2O3對(duì)CaO固硫效果的影響

圖4 Ca/S為2.0時(shí)單一添加劑Fe2O3對(duì)CaO固硫效果的影響

Ca/S為2.0，F(xiàn)e2O3含量為0.7%時(shí)，對(duì)CaO的固硫效果具有最大的促進(jìn)作用。

2.5 復(fù)合添加劑Al2O3+MnO2對(duì)CaO固硫效果的影響實(shí)驗(yàn)

由 表2、3、4和圖2、3、4可以看出，鈣硫比（Ca/S）為2.0 時(shí)，單一添加劑 Al2O3、MnO2、Fe2O3的含量分別為w(Al2O3)=2%，w(MnO2)=0.5%，w(Fe2O3)=0.7%時(shí)對(duì)煤粉燃燒過(guò)程中CaO固硫效果的促進(jìn)作用最強(qiáng)。其中Al2O3、MnO2對(duì)CaO固硫效果促進(jìn)作用又強(qiáng)于Fe2O3，見(jiàn)表5。

取Al2O3、MnO2對(duì)CaO固硫效果促進(jìn)作用最強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按正交分析法配置好復(fù)合添加劑，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)表6可以看出，在正交分析實(shí)驗(yàn)中，Al2O3為1.5%、MnO2為0.55%時(shí)， 復(fù)合添加劑（Al2O3+MnO2）對(duì)煤粉燃燒過(guò)程中CaO固硫效果的促進(jìn)作用最強(qiáng)。

表5 Ca/S為2.0時(shí)，不同添加劑對(duì)CaO固硫效果的影響作用比較

表6 Ca/S為2.0時(shí)復(fù)合添加劑對(duì)CaO樣品重量成少率的影響

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

影響固硫劑固硫效率的因素很多，有固硫劑的用量、溫度、添加劑、固硫劑的粒度、反應(yīng)時(shí)間、燒結(jié)度、表面積和孔隙率等，其中添加劑的影響比較明顯［3-4］。高溫時(shí)CaSO4易分解，使得CaO的固硫效率大大降低，當(dāng)有添加劑存在時(shí)，可以改善CaO的固硫效率。

在燃煤過(guò)程中,Ca/S比反應(yīng)了固硫劑用量的大小,Ca/S比越大,固硫劑用量越大。固硫劑用量的大小,對(duì)固硫劑固硫效果有著決定性的影響。固硫劑用量不足,就不能有效地控制SO2的排放;用量過(guò)多,則增加成本并導(dǎo)致結(jié)渣增多，還會(huì)使固硫效率降低［4］。

添加劑的添加量對(duì)助燃效果影響較大,用量不足則助燃作用微弱；用量過(guò)大,由于添加物包裹在炭粒表面,堵塞氣孔,導(dǎo)致煤的燃燒性能下降,因而,添加劑存在最佳的添加量。鈣硫比（Ca/S）為2.0的試樣中，加入復(fù)合添加劑（Al2O3+MnO2），復(fù)合添加劑中 Al2O3為1.5%、MnO2為0.55%時(shí)煤粉燃燒過(guò)程CaO的固硫效果最好。

沒(méi)有添加劑時(shí)，煤樣燃燒時(shí)產(chǎn)生的SO2氣體的釋放是不均勻的［5］。通過(guò)對(duì)煤粉燃燒的綜合熱分析實(shí)驗(yàn)圖進(jìn)行分析：煤粉的著火點(diǎn)在400℃和540℃左右時(shí)，SO2釋放達(dá)到高峰期，大約85%以上的硫在這個(gè)溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w釋放出來(lái)。此時(shí)，硫轉(zhuǎn)化為SO2的速度太快，固硫劑還來(lái)不及與之反應(yīng)，就已逸放出來(lái)，從而使固硫效率降低。添加劑的加入將使硫的轉(zhuǎn)化速率發(fā)生改變，使之相對(duì)均勻釋放出來(lái)，這有利于固硫劑對(duì)SO2的吸收，提高了固硫劑的固硫效率。

當(dāng)用Al2O3和MnO2作為添加劑時(shí)，煤粉燃燒過(guò)程中存在于鈣基表面的Al2O3和MnO2與CaO相互作用，使金屬離子的遷移和擴(kuò)散速度增加，從而導(dǎo)致CaO晶格結(jié)構(gòu)的改變，使CaO中的孔徑變大，孔隙增多，有利于煤粉燃燒過(guò)程產(chǎn)生的SO2氣體擴(kuò)散，也有利于改善高溫區(qū)CaO的燒結(jié)現(xiàn)象，減少被固硫產(chǎn)物CaSO4堵塞的機(jī)會(huì)。

固硫反應(yīng)的最佳溫度在900℃左右。溫度較高時(shí)，生成的CaSO4易分解，使已經(jīng)固定在灰渣中的硫化物又重新釋放出來(lái)，降低了固硫劑的固硫效率，特別是在1 100℃以上的高溫時(shí)更是如此［6］。實(shí)驗(yàn)中添加Al2O3、MnO2混合而成的復(fù)合添加劑使高溫時(shí)的CaO表面有一定的熔融，并使其顆粒表面較光滑，且有一定的板結(jié)，形成了包裹層［5］，包住了固硫產(chǎn)物CaSO4，并封堵SO2的逸出通道，從而減少了SO2的逸出，固硫效果明顯提高。

4 結(jié) 論

（1）鈣硫比為2.0時(shí)，CaO在煤粉燃燒中的固硫效果最好。本實(shí)驗(yàn)中，樣品重量減少率為83.8%。

（2）鈣硫比為2.0 的試樣中，添加劑 Al2O3、MnO2、Fe2O3的質(zhì)量含量分別為2%、0.5%、0.7%時(shí)，煤粉燃燒過(guò)程中CaO的固硫效果最好，其中Al2O3、MnO2的固硫效果比Fe2O3要好。

（3）鈣硫比為2.0的試樣中，加入復(fù)合添加劑（Al2O3+MnO2），復(fù)合添加劑中 Al2O3為1.5%、MnO2為0.55%時(shí)，煤粉燃燒過(guò)程中CaO的固硫效果最好。

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Study on Additive to Sulfur Fixation Effects of Calcium Oxide in Pulverized Coal Burning

DENG Neng-yun ZHANG Sheng-qin CHEN Kun-jiDAI huiSUN Jing-hui
(Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331)

Coal combustion is the main cause of air pollution in our country and the main pollutants are dust and SO2.This paper obtains the optimized calcium ratio sulfur(Ca/S)through the pulverized coal burning experiment.Based on these works,promoting effects of the additive MnO2,Fe2O3and Al2O3to calcium oxide desulfuration results are discussed.The results show that when the Ca/S is 2.0%,the single additive Al2O3is 2.0,MnO2is 0.5%and Fe2O3is 0.7%,the sulfur fixation effects of calcium oxide is the best.When composite additives the Al2O3is 1.5%at the same time the MnO2is 0.55%,the sulfur fixation effects of calcium oxide reach a maximum.

additive；sulfur fixation agent；pulverized coal burning；sulfur fixation effects

TQ534

A

1673-1980（2011）06-0127-03

2011-07-03

重慶科技學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目

鄧能運(yùn)(1968-)，男，重慶人，工程師，研究方向?yàn)橐苯鸸こ獭?/p>