粉煤灰的改性及從模擬煙氣中吸附脫除SO2試驗研究

崔同明，李水娥，李慧贏

(1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省冶金工程與過程節(jié)能重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

粉煤灰的改性及從模擬煙氣中吸附脫除SO2試驗研究

崔同明1,2，李水娥1,2，李慧贏1,2

(1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省冶金工程與過程節(jié)能重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

采用煅燒—水熱化合法對粉煤灰進行改性，并用改性后的粉煤灰進行模擬煙氣脫硫試驗，研究了改性粉煤灰脫硫機制。試驗結(jié)果表明，在助熔劑Na2CO3用量12 g、Ca(OH)2用量15 g、溫度80 ℃、水合消化8 h條件下，對50 g粉煤灰進行改性，改性后的粉煤灰含濕率30%，對SO2最大吸附率達93.5%，平均吸附率為85.2%，吸附效果較好。

粉煤灰；改性；SO2；吸附

燃煤導致SO2大量排放，空氣質(zhì)量受到影響。目前，減少燃煤SO2排放量的最有效方法是煙氣脫硫。粉煤灰主要由SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和未燃盡炭組成[1]，含有大量多孔物質(zhì)[2-4],比表面積較大[5-9],是很好的脫硫劑和吸附材料[10-16]。因此,利用粉煤灰制備高性能SO2吸附劑有重要意義。

目前，粉煤灰改性主要有火法和濕法，試驗將火法與濕法相結(jié)合，采用煅燒—水熱化合法制備吸附效率高、容量大的改性粉煤灰吸附劑并從模擬煙氣中脫除SO2。

1 試驗原料

二氧化硫(純度99.9%，佛山市華特氣體有限公司)，粉煤灰(貴州大方發(fā)電有限公司)，無水碳酸鈉(分析純，天津市永大化學試劑有限公司)，氫氧化鈣(分析純，含量95%以上，天津市科密歐化學試劑有限公司)。

粉煤灰主要成分見表1。

表1 粉煤灰主要成分 %

2 粉煤灰改性及吸附脫除SO2

2.1 粉煤灰改性及脫硫原理

加入助熔劑(Na2CO3)煅燒熔融,破壞粉煤灰的晶格結(jié)構(gòu)，使其釋放出無定型SiO2和Al2O3等，增強粉煤灰的活性，然后向熔融后的產(chǎn)物中加入Ca(OH)2，使其發(fā)生如下水熱化合反應：

(CaO)x(SiO2)y(H2O)z;

(1)

(CaO)x(Al2O3)y(H2O)z；

(2)

(CaO)x(Al2O3)y(SiO2)z(H2O)w。

(3)

(4)

式中的x、y、z、w、m可取任意值。

2.2 改性粉煤灰的制備

先稱取50 g粉煤灰，加入一定量(8、10、12 g)Na2CO3，放入馬弗爐中，在850 ℃下煅燒2 h。自然冷卻后，研磨得粉煤灰細粉；再將粉煤灰細粉放入水浴鍋中，加入一定量(10、15、20 g)Ca(OH)2改性試劑，在一定溫度(70、80、90 ℃)下水合消化一定時間(4、6、8 h)，然后過濾，濾餅放入恒溫干燥箱中，在105 ℃下干燥一段時間后取出，冷卻后得改性粉煤灰。

2.3 改性粉煤灰吸附脫除SO2

按圖1連接試驗裝置。純SO2與空氣壓縮機壓縮出的空氣在氣體緩沖瓶中配制成體積分數(shù)0.2%的SO2混合氣體，控制轉(zhuǎn)子流量計使氣體總流量為200 L/h。吸附柱為直徑1.5 cm、長100 cm的有機玻璃管，內(nèi)裝50 g改性粉煤灰，入口和出口的SO2質(zhì)量濃度用KM9106型煙氣綜合分析儀(測量范圍0～0.02，靈敏度±1×10-6)測定。當吸附柱入口SO2質(zhì)量濃度與出口SO2質(zhì)量濃度相同時結(jié)束試驗。

1—SO2氣體鋼瓶；2—空氣壓縮機；3—氣體流量計；4—減壓閥；5—干燥劑；6—氣體緩沖瓶；7—吸附柱；8—庫倫測硫儀；9—尾氣吸收裝置。

SO2吸附率計算公式為

式中：ρin—反應前(進吸附柱前)SO2體積質(zhì)量，mg/m3；ρout—反應后(出吸附柱后)氣體中SO2體積質(zhì)量，mg/m3；η—吸附率，%。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 水合改性溫度對改性粉煤灰吸附SO2的影響

試驗條件：助熔劑Na2CO3用量10 g，改性試劑Ca(OH)2用量15 g，水合消化時間4 h，改性后的粉煤灰含濕率30%。水合改性溫度對改性粉煤灰吸附SO2的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 水合改性溫度對改性粉煤灰吸附SO2的影響

由圖2看出：隨水合改性溫度升高，改性后粉煤灰對SO2的吸附率降低；當水合改性溫度為80 ℃時，粉煤灰改性效果較好，SO2最大吸附率可達85.11%，平均吸附率為74.452%。這是因為隨溫度升高，水合消化反應所吸收熱量增加，反應向更有利的方向進行，反應速度更快，Ca(OH)2與SiO2、A12O3反應更激烈，生成更多硅鋁酸鈣凝膠，從而使固硫率增大；但溫度過高，易在粉煤灰改質(zhì)物中生成隱晶硅酸鈣物質(zhì)，該物質(zhì)使水分子含量減少，導致活性降低：綜合考慮，確定水合改性溫度以80 ℃為宜。

3.2 含濕率對改性粉煤灰吸附SO2的影響

試驗條件：水合改性溫度80 ℃，助熔劑Na2CO3用量10 g，改性試劑Ca(OH)2用量15 g，水合消化時間4 h。改性粉煤灰含濕率對改性粉煤灰吸附SO2的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 含濕率對改性粉煤灰吸附SO2的影響

由圖3看出，隨改性粉煤灰含濕率增大，其對SO2吸附率降低。這是因為適當?shù)暮视欣跉夤谭磻倪M行，而過多的水分會使改性粉煤灰表面水層增厚，增大SO2進入吸附劑內(nèi)部反應的阻力，不利于吸收SO2，脫硫率下降。綜合考慮，確定含濕率以30%為宜。

3.3 改性試劑用量對改性粉煤灰吸附SO2的影響

試驗條件：水合消化時間8 h，水合改性溫度70 ℃，助熔劑Na2CO3用量10 g，改性粉煤灰含濕率30%。改性試劑Ca(OH)2用量對改性粉煤灰吸附SO2的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 Ca(OH)2用量對改性粉煤灰吸附SO2的影響

由圖4看出，隨Ca(OH)2用量增加，改性粉煤灰對SO2吸附率降低。這是因為Ca(OH)2加入量增多，有利于反應向右進行，生成物增多，SiO2和A12O3活性也相應增大，生成物內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變得更徹底，比表面積增大，固硫率自然升高；但Ca(OH)2用量過多，溶液堿度增大，對反應不利；同時，也影響水合硅鋁酸鈣的生成:綜合考慮，確定Ca(OH)2用量以15 g為宜。

3.4 水合消化時間對改性粉煤灰吸附SO2的影響

試驗條件：水合改性溫度80 ℃，助熔劑Na2CO3用量10 g，改性試劑Ca(OH)2用量20 g，改性粉煤灰含濕率30%。水合消化時間對改性粉煤灰吸附SO2的影響試驗結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?隨水合消化時間延長，改性粉煤灰對SO2吸附率略有提高。這是因為隨水合消化時間延長，Ca(OH)2與粉煤灰中的SiO2、A12O3結(jié)合得更好，生成的硅鋁酸鈣凝膠增多，粉煤灰改質(zhì)物的固硫率提高。當水合消化時間為8 h時，改性粉煤灰對SO2的最大吸附率為85.2%，平均吸附率為74.5%。

圖5 水合消化時間對改性粉煤灰吸附SO2的影響

3.5 助熔劑用量對改性粉煤灰吸附SO2的影響

試驗條件：改性試劑Ca(OH)2用量15 g，水合消化時間6 h，水合改性溫度90 ℃，改性粉煤灰含濕率30%。助熔劑Na2CO3用量對改性粉煤灰吸附SO2的影響試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 Na2CO3用量對改性粉煤灰吸附SO2的影響

由圖6看出：隨助熔劑Na2CO3用量增加，改性粉煤灰對SO2吸附率提高。這是因為：助熔劑的加入破壞了粉煤灰中穩(wěn)定的玻璃體結(jié)構(gòu)；同時，煅燒過程中產(chǎn)生的氣體起到“發(fā)泡”作用，使粉煤灰變得更加疏松多孔，比表面積增大，進而使后續(xù)的改性反應更易進行。當助熔劑Na2CO3用量為12 g時，改性粉煤灰對SO2的最大吸附率達92.11%，平均吸附率為84.88%。

4 結(jié)論

對于50 g粉煤灰，當加入12 g Na2CO3煅燒2 h后，用15 g Ca(OH)2進行改性，在含濕率30%、溫度80 ℃下水熱化合8 h所制備的改性粉煤灰對模擬煙氣中的SO2最大吸附率達93.5%，平均吸附率為85.2%。結(jié)果表明，通過煅燒—水熱化合法改性粉煤灰是可行的，所得改性粉煤灰可有效吸附模擬煙氣中的SO2，實現(xiàn)“以廢治廢”,對治理大氣污染有較好的應用前景。

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Modification and Absorption of SO2in Flue Gas of Fly Ash

CUI Tongming1,2,LI Shuie1,2，Li Huiying1,2

(1.CollegeofMaterialsandMetallurgy,GuizhouUniversity,Guiyang550025，China；2.KeyLabofMetallurgicalEngineeringandProcesseofNergySavingofGuizhouProvince,Guiyang520025,China)

The modification of fly ash by calcined-water thermalization method was studied.And adsorption mechanism for sulfur dioxide was Reseached.The results show that for fly ash of 50 g，under the conditions of Na2CO3amount of 12 g,Ca(OH)2amount of 15 g,temperature of 80 ℃,digestion time of 8 h,the modifying fly ash moisture is 30%,the maximum adsorption rate for SO2in flue gas reaches 93.5%,the average adsorption rate is 85.2%，adsorption effect is good.

fly ash；modification；sulfur dioxide;adsorption

2016-09-08

貴州省教育廳項目(黔教合KY字[2014]222號)；貴州省科技廳、貴州大學2014聯(lián)合資金項目(黔科合LH字[2014]7647號)。

崔同明(1989-)，男，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向為冶金節(jié)能與資源綜合利用。

李水娥(1969-)，女，湖南隆回人，碩士，教授，主要研究方向為冶金環(huán)境保護。E-mail:longlong9812@163.com。

X701.3

A

1009-2617(2017)03-0234-04

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.03.016