循環(huán)流化床鍋爐脫硫中鎂渣的應(yīng)用研究

高利寧

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000）

循環(huán)流化床是目前轉(zhuǎn)化效率最高的工業(yè)技術(shù)，由于燃料中含有大量的硫，為降低空氣污染，需要在鍋爐中完成對其的脫硫過程。隨著當(dāng)前可利用資源的減少，使用工業(yè)廢渣進(jìn)行脫硫成為了工業(yè)生產(chǎn)的研究熱點(diǎn)。目前應(yīng)用工業(yè)廢渣進(jìn)行脫硫的有電石渣，而鎂渣是生產(chǎn)金屬鎂的過程中的廢物，生產(chǎn)一噸金屬鎂會(huì)產(chǎn)生六噸以上的鎂渣。而鎂渣中含有大量的γ-Ca2S，同電石渣一樣，這種物質(zhì)具有很高的硫聚合性，說明鎂渣也可以作為脫硫的重要媒介。

1 鎂渣的特性

為衡量鎂渣的組成以及結(jié)構(gòu)特性，我們前往某鎂生產(chǎn)工廠，取其生產(chǎn)過程中排放的鎂渣進(jìn)行了測定，具體組成如表1所示。

表1 鎂渣中所含元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 鎂渣的脫硫性能

2.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

為測試鎂渣的脫硫性能，在實(shí)驗(yàn)室中采用TGA（熱重分析儀）進(jìn)行脫硫?qū)嶒?yàn)，實(shí)驗(yàn)的記錄指標(biāo)為溫度與鎂渣脫硫效果之間的關(guān)系。首先，鎂渣被放置在TGA的坩堝中進(jìn)行加熱，隨后將含有硫的煙氣從TGA頂部通入，在TGA底部則通入N2作為保護(hù)氣，脫硫過程在坩堝內(nèi)進(jìn)行，脫硫后的氣體則進(jìn)入數(shù)據(jù)記錄中心，分析其中的硫含量并進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示。

圖1 鎂渣脫硫?qū)嶒?yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程中通入的含硫煙氣為自配制煙氣，采用SO2、O2和N2混合而成，模擬燃煤生成的廢氣，其中SO2的含量為0.3%。

2.2 反應(yīng)溫度對鎂渣脫硫性能的影響

溫度對鎂渣脫硫性能的影響機(jī)理為溫度會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)的速率，同時(shí)還會(huì)對鎂渣的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，例如擴(kuò)大鎂渣的孔徑等。增加煙氣與鎂渣的接觸面積，因此當(dāng)溫度升高時(shí)，鎂渣的脫硫性能應(yīng)當(dāng)隨之提升。

圖2 溫度和反應(yīng)時(shí)間對鎂渣脫硫反應(yīng)的影響程度

圖2 為溫度和鈣轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系，鎂渣中含有的大量的γ-Ca2S是脫硫過程中的主要反應(yīng)物質(zhì)，因此可以通過鈣轉(zhuǎn)化率這一指標(biāo)來衡量鎂渣脫硫的效率，鈣轉(zhuǎn)化率越高，說明鎂渣的脫硫性能越好。而從圖2中可以看出，鈣轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)溫度之間是呈現(xiàn)出整體上升趨勢的，當(dāng)溫度為900℃時(shí)，鈣轉(zhuǎn)化率數(shù)值明顯高于溫度為800℃時(shí)的數(shù)值，但當(dāng)溫度上升到1000℃時(shí)，鈣轉(zhuǎn)化率上升的幅度非常有限，幾乎和900℃時(shí)相同，這說明溫度對鎂渣脫硫性能的影響極限在900℃左右，此時(shí)鎂渣的脫硫性能最佳。

在反應(yīng)時(shí)間方面，鈣轉(zhuǎn)化率同反應(yīng)時(shí)間的變化呈現(xiàn)出先快速后平緩的趨勢，在反應(yīng)時(shí)間達(dá)到120min時(shí)，鈣轉(zhuǎn)化率的增長以及趨于平緩的狀態(tài)，說明此時(shí)的鎂渣已經(jīng)基本反應(yīng)殆盡。因此對于需要控制時(shí)間成本的生產(chǎn)來說，應(yīng)當(dāng)將鎂渣脫硫的時(shí)間控制在140min左右。

化學(xué)反應(yīng)的速率會(huì)隨反應(yīng)的增加而增加，但在圖2中，溫度由900℃增加到1000℃卻并沒有增加鈣轉(zhuǎn)化率。造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)溫度過高時(shí)，不僅會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)速率，同時(shí)也會(huì)影響鎂渣表面的結(jié)構(gòu)。高溫會(huì)使鎂渣表面出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，降低孔隙的數(shù)量和直徑，從而降低煙氣與鎂渣的接觸面積，從而抵消因溫度上升造成的化學(xué)反應(yīng)速率的提升。

3 鎂渣爐內(nèi)脫硫?qū)嶒?yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)對象

上文中的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明鎂渣確實(shí)有脫硫的效果并且其脫硫的性能隨溫度的提升而提升，為衡量鎂渣在實(shí)際生產(chǎn)過程中的脫硫效果，在CFB鍋爐內(nèi)進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)。該鍋爐為循環(huán)流化床鍋爐，蒸發(fā)量為25t/h，蒸汽壓力為1025MPa，蒸汽平均溫度為198℃，鍋爐所使用的燃煤的構(gòu)成如表2所示。

表2 鍋爐燃煤元素構(gòu)成質(zhì)量分?jǐn)?shù)

首先將燃煤與實(shí)驗(yàn)用的鎂渣混合均勻后加入到鍋爐中，設(shè)置另一組鍋爐為對照組，加入同樣的燃煤但不加入鎂渣。隨后使用煙氣分析儀對兩組鍋爐燃燒生成的煙氣中的硫含量進(jìn)行分析，以此指標(biāo)作為鎂渣脫硫性能的參照。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

煙氣中硫含量的測試在鍋爐機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)中使用的鍋爐的最佳負(fù)荷為70%。實(shí)驗(yàn)除測試鎂渣的脫硫效果外，還測試向鍋爐中加入鎂渣的含量對煙氣脫硫效率的關(guān)系，以此作為實(shí)際生產(chǎn)中的最佳鎂渣加入量。

表3 不同鎂渣加入量下的煙氣硫含量

表3為加入不同含量的鎂渣下煙氣中的硫含量以及脫硫效率情況。其中，鈣硫摩爾比是指鍋爐中鈣和硫的摩爾比值，鈣由鎂渣中的γ-Ca2S提供，而硫則由燃煤中的硫提供。可以看出鈣硫摩爾比越高，煙氣中硫含量就越低，脫硫的效率就越高，當(dāng)鈣硫摩爾比達(dá)到2.50時(shí)，脫硫的效率達(dá)到了62.7%，可以有效的脫除煙氣中的硫含量，對降低環(huán)境污染具有非常好的作用。

為衡量鈣硫摩爾比這一數(shù)值與脫硫效率之間的關(guān)系，我們進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的平衡原理，向鍋爐中加入的鎂渣數(shù)量越多，脫硫的效果就越好，煙氣中的硫含量就越少。但實(shí)際生產(chǎn)中并不是加入的鎂渣含量越多越好，加入大量的鎂渣不僅會(huì)花費(fèi)額外的成本，鎂渣在鍋爐內(nèi)會(huì)大量吸熱，降低鍋爐中的溫度，造成熱損失；此外，鎂渣的性質(zhì)會(huì)使其在鍋爐中與爐膛發(fā)生摩擦，加劇爐膛的磨損，減少鍋爐的壽命。因此在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)煙氣脫硫的指標(biāo)和實(shí)際生產(chǎn)要求決定加入鍋爐中的鎂渣含量。

圖3 鍋爐中鈣硫摩爾比與脫硫效率之間的關(guān)系

4 結(jié)論

本文對鎂渣在循環(huán)流化床的鍋爐燃煤煙氣脫硫中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)表明，鎂渣中含有的γ-Ca2S可以同煙氣中的SO2結(jié)合生成CaSO4，將硫元素固定，起到脫硫的作用。使用鎂渣脫硫的最佳溫度為900℃，在脫硫完成后硫元素將以CaSO4的形式固定在鎂渣表面，可以回收再利用。實(shí)際的鍋爐實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)鍋爐中的鈣硫摩爾比在2.50時(shí)，脫硫效率可達(dá)62.7%，可以去除煙氣中的大部分SO2，起到節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境的作用。向鍋爐中加入的鎂渣越多，脫硫效果就越好。但考慮到鎂渣對鍋爐燃燒的影響，應(yīng)當(dāng)在結(jié)合生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上決定加入鍋爐中的鎂渣的含量。