燃煤電廠干化灰渣中氯的脫除研究

秦剛?cè)A，陳 彪，馮向東，陳 慧，孫 青，張 儉，盛嘉偉

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江杭州311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室；3.浙江工業(yè)大學材料科學與工程學院）

燃煤電廠脫硫廢水零排放技術(shù)具有節(jié)約資源、保護環(huán)境、高經(jīng)濟效益等優(yōu)勢，近些年成為研究熱點，在中國得到快速推廣應(yīng)用［1-2］。利用煙氣余熱對脫硫廢水直接霧化蒸發(fā)，析出的鹽類與飛灰結(jié)合，得到干化灰渣，降低了處理成本［3］。然而，由于煤燃燒過程中，氯元素主要以HCl形式釋放，在煙氣脫硫時溶于廢水，隨結(jié)晶鹽轉(zhuǎn)移到干化灰渣中富集［4］，導致脫硫廢水經(jīng)干化后產(chǎn)生的干化灰渣的氯含量高，因此，干化灰渣的環(huán)保處理仍是一個挑戰(zhàn)。用于生產(chǎn)水泥和熔融固化是目前干化灰渣的主要資源利用方式，但干化灰渣中堿及堿土金屬氯化物（包括KCl、NaCl、CaCl2等）會導致耐久性和機械強度差、固化強度低等問題，不僅對人體健康和環(huán)境存在較大危險，同時也限制了灰渣的資源利用途徑［5-8］。因此，為提高干化灰渣的再利用潛力，需要在干化灰渣資源化前進行預(yù)處理［9］。

高溫煅燒是近年來發(fā)展的一種新型脫氯方法，如Yang等［10］研究了不同溫度條件焚燒爐底灰的煅燒脫氯試驗，優(yōu)化得出經(jīng)1 000℃煅燒4 h可去除底灰中55.46%的氯；Zhu等［11］將未洗滌、經(jīng)Ca（OH）2洗滌和經(jīng)NaHCO3洗滌的焚燒爐飛灰在1 000℃下煅燒1 h后，其氯質(zhì)量分數(shù)分別降低了91%、52%和96%。而現(xiàn)有煅燒脫氯研究大多集中在高溫段（≥1 000℃），對小于1 000℃的低溫煅燒脫氯研究報道相對較少，為緩解高溫煅燒脫氯工藝能耗高的不足，本研究采用添加脫氯劑Al2O3、結(jié)合低溫煅燒的方法對干化灰渣進行脫氯處理，優(yōu)化得出煅燒溫度和脫氯劑Al2O3添加量對干化灰渣脫氯效率的影響，從而在700℃的煅燒溫度下達到較高的氯去除效率。最后根據(jù)干化灰渣中氯化物的去除行為，探討了除氯機理。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本研究中使用的干化灰渣樣品來自浙江省某燃煤電廠。該廠采用“濃縮減量+旁路煙道煙氣干化”的脫硫廢水零排放技術(shù)。從除塵器中取出的干化灰渣樣品放在105℃的烘箱中干燥2 h，除去水分，研磨至粒徑小于106 μm，裝袋封存，待用。此外，實驗中用到的化學試劑：氧化鋁、硝酸、鉻酸鉀、硝酸銀、氫氧化鈉，均為分析純；去離子水。

1.2 實驗方法

1）稱取10 g經(jīng)干燥的灰渣放置于陶瓷坩堝中，在馬弗爐中升到指定溫度600、700、800、900℃，保溫2 h，煅燒結(jié)束后測定坩堝中殘留相氯含量，得到最佳煅燒溫度。

2）再稱取10 g經(jīng)干燥的灰渣，與脫氯劑（Al2O3）混合［脫氯劑用量（質(zhì)量分數(shù)）分別為2.5%、5%、7.5%和10%］，經(jīng)研磨后倒入陶瓷坩堝中，按一定速度升溫到步驟1）得出的最佳煅燒溫度保溫2 h。煅燒結(jié)束后測定坩堝中殘留相氯含量得到最優(yōu)脫氯劑用量。

1.3 分析方法

1.3.1 成分和結(jié)構(gòu)分析

采用X射線熒光光譜儀（XRF，ARL ADVANT′X）對干化灰渣進行化學成分的測定［12］；采用X射線衍射光譜儀（XRD，X′Pert Pro）對干化灰渣進行物相分析［13］；采用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，Tensor 27）對干化灰渣的微觀結(jié)構(gòu)進行表征，得到了灰渣主要的結(jié)構(gòu)基團［14］。

1.3.2 氯分析

根據(jù)GB/T 11896—1989《水質(zhì) 氯化物的測定硝酸銀滴定法》測定氯含量。用去離子水和硝酸萃取干化灰渣中的氯，加熱煮沸（微沸1～2 min）。過濾得到濾液，調(diào)節(jié)pH為6.5～10.5，加入5%K2CrO4作為指示劑，滴加AgNO3標準溶液測定萃取樣品溶液中的氯含量［15-19］。

2 結(jié)果與分析

2.1 干化灰渣的表征

2.1.1 化學成分

通過XRF測定的干化灰渣的化學組成，結(jié)果列于表1。由表1可見，干化灰渣成分復(fù)雜，干化灰渣的主要成分是Al2O3（30.6%）、SiO2（29.9%）和CaO（13.0%），占據(jù)70%以上；Cl占據(jù)8.51%。除此之外，金屬元素主要有Fe、Mg、Ti等，非金屬元素有S和F。

表1 干化灰渣的化學組成Table 1 Chemical composition of dry ash %

2.1.2 微觀結(jié)構(gòu)

圖1 顯示了初始干化灰渣樣品的紅外光譜圖。對干化灰渣的微觀結(jié)構(gòu)進行了表征，得到了灰渣主要的結(jié)構(gòu)基團。如圖1b所示，在1 116 cm-1附近有一個強吸收峰，屬于Si—O—Si鍵的反對稱伸縮振動；而在878 cm-1左右的吸收峰是Si—O—Si鍵的對稱伸縮振動；561 cm-1附近吸收峰是［AlO6］的Al—O伸縮振動，與莫來石等礦物的存在有關(guān)；Si—O的彎曲振動形成了466 cm-1附近的吸收峰；1 385 cm-1處的吸收峰為灰渣中有機化合物的C—H彎曲振動，可能是因為樣品中含有未完全燃燒的煤。圖1a中3 424、1 632 cm-1處吸收峰分別為吸附水的伸縮振動和彎曲振動峰，這應(yīng)與樣品吸潮有關(guān)［20］。在紅外光譜圖中未發(fā)現(xiàn)含氯結(jié)構(gòu)基團吸收峰，這是由于氯基本以可溶性氯鹽的形式存在，離子化合物鍵能很強，在近中紅外區(qū)無吸收譜帶［21-22］。

圖1 干化灰渣的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of dry ash

2.1.3 礦物相

圖2 顯示了初始干化灰渣樣品的XRD譜圖。干化灰渣最主要的礦物相是莫來石（3Al2O3·2SiO2），與元素化學分析結(jié)果一致，除此之外還有方解石（CaCO3）、氧化鎂（MgO）和菱鐵礦（FeCO3）等，其中氯主 要 以 水 溶 性 氯 鹽（NaCl、CaCl2、KCl）及 其 結(jié) 晶 水（CaCl2·H2O）等形式存在。

圖2 初始干化灰渣的X射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction pattern of the raw dry ash

2.2 煅燒溫度對脫氯的影響

圖3 顯示了干化灰渣在煅燒溫度為600、700、800、900℃下的脫氯效果。在煅燒時間為2 h、煅燒溫度為600～700℃時，隨著溫度的提高，其脫氯率增長得十分明顯，從47.0%突躍到94.2%。而當煅燒溫度超過700℃時，脫氯效果雖然仍有提升，但其提升幅度并不大。當煅燒溫度達到900℃時，脫氯率最大，達到97.5%，與700℃相比，增幅只有3.3%?？紤]到能耗問題，對脫氯處理需要符合工業(yè)化生產(chǎn)需求。本實驗后續(xù)選用700℃煅燒溫度。

圖3 煅燒溫度對干化灰渣脫氯效果的影響Fig.3 Effect of the calcination temperature on dechlorination efficiency of dry ash

2.3 添加Al2O3對脫氯的影響

圖4 為在煅燒溫度為700℃條件下，添加不同含量Al2O3的實驗結(jié)果。由圖4可知，添加量為2.5%～10%時的脫氯率均高于不添加Al2O3時的脫氯率，說明Al2O3的確起到增強脫氯的效果。這可能是由于當添加一定量氧化鋁時，干化灰渣中的可溶性氯化物會與氧化鋁反應(yīng)生成相應(yīng)鋁酸鹽和低沸點的氯化物［23-25］，以及促進不溶性氯化物分解成可溶性氯化物。由圖4可見，在煅燒溫度為700℃、煅燒時間為2 h條件下，脫氯效果最好的是氧化鋁添加量為7.5%，此時脫氯率達到96.9%。

圖4 700℃煅燒溫度下Al2O3添加量對干化灰渣脫氯效果的影響Fig.4 Effect of Al2O3 addition amount on dechlorination efficiency of dry ash at calcination temperature of 700℃

2.4 脫氯機理分析

通過XRD分析以進一步揭示礦物相的變化，結(jié)果如圖5所示。圖5顯示了初始干化灰渣、700℃煅燒后干化灰渣、脫氯劑（Al2O3）添加量分別為2.5%、5%和7.5%脫氯干化灰渣的XRD譜圖。對比圖5中譜圖a和b可見，堿金屬氯化物（如KCl、NaCl）的峰減 少［11，26］，而 且 還 發(fā)現(xiàn)CaCl2·2H2O的 特 征 峰 消 失。Al2O3的加入對干化灰渣中的礦物相有很大影響。如圖5中譜圖c、d和e所示，Ca（OH）Cl相的特征峰基本消失，并顯著促進了鈣長石（CaO·SiO2·Al2O3）的形成。此外，還產(chǎn)生了大量新的晶相，包括鈣鋁石（12CaO·7Al2O3）和鈣霞石（CaO·Al2O3）。結(jié)合新生成物相分析結(jié)果，得出添加Al2O3在煅燒除氯過程中可能發(fā)生如下反應(yīng)：

圖5 不同干化灰渣樣品的X射線衍射圖Fig.5 X-ray diffraction patterns of different dry ash samples

3 結(jié)論

1）干化灰渣的主要礦物相是莫來石、菱鐵礦和碳酸鈣，Al和Si元素最為豐富，其余非金屬元素以Cl、S為主，重金屬主要有Fe、Ti等。干化灰渣中存在Si—O、Al—O鍵，與XRD分析結(jié)果相一致。2）在干化灰渣脫氯的煅燒溫度單因素實驗中，氯的去除效率隨著溫度的升高而增加，但當溫度超過700℃后脫氯率增幅減慢，考慮到工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能因素，確定的優(yōu)化工藝參數(shù)為：煅燒溫度為700℃、煅燒時間為2 h、Al2O3添加量為7.5%，脫氯率可達96.9%。3）高溫下脫氯劑（Al2O3）可促進干化灰渣中Ca（OH）Cl等含氯物相向鈣長石（CaO·SiO2·Al2O3）、鈣鋁石（12CaO·7Al2O3）和鈣霞石（CaO·Al2O3）轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)干化灰渣脫氯。