添加剂对CaO在煤粉燃烧中固硫效果的影响

邓能运 张生芹 陈坤济 代 麾 孙敬会

（重庆科技学院，重庆 401331）

添加剂对CaO在煤粉燃烧中固硫效果的影响

邓能运 张生芹 陈坤济 代 麾 孙敬会

（重庆科技学院，重庆 401331）

煤的燃烧是我国大气污染的主要原因，主要污染物为粉尘和SO2。通过煤粉燃烧实验，得出最佳钙硫比（Ca/S），在此基础上，探讨添加不同含量的Al2O3、MnO2、Fe2O3等添加剂对CaO固硫效果的促进作用，发现Ca/S为2.0时，单一添加剂Al2O3为2%、MnO2为0.5%、Fe2O3为0.7%，CaO的固硫效果最好，复合添加剂Al2O3为1.5%同时MnO2为0.55%时的固硫效果最好。

添加剂；固硫剂；煤粉燃烧；固硫效果

我国的能源结构以煤炭为主，而且大部分煤炭中含硫量较高，因此煤的燃烧就成了我国大气污染物的主要来源，同时也形成了我国煤烟型大气污染的特点。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,大气污染中90%的SO2是由燃煤造成的,大气中的SO2可形成酸雨,破坏人类赖以生存的环境。因此,控制SO2的排放已成为当务之急［1］。重庆市的大气污染也属煤烟型，主要污染物是粉尘和SO2，这也是由其能源结构所决定的。

固硫工艺技术可划分为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫三种技术。其中燃煤中固硫技术是一项适合我国国情的减排SO2技术［2］。目前该技术的研究重点为固硫剂及其添加剂的研制开发。

本文通过实验手段，探索 Al2O3、MnO2、Fe2O3对钙基固硫剂固硫效果的影响程度及影响机理。

1 实验设备及方法

1.1 实验设备及原料

本实验用设备主要为北京恒久科学仪器厂生产的JCR-2型综合热分析仪。

实验用固硫剂为CaO（分析纯），添加剂选择Al2O3（分析纯）、MnO2（分析纯）、Fe2O3（分析纯），实验用煤粉来自重钢高炉喷吹煤粉，其含硫量为0.5%。

1.2 实验原理

利用综合热分析仪测定原煤样和添加不同比例添加剂后煤样的热重曲线（TG曲线），从TG曲线上得到样品的失重百分比，分析煤粉燃烧过程的固硫效果。

2 添加剂对CaO固硫效果影响实验

2.1 未加入添加剂时CaO的固硫效果实验

按钙硫比（Ca/S）分别为0、1.5、2.0、2.5 的比例制备CaO与煤粉的混合物共1g，混匀后称取10mg，通过综合热分析仪进行实验，测试不同钙硫比（Ca/S）时CaO的固硫效率，实验结果见表1和图1。

表1 不同钙硫比（Ca/S）下煤粉的失重率

从图1可以看出，未加入添加剂时，在钙硫比从0到2.5的变化过程中，随着钙硫比的增加，固硫效果随之提高，钙硫比达到2.0时固硫效率最高，钙硫比超过2.0后CaO的固硫效果反而降低。本实验用煤粉钙硫比为2.0时的固硫效果较好。

2.2 单一添加剂Al2O3对CaO固硫效果的影响实验

Ca/S为2.0时，添加不同含量的Al2O3，进行添加剂Al2O3对CaO固硫效果的影响实验。实验结果见表2和图2。

图1 不同Ca/S下煤粉的失重率

表2 Ca/S为2.0时单一添加剂Al2O3对CaO固硫效果的影响

图2 Ca/S为2.0时单一添加剂Al2O3对CaO固硫效果的影响

Ca/S为2.0，Al2O3含量为2%时，对CaO的固硫效果具有最大的促进作用。

2.3 单一添加剂MnO2对CaO固硫效果的影响实验

Ca/S为2.0时，添加不同含量的MnO2，进行添加剂MnO2对CaO固硫效果的影响实验。实验结果见表3和图3。

表3 Ca/S为2.0时单一添加剂MnO2对CaO固硫效果的影响

Ca/S为2.0，MnO2含量为0.5%时，对 CaO的固硫效果具有最大的促进作用。

2.4 单一添加剂Fe2O3对CaO固硫效果的影响实验

图3 Ca/S为2.0时单一添加剂MnO2对CaO固硫效果的影响

Ca/S为2.0时，添加不同含量的Fe2O3，进行添加剂Fe2O3对CaO固硫效果的影响实验。实验结果见表4和图4。

表4 Ca/S为2.0时单一添加剂Fe2O3对CaO固硫效果的影响

图4 Ca/S为2.0时单一添加剂Fe2O3对CaO固硫效果的影响

Ca/S为2.0，Fe2O3含量为0.7%时，对CaO的固硫效果具有最大的促进作用。

2.5 复合添加剂Al2O3+MnO2对CaO固硫效果的影响实验

由 表2、3、4和图2、3、4可以看出，钙硫比（Ca/S）为2.0 时，单一添加剂 Al2O3、MnO2、Fe2O3的含量分别为w(Al2O3)=2%，w(MnO2)=0.5%，w(Fe2O3)=0.7%时对煤粉燃烧过程中CaO固硫效果的促进作用最强。其中Al2O3、MnO2对CaO固硫效果促进作用又强于Fe2O3，见表5。

取Al2O3、MnO2对CaO固硫效果促进作用最强的实验数据，按正交分析法配置好复合添加剂，并对其进行实验研究，实验结果见表6。

通过表6可以看出，在正交分析实验中，Al2O3为1.5%、MnO2为0.55%时， 复合添加剂（Al2O3+MnO2）对煤粉燃烧过程中CaO固硫效果的促进作用最强。

表5 Ca/S为2.0时，不同添加剂对CaO固硫效果的影响作用比较

表6 Ca/S为2.0时复合添加剂对CaO样品重量成少率的影响

3 实验结果分析

影响固硫剂固硫效率的因素很多，有固硫剂的用量、温度、添加剂、固硫剂的粒度、反应时间、烧结度、表面积和孔隙率等，其中添加剂的影响比较明显［3-4］。高温时CaSO4易分解，使得CaO的固硫效率大大降低，当有添加剂存在时，可以改善CaO的固硫效率。

在燃煤过程中,Ca/S比反应了固硫剂用量的大小,Ca/S比越大,固硫剂用量越大。固硫剂用量的大小,对固硫剂固硫效果有着决定性的影响。固硫剂用量不足,就不能有效地控制SO2的排放;用量过多,则增加成本并导致结渣增多，还会使固硫效率降低［4］。

添加剂的添加量对助燃效果影响较大,用量不足则助燃作用微弱；用量过大,由于添加物包裹在炭粒表面,堵塞气孔,导致煤的燃烧性能下降,因而,添加剂存在最佳的添加量。钙硫比（Ca/S）为2.0的试样中，加入复合添加剂（Al2O3+MnO2），复合添加剂中 Al2O3为1.5%、MnO2为0.55%时煤粉燃烧过程CaO的固硫效果最好。

没有添加剂时，煤样燃烧时产生的SO2气体的释放是不均匀的［5］。通过对煤粉燃烧的综合热分析实验图进行分析：煤粉的着火点在400℃和540℃左右时，SO2释放达到高峰期，大约85%以上的硫在这个温度范围内转变为气体释放出来。此时，硫转化为SO2的速度太快，固硫剂还来不及与之反应，就已逸放出来，从而使固硫效率降低。添加剂的加入将使硫的转化速率发生改变，使之相对均匀释放出来，这有利于固硫剂对SO2的吸收，提高了固硫剂的固硫效率。

当用Al2O3和MnO2作为添加剂时，煤粉燃烧过程中存在于钙基表面的Al2O3和MnO2与CaO相互作用，使金属离子的迁移和扩散速度增加，从而导致CaO晶格结构的改变，使CaO中的孔径变大，孔隙增多，有利于煤粉燃烧过程产生的SO2气体扩散，也有利于改善高温区CaO的烧结现象，减少被固硫产物CaSO4堵塞的机会。

固硫反应的最佳温度在900℃左右。温度较高时，生成的CaSO4易分解，使已经固定在灰渣中的硫化物又重新释放出来，降低了固硫剂的固硫效率，特别是在1 100℃以上的高温时更是如此［6］。实验中添加Al2O3、MnO2混合而成的复合添加剂使高温时的CaO表面有一定的熔融，并使其颗粒表面较光滑，且有一定的板结，形成了包裹层［5］，包住了固硫产物CaSO4，并封堵SO2的逸出通道，从而减少了SO2的逸出，固硫效果明显提高。

4 结 论

（1）钙硫比为2.0时，CaO在煤粉燃烧中的固硫效果最好。本实验中，样品重量减少率为83.8%。

（2）钙硫比为2.0 的试样中，添加剂 Al2O3、MnO2、Fe2O3的质量含量分别为2%、0.5%、0.7%时，煤粉燃烧过程中CaO的固硫效果最好，其中Al2O3、MnO2的固硫效果比Fe2O3要好。

（3）钙硫比为2.0的试样中，加入复合添加剂（Al2O3+MnO2），复合添加剂中 Al2O3为1.5%、MnO2为0.55%时，煤粉燃烧过程中CaO的固硫效果最好。

[1]唐海香，张荣光，张荣曾，等.添加剂对CaCO3固硫效果的影响[J].中国安全科学学报，2006，16（5）：118.

[2]耿曼，陈定盛，梁旭林.添加剂强化粉煤燃烧固硫剂的研究[J].广东化工，2010，37(8)：246.

[3]杨艳华，邓能运，张生芹，等.燃煤助燃添加剂的研究现状[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2009(3)：97-98.

[4]魏宁,赵波.钙基固硫剂固硫效果的影响因素初探[J].煤质技术，2007(4)：44.

[5]何绪文，宋志伟，韩明霞，等.燃煤高温固硫添加剂固硫的促进机理研究[J].中国矿业大学学报，2001，30（5）：480-483.

[6]郑英，史学锋.煤燃烧过程中硫析出规律的研究进展[J].煤炭转化，1998(1)：52-55.

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

重庆科技学院大学生科技创新项目

邓能运(1968-)，男，重庆人，工程师，研究方向为冶金工程。