燃煤锅炉典型脱硫工艺的脱氟反应机理分析

杨福迈

摘 要：伴随着工业生产的高速发展，环境污染问题也随之变得越来越严重。为维护自然环境的可持续性发展，很多工业生产都在研究一些环保的生产方式，旨在将生产中的一些污染物质进行百效的处理。在大气污染物质中，氟化物是典型的污染物种，因此应当在燃煤锅炉中采用脱硫工艺对其进行处理。

关键词：煤燃烧；脱氟；反应机理；反应热力学；反应动力学

我国的二氧化硫排放量已经远超欧洲国家，现居世界首位。硫化物的排放通常源于煤炭的燃烧，火电厂、工业锅炉与取暖炉是我国耗煤量最多的场所与设备。当前我国在能源消耗与环境保护方面面临严峻挑战，即硫化物污染的消减与控制问题。面对日益严重的环境污染问题，分析与研究燃煤锅炉中典型脱硫工艺的脱硫反映机理有着十分重要的意义。其反应机理的研究利于一些十分具有应用价值的脱硫剂的开发以及燃煤氟污染相关问题的解决。

1 典型脱硫工艺简介

煤是我国能源资源中的主要构成，在未来很长一段时间内以高硫为主的相当数量煤炭资源的基本格局很难改变[1]。在二十一世纪的议程上，国家已经将煤洁净技术的发展视为一项重要的内容，我国能源未来的发展便是洁净煤技术。

针对脱硫工艺而言，洁净煤技术涉及到了四个领域，分别是：燃烧前脱硫（也就是煤炭在燃烧之前的处理与净化技术）、燃烧中脱硫（也就是煤炭在燃烧中的净化技术）、燃烧后烟气脱硫（也就是煤炭在燃烧之后的净化技术）以及煤的转化技术。在这些领域中通常有以下几种典型的脱硫工艺。

1.1 燃烧前脱硫

其流程为首先进行洗选处理，为了将原煤中含有的一些硫分与灰分杂质除去或者是减少，随后对型煤进行加工，也就是用机械的方法把低品位煤以及粉煤制作成含有一定形状或者是粒度的煤制品，使烟尘的排放量能够得到有效的控制；水煤浆，从七十年代开始便发展出了这种用煤来代替油的一种新型燃料，将一些有着很低灰分与很好挥发分的煤制作成水煤浆，能够便于象燃油一样的进行运输、贮运与燃烧。

1.2 燃烧中脱硫

在燃烧过程中生成的二氧化硫，在遇到氧化钙或者是氧化镁等碱土金属时，由于发生反应会生成硫化钙和硫化镁，进而实现燃烧中的脱硫。

1.3 燃烧后烟气脱硫

对于炉膛燃烧温度过高的一些燃煤设备来说，如果在燃烧的过程中使用石灰石进行脱硫并不能产生很好的效果，通常都不能实现排放的要求，所以需要在燃烧后进行烟气脱硫[2]。在方法分为干法、湿法或者半干法，干法有：炉内喷钙烟气脱硫技术以及电子束照射法等；湿法有石灰石/石灰-石膏法以及双碱法等；一般用喷雾干燥法用于半干法。

1.4 煤的转化技术

该技术能够使煤炭的利用变得更加清洁与高效，该技术同那些常规的煤炭燃烧工艺是并存的，可以将煤炭转化成气体颜料或者是液体颜料。

2 石灰石/石膏法的脱氟反应机理

2.1 脱氟反应的具体过程

没燃烧的过程，处于高温的环境下，大部分的氟能够发生化学反应变成气态的氟化物，比如SiF4或者是HF等[3]。煤经过燃烧后得到的煤粉的表面积会很大，可以将烟气中的含有的部分气态氟化物吸附了。处于干法或者是湿法除尘系统中，那些烟气中含有的干灰和气态氟化物有着不同的转移途径。

石灰石/石灰湿法烟气脱硫工艺里的脱硫反映可以描述成：吸收塔中的料浆把烟气中含有的大部分气态氟化物以及飞灰溶解，向灰水中转入。其中的HF会溶入水中，随之反应生成氢氟酸，电解反应如下：

HF？圮H++F-

当SiF4溶解到水中之后，会与水发生反应生成H2SiF6：

3SiF4+2H2O→SiO2+2H2SiF6

由于氟硅酸特别容易溶于水，并且处于碱性水的环境下，能电离出F-：

H2SiF6+6OH-→6F-+H2SiO4+2H2O

在氟化物迁移到灰水的过程中，料浆中的CaCO3与CaO能够缓慢的溶于水中并生成Ca2+：

Ca2++2F-→CaF2

也就是将CaCO3作为反应的主体时，其反应方程式如下所示：

CaCO3+2HF→2CaF2+CO2+H2O

以CaO作为反应的主体时，其反应方程式如下所示：

CaO+2HF→CaF2+H2O

当料浆中的那些碳酸钙慢慢的溶解生成Ca2+时，在液相中的那些高浓度的F-极易同钙离子进行结合，进而生成CaF2沉淀。

通常来讲，灰渣中的氟能够以很快的速度溶入到液相中，也就是说发生溶解、沉淀、吸附以及脱附平衡仅仅需要很短的时间。针对湿法除尘系统而言，因为烟气中绝大部分的氟都会因为水的淋洗流入到液相中，在液相中的氟含量因此比干法除尘中的氟要多很多[4]。而伴随灰渣中的那些游離的氧化钙会发生溶解生成大量的钙离子，同液相中含有的高浓度氟离子相结合生成氟化钙沉淀。整个脱硫过程中的决定性控制因素就是CaCO3作为反应的主体的反应过程。

2.2 石灰石/石膏法的脱氟效果分析

同别的烟气脱硫法进行比较，能够发现该方法在当前的发展较为成熟，在运行上也存在较强的可靠性，因此得到了十分广泛的应用。若使用湿法烟气脱硫法，脱氟的效果会受到很多因素的影响，比如图1所示的石灰石以及石灰的活性能够对pH值产生的影响。

由于系统的长期运行，会导致系统因为堵塞出现难以正常运行的情况，软垢能够将溶液中pH值降低后使其溶解，原因就是它的溶解度会伴随pH值的降低呈现出明显上升的趋势[5]。pH值的高低能够使反应过程中脱硫的效果受到严重的影响，从图1可以明显的发现，当塔温逐渐升高时，浆液中的pH值会发生明显的下降，也就会间接的导致降低脱氟的效果。

3 结束语

综上所述，面对日益严重的环境污染问题，为了降低污染的程度，维护自然环境的可持续性发展，分析与研究燃煤锅炉中典型脱硫工艺的脱氟反映机理有着十分重要的意义。在燃煤锅炉中采用脱硫工艺对其进行处理，能够提升脱氟的效果。但是鉴于脱硫工艺的种类有很多，应当仔细研究与分析不同工业生产应当选择的脱硫工艺，以此来提升脱硫、脱氟的效果。

参考文献

[1]齐庆杰.煤中氟赋存形态、燃烧转化与污染控制的基础和试验研究[D].浙江大学，2002.

[2]王智化.燃煤多种污染物一体化协同脱除机理及反应射流直接数值模拟DNS的研究[D].浙江大学，2005.

[3]郭少鹏.湿式氨法烟气脱硫及结合臭氧氧化实现同时脱硫脱硝的研究[D].华东理工大学，2015.

[4]徐锐.大型石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统可靠性研究[D].华中科技大学，2011.

[5]魏冬.天津石化410t/h燃煤锅炉脱硫除尘一体化工程可行性研究[D].天津大学，2007.