粉煤灰的改性及从模拟烟气中吸附脱除SO2试验研究

崔同明，李水娥，李慧赢

(1.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵州 贵阳 550025)

粉煤灰的改性及从模拟烟气中吸附脱除SO2试验研究

崔同明1,2，李水娥1,2，李慧赢1,2

(1.贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵州 贵阳 550025)

采用煅烧—水热化合法对粉煤灰进行改性，并用改性后的粉煤灰进行模拟烟气脱硫试验，研究了改性粉煤灰脱硫机制。试验结果表明，在助熔剂Na2CO3用量12 g、Ca(OH)2用量15 g、温度80 ℃、水合消化8 h条件下，对50 g粉煤灰进行改性，改性后的粉煤灰含湿率30%，对SO2最大吸附率达93.5%，平均吸附率为85.2%，吸附效果较好。

粉煤灰；改性；SO2；吸附

燃煤导致SO2大量排放，空气质量受到影响。目前，减少燃煤SO2排放量的最有效方法是烟气脱硫。粉煤灰主要由SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3和未燃尽炭组成[1]，含有大量多孔物质[2-4],比表面积较大[5-9],是很好的脱硫剂和吸附材料[10-16]。因此,利用粉煤灰制备高性能SO2吸附剂有重要意义。

目前，粉煤灰改性主要有火法和湿法，试验将火法与湿法相结合，采用煅烧—水热化合法制备吸附效率高、容量大的改性粉煤灰吸附剂并从模拟烟气中脱除SO2。

1 试验原料

二氧化硫(纯度99.9%，佛山市华特气体有限公司)，粉煤灰(贵州大方发电有限公司)，无水碳酸钠(分析纯，天津市永大化学试剂有限公司)，氢氧化钙(分析纯，含量95%以上，天津市科密欧化学试剂有限公司)。

粉煤灰主要成分见表1。

表1 粉煤灰主要成分 %

2 粉煤灰改性及吸附脱除SO2

2.1 粉煤灰改性及脱硫原理

加入助熔剂(Na2CO3)煅烧熔融,破坏粉煤灰的晶格结构，使其释放出无定型SiO2和Al2O3等，增强粉煤灰的活性，然后向熔融后的产物中加入Ca(OH)2，使其发生如下水热化合反应：

(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 改性粉煤灰的制备

先称取50 g粉煤灰，加入一定量(8、10、12 g)Na2CO3，放入马弗炉中，在850 ℃下煅烧2 h。自然冷却后，研磨得粉煤灰细粉；再将粉煤灰细粉放入水浴锅中，加入一定量(10、15、20 g)Ca(OH)2改性试剂，在一定温度(70、80、90 ℃)下水合消化一定时间(4、6、8 h)，然后过滤，滤饼放入恒温干燥箱中，在105 ℃下干燥一段时间后取出，冷却后得改性粉煤灰。

2.3 改性粉煤灰吸附脱除SO2

按图1连接试验装置。纯SO2与空气压缩机压缩出的空气在气体缓冲瓶中配制成体积分数0.2%的SO2混合气体，控制转子流量计使气体总流量为200 L/h。吸附柱为直径1.5 cm、长100 cm的有机玻璃管，内装50 g改性粉煤灰，入口和出口的SO2质量浓度用KM9106型烟气综合分析仪(测量范围0～0.02，灵敏度±1×10-6)测定。当吸附柱入口SO2质量浓度与出口SO2质量浓度相同时结束试验。

1—SO2气体钢瓶；2—空气压缩机；3—气体流量计；4—减压阀；5—干燥剂；6—气体缓冲瓶；7—吸附柱；8—库伦测硫仪；9—尾气吸收装置。

SO2吸附率计算公式为

式中：ρin—反应前(进吸附柱前)SO2体积质量，mg/m3；ρout—反应后(出吸附柱后)气体中SO2体积质量，mg/m3；η—吸附率，%。

3 试验结果与讨论

3.1 水合改性温度对改性粉煤灰吸附SO2的影响

试验条件：助熔剂Na2CO3用量10 g，改性试剂Ca(OH)2用量15 g，水合消化时间4 h，改性后的粉煤灰含湿率30%。水合改性温度对改性粉煤灰吸附SO2的影响试验结果如图2所示。

图2 水合改性温度对改性粉煤灰吸附SO2的影响

由图2看出：随水合改性温度升高，改性后粉煤灰对SO2的吸附率降低；当水合改性温度为80 ℃时，粉煤灰改性效果较好，SO2最大吸附率可达85.11%，平均吸附率为74.452%。这是因为随温度升高，水合消化反应所吸收热量增加，反应向更有利的方向进行，反应速度更快，Ca(OH)2与SiO2、A12O3反应更激烈，生成更多硅铝酸钙凝胶，从而使固硫率增大；但温度过高，易在粉煤灰改质物中生成隐晶硅酸钙物质，该物质使水分子含量减少，导致活性降低：综合考虑，确定水合改性温度以80 ℃为宜。

3.2 含湿率对改性粉煤灰吸附SO2的影响

试验条件：水合改性温度80 ℃，助熔剂Na2CO3用量10 g，改性试剂Ca(OH)2用量15 g，水合消化时间4 h。改性粉煤灰含湿率对改性粉煤灰吸附SO2的影响试验结果如图3所示。

图3 含湿率对改性粉煤灰吸附SO2的影响

由图3看出，随改性粉煤灰含湿率增大，其对SO2吸附率降低。这是因为适当的含水率有利于气固反应的进行，而过多的水分会使改性粉煤灰表面水层增厚，增大SO2进入吸附剂内部反应的阻力，不利于吸收SO2，脱硫率下降。综合考虑，确定含湿率以30%为宜。

3.3 改性试剂用量对改性粉煤灰吸附SO2的影响

试验条件：水合消化时间8 h，水合改性温度70 ℃，助熔剂Na2CO3用量10 g，改性粉煤灰含湿率30%。改性试剂Ca(OH)2用量对改性粉煤灰吸附SO2的影响试验结果如图4所示。

图4 Ca(OH)2用量对改性粉煤灰吸附SO2的影响

由图4看出，随Ca(OH)2用量增加，改性粉煤灰对SO2吸附率降低。这是因为Ca(OH)2加入量增多，有利于反应向右进行，生成物增多，SiO2和A12O3活性也相应增大，生成物内部结构改变得更彻底，比表面积增大，固硫率自然升高；但Ca(OH)2用量过多，溶液碱度增大，对反应不利；同时，也影响水合硅铝酸钙的生成:综合考虑，确定Ca(OH)2用量以15 g为宜。

3.4 水合消化时间对改性粉煤灰吸附SO2的影响

试验条件：水合改性温度80 ℃，助熔剂Na2CO3用量10 g，改性试剂Ca(OH)2用量20 g，改性粉煤灰含湿率30%。水合消化时间对改性粉煤灰吸附SO2的影响试验结果如图5所示。可以看出,随水合消化时间延长，改性粉煤灰对SO2吸附率略有提高。这是因为随水合消化时间延长，Ca(OH)2与粉煤灰中的SiO2、A12O3结合得更好，生成的硅铝酸钙凝胶增多，粉煤灰改质物的固硫率提高。当水合消化时间为8 h时，改性粉煤灰对SO2的最大吸附率为85.2%，平均吸附率为74.5%。

图5 水合消化时间对改性粉煤灰吸附SO2的影响

3.5 助熔剂用量对改性粉煤灰吸附SO2的影响

试验条件：改性试剂Ca(OH)2用量15 g，水合消化时间6 h，水合改性温度90 ℃，改性粉煤灰含湿率30%。助熔剂Na2CO3用量对改性粉煤灰吸附SO2的影响试验结果如图6所示。

图6 Na2CO3用量对改性粉煤灰吸附SO2的影响

由图6看出：随助熔剂Na2CO3用量增加，改性粉煤灰对SO2吸附率提高。这是因为：助熔剂的加入破坏了粉煤灰中稳定的玻璃体结构；同时，煅烧过程中产生的气体起到“发泡”作用，使粉煤灰变得更加疏松多孔，比表面积增大，进而使后续的改性反应更易进行。当助熔剂Na2CO3用量为12 g时，改性粉煤灰对SO2的最大吸附率达92.11%，平均吸附率为84.88%。

4 结论

对于50 g粉煤灰，当加入12 g Na2CO3煅烧2 h后，用15 g Ca(OH)2进行改性，在含湿率30%、温度80 ℃下水热化合8 h所制备的改性粉煤灰对模拟烟气中的SO2最大吸附率达93.5%，平均吸附率为85.2%。结果表明，通过煅烧—水热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拟烟气中的SO2，实现“以废治废”,对治理大气污染有较好的应用前景。

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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

贵州省教育厅项目(黔教合KY字[2014]222号)；贵州省科技厅、贵州大学2014联合资金项目(黔科合LH字[2014]7647号)。

崔同明(1989-)，男，河南信阳人，硕士研究生，主要研究方向为冶金节能与资源综合利用。

李水娥(1969-)，女，湖南隆回人，硕士，教授，主要研究方向为冶金环境保护。E-mail:longlong9812@163.com。

X701.3

A

1009-2617(2017)03-0234-04

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.03.016