煉鐵煤粉固硫劑的試驗研究

宋清華

摘要：為了獲得高效實用的固硫劑，該文以生產(chǎn)用煤作為試驗用煤，采用正交試驗法和熱重分析法，研究了固硫劑種類、Ca/S摩爾比、燃燒溫度、煤粉粒度以及預處理時間等因素對固硫效率的影響；在單一鈣基固硫劑的試驗基礎(chǔ)上，又考察了固硫添加劑種類、加入量以及預處理時間等因素對固硫率的影響；綜上試驗結(jié)果，確定了固硫劑的成分為CaO、Na2CO3、CuCl2·H2O，其配比為86%：7%：7%。固硫的一體化試驗結(jié)果表明，在煤粉中加入2.0%的助燃固硫劑，可以使煤粉著火點降低39℃，燃燒率提高了12.96%，固硫率達61.32%。

關(guān)鍵詞：固硫劑 固硫添加劑 固硫率

中圖分類號：X70 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0012-04

Study on a Sulfur Fixation for Coal

Song Qinghua

（Guangzhou Baosteel Southern Trading CO.，LTD，Guangzhou，Guangdong 510663，China）

Abstract：In order to obtain efficient and practical sulfur fixation，the paper choose the coal used in production in the experiment，sulfur fixation sorbent types，Ca/S molar ratio，combustion temperature， particle size of coal and pretreatment time on the sulfur fixation efficiency； based on the single test on calcium-based sulfur retention agent， and investigated the type of sulfur fixation additives，adding volume and pretreatment time on the desulfurization rate；comprehensive test results on the three groups to determine the composition of sulfur fixation for the CaO，Na2CO3，CuCl2·H2O，the ratio is 86%：7%：7%.The integration of sulfur combustion test results showed that the addition of 2.0% sulfur fixation into coal can lower the ignition point of 39 ℃，improve combustion ratio by 12.96%，improve the sulfur fixation efficiency to 61.32%.

Key Words：Sulfur fixation sorbent；Sulfur additives；Sulfur fixation efficiency

隨著煤炭資源供應的日趨緊張以及因煤炭燃燒而帶來的環(huán)境污染問題的越發(fā)嚴重，合理地充分利用煤炭資源和減少污染問題日益引起了人們的高度重視。煤粉添加助燃固硫劑這一潔凈煤技術(shù)的研究與開發(fā)，可以降低煤的著火點，提高煤燃燒速度和利用效率，減少二氧化硫的排放，實現(xiàn)煤碳資源的合理利用。

1 試驗內(nèi)容

為了提高焙燒菱鐵礦回轉(zhuǎn)窯燃煤的利用效率，獲得高效實用的固硫劑，本試驗以生產(chǎn)用煤作為試驗用煤，采用正交試驗法和熱重分析法，完成試驗，固硫劑的研究，主要研究固硫劑種類、Ca/S摩爾比、燃燒溫度、煤粉粒度以及預處理時間等因素對固硫效率的影響；在單一鈣基固硫劑的試驗基礎(chǔ)上，考察固硫添加劑種類、加入量以及預處理時間等因素對固硫率的影響綜上正交試驗結(jié)果，確定固硫劑的成分及配比，在固硫的一體化試驗研究中，分析固硫劑的加入量對煤粉著火點、燃燒率及固硫率的影響。原煤工業(yè)分析結(jié)果見表1。

1.1 煤粉固硫劑試驗

依照表2固硫劑種類、Ca/S摩爾比、燃燒溫度、預處理時間和煤粉粒度正交試驗因素-水平表要求，選擇正交表安排該次試驗。

按照表2的要求，將固硫劑在一定的溫度下進行預處理后，稱取10.000g烘干的煤粉以及按Ca/S摩爾比需要加入的固硫劑，混勻后，將樣品平鋪在瓷方舟內(nèi)。用電阻爐升溫至所需溫度后，將瓷方舟置于爐內(nèi)，恒溫3個小時。待樣品冷卻后稱量灰分的質(zhì)量并測定灰分的含硫量。

1.2 煤粉固硫添加劑試驗

該試驗選取添加劑種類、添加劑加入量以及添加劑在一定溫度下的預處理時間作為正交試驗的三個因素，按照表3要求，選擇正交表安排此次試驗。

在單一鈣基固硫劑的試驗基礎(chǔ)上，將固硫添加劑在一定的溫度下進行預處理，稱取10.000g烘干的煤粉，加入一定量的添加劑混勻后，平鋪在瓷方舟內(nèi)；將電阻爐升溫至固硫劑固硫效果最好的溫度后，將瓷方舟置于爐內(nèi)，恒溫3個小時。待樣品冷卻后稱量灰分的質(zhì)量及測定灰分的含硫量。

1.3 一體化試驗

稱取10.000g試驗用煤，按照正交試驗確定的助燃固硫劑成分及配比，配加助燃固硫劑，選擇最佳的燃燒溫度、煤粉粒度、固硫劑及添加劑預處理時間。分析不同加入量對煤粉的燃燒率及固硫率的影響情況，主要測定灰分的質(zhì)量及灰分中的硫含量，按照固硫率=固硫產(chǎn)物中的硫/媒中的全硫和硫酸鹽中硫差計算其固硫率；通過熱重曲線，計算煤粉的燃燒率；通過爆炸性試驗，測定加入不同量的助燃固硫劑后煤粉的爆炸性。endprint

2 試驗結(jié)果分析

2.1 固硫劑結(jié)果分析

從表4固硫劑正交試驗的結(jié)果及極差可以看出，影響固硫率的5個因素的極差依次是Ca/S摩爾比>固硫劑種類>煤粉粒度>固硫劑預處理時間>燃燒溫度。

固硫劑正交試驗結(jié)果的分析圖如圖1所示，從圖1（a）可以直觀的看出，固硫率隨著Ca/S摩爾比的增大而不斷提高，從固硫反應本身來看，增大反應物的濃度有利于固硫產(chǎn)物的生產(chǎn)，因此，在Ca/S摩爾比為2.5時最佳；在圖1（b）中，在相同的試驗條件下，選用的四種固硫劑中，氧化鈣的固硫效果最好；圖1（c）隨著煤粉粒徑的減小越有利于固硫率的提高，這是因為煤粉粒徑越小，碳顆粒的比表面積越大，有利于SO2的析出并與固硫劑充分的接觸[6-7]，因此，固硫效果最好的煤粉粒徑在180目以下；從圖1（d）可以直觀的看出，預處理時間在10～30min之間時，鈣基固硫劑隨著預處理時間的增大，其固硫效果越好，但是大于30min后，固硫率的增長率趨于零。這因為，在一定溫度下對固硫劑進行預處理有利于改變固硫劑本身的孔隙結(jié)構(gòu)[8]，使其促進了固硫反應的進行，但是，預處理時間大于30min后，固硫劑的孔隙不再發(fā)生任何變化，因此，預處理的最佳值時間為30min；對于試驗溫度來說，高溫有利于提高固硫反應速率和反應活化能，促進固硫反應的正向進行，但是，高溫條件固硫產(chǎn)物的熱分解卻限制了固硫率的提高[7，9]，因此從圖1（e）可以看出，試驗溫度在900℃下固硫效果最好。

按照正交試驗的結(jié)果，選取氧化鈣作為固硫劑，并且在Ca/S=2.5，試驗溫度為900℃，試驗煤粉粒度為180目以下，固硫劑預處理時間為30min時，氧化鈣將會具有最佳的固硫條件；對照固硫劑正交試驗結(jié)果及極差分析表，發(fā)現(xiàn)1到16試驗中沒有包含最佳的固硫條件，為此，按照最佳的固硫條件再補充一組試驗，最終算得該參數(shù)條件下的固硫率為51.48%。

2.2 固硫添加劑結(jié)果分析

通過對固硫添加劑正交試驗結(jié)果及極差分析表的觀察，可以看出添加劑種類的選擇對固硫率的影響最大，加入量影響最小。固硫添加劑正交試驗結(jié)果的分析圖如圖2所示。在圖2（a）中各種添加劑對固硫反應均能起到促進作用，但是Na2CO3的促進作用最明顯。Na2CO3中的Na+離子效應，改善了CaO的孔隙結(jié)構(gòu)，使其孔隙變多，孔徑變大，提高了鈣基的利用率；如圖2（b）所示，在一定的溫度下對固硫添加劑的預處理有利于改變添加劑的孔隙結(jié)構(gòu)，有利于固硫中間產(chǎn)物的生產(chǎn)，但是預處理時間大于30min后，孔隙不再發(fā)生變化了，因此固硫率不再有增加的趨勢；從圖2（c）中可以看出，隨著添加劑加入量的加大，固硫率不斷提高，但是當加入量大于0.3%后，固硫率不再增加，而且有下降的趨勢。這是由于生產(chǎn)的含硫中間產(chǎn)物過多，這些中間產(chǎn)物在高溫下不穩(wěn)定而發(fā)生熱分解，導致了固硫率下降。因此固硫添加劑的最佳加入量為0.3%。

按照正交試驗的結(jié)果，選擇Na2CO3作為固硫添加劑，加入量為0.3%，預處理時間為30min時，將會獲得最佳的固硫效果。按照最佳的添加劑條件再補充一組試驗，最終算得該參數(shù)條件下的固硫率為68.17%。

2.3 一體化試驗結(jié)果分析

通過對助燃劑、固硫劑及固硫添加劑的結(jié)果分析，最終確定CaO作為固硫劑成分，Na2CO3為固硫添加劑成分，CuCl2·H2O為助燃劑成分，并按照最佳加入量確定其配比為86%：7%：7%。試驗結(jié)果見表5和圖3。

從圖3和表5中可以看出，隨著助燃固硫劑加入量的增多，固硫率不斷提高，當加入量為2.0%時，固硫率達最大，燃燒率也最大。固硫效果受到煤粉燃燒情況的制約，煤粉充分燃燒有利于SO2的釋放，可以促進固硫反應的加速進行，如果煤粉燃燒不充分，則SO2的釋放速度減緩，使得固硫成分在高溫條件下的停留時間較長，改變了固硫成分顆粒的微觀結(jié)構(gòu)，導致固硫率下降；煤粉的燃燒率隨著助燃固硫劑的加入先增后減，加入量過大使得助燃固硫劑包裹在碳顆粒的表面，導致碳顆粒表面氣孔堵塞，從而使燃燒性能下降。

3 結(jié)語

（1）通過固硫劑的正交試驗結(jié)果分析，最終選擇CaO為固硫劑，Ca/S為2.5，燃燒溫度900℃，煤粉粒度180目以下，預處理時間30min，在此條件下的固硫率為51.48%。

（2）在固硫添加劑的試驗研究中，發(fā)現(xiàn)四種固硫添加劑中Na2CO3的促進作用最大。試驗結(jié)果表明，在煤粉中加入0.3%的Na2CO3，經(jīng)過30min預處理過的CaO可以使固硫率提高到68.17%。

（3）通過三組試驗結(jié)果分析，最終確定助燃固硫劑的成分是CaO、Na2CO3、CuCl2·H2O，其配比為：86%：7%：7%。在煤粉中加入2.0%的助燃固硫劑，可以使煤粉著火點降低39℃，燃燒率提高72.51%，固硫率達61.32%。

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