循環流化床鍋爐脫硫中鎂渣的應用研究

高利寧

（榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000）

循環流化床是目前轉化效率最高的工業技術，由于燃料中含有大量的硫，為降低空氣污染，需要在鍋爐中完成對其的脫硫過程。隨著當前可利用資源的減少，使用工業廢渣進行脫硫成為了工業生產的研究熱點。目前應用工業廢渣進行脫硫的有電石渣，而鎂渣是生產金屬鎂的過程中的廢物，生產一噸金屬鎂會產生六噸以上的鎂渣。而鎂渣中含有大量的γ-Ca2S，同電石渣一樣，這種物質具有很高的硫聚合性，說明鎂渣也可以作為脫硫的重要媒介。

1 鎂渣的特性

為衡量鎂渣的組成以及結構特性，我們前往某鎂生產工廠，取其生產過程中排放的鎂渣進行了測定，具體組成如表1所示。

表1 鎂渣中所含元素的質量分數

2 鎂渣的脫硫性能

2.1 實驗室實驗

為測試鎂渣的脫硫性能，在實驗室中采用TGA（熱重分析儀）進行脫硫實驗，實驗的記錄指標為溫度與鎂渣脫硫效果之間的關系。首先，鎂渣被放置在TGA的坩堝中進行加熱，隨后將含有硫的煙氣從TGA頂部通入，在TGA底部則通入N2作為保護氣，脫硫過程在坩堝內進行，脫硫后的氣體則進入數據記錄中心，分析其中的硫含量并進行記錄，實驗過程如圖1所示。

圖1 鎂渣脫硫實驗過程

實驗過程中通入的含硫煙氣為自配制煙氣，采用SO2、O2和N2混合而成，模擬燃煤生成的廢氣，其中SO2的含量為0.3%。

2.2 反應溫度對鎂渣脫硫性能的影響

溫度對鎂渣脫硫性能的影響機理為溫度會改變化學反應的速率，同時還會對鎂渣的結構產生影響，例如擴大鎂渣的孔徑等。增加煙氣與鎂渣的接觸面積，因此當溫度升高時，鎂渣的脫硫性能應當隨之提升。

圖2 溫度和反應時間對鎂渣脫硫反應的影響程度

圖2 為溫度和鈣轉化率之間的關系，鎂渣中含有的大量的γ-Ca2S是脫硫過程中的主要反應物質，因此可以通過鈣轉化率這一指標來衡量鎂渣脫硫的效率，鈣轉化率越高，說明鎂渣的脫硫性能越好。而從圖2中可以看出，鈣轉化率與反應溫度之間是呈現出整體上升趨勢的，當溫度為900℃時，鈣轉化率數值明顯高于溫度為800℃時的數值，但當溫度上升到1000℃時，鈣轉化率上升的幅度非常有限，幾乎和900℃時相同，這說明溫度對鎂渣脫硫性能的影響極限在900℃左右，此時鎂渣的脫硫性能最佳。

在反應時間方面，鈣轉化率同反應時間的變化呈現出先快速后平緩的趨勢，在反應時間達到120min時，鈣轉化率的增長以及趨于平緩的狀態，說明此時的鎂渣已經基本反應殆盡。因此對于需要控制時間成本的生產來說，應當將鎂渣脫硫的時間控制在140min左右。

化學反應的速率會隨反應的增加而增加，但在圖2中，溫度由900℃增加到1000℃卻并沒有增加鈣轉化率。造成這種現象的原因是當溫度過高時，不僅會影響化學反應速率，同時也會影響鎂渣表面的結構。高溫會使鎂渣表面出現燒結現象，降低孔隙的數量和直徑，從而降低煙氣與鎂渣的接觸面積，從而抵消因溫度上升造成的化學反應速率的提升。

3 鎂渣爐內脫硫實驗

3.1 實驗對象

上文中的實驗室實驗已經證明鎂渣確實有脫硫的效果并且其脫硫的性能隨溫度的提升而提升，為衡量鎂渣在實際生產過程中的脫硫效果，在CFB鍋爐內進行實際實驗。該鍋爐為循環流化床鍋爐，蒸發量為25t/h，蒸汽壓力為1025MPa，蒸汽平均溫度為198℃，鍋爐所使用的燃煤的構成如表2所示。

表2 鍋爐燃煤元素構成質量分數

首先將燃煤與實驗用的鎂渣混合均勻后加入到鍋爐中，設置另一組鍋爐為對照組，加入同樣的燃煤但不加入鎂渣。隨后使用煙氣分析儀對兩組鍋爐燃燒生成的煙氣中的硫含量進行分析，以此指標作為鎂渣脫硫性能的參照。

3.2 實驗結果和分析

煙氣中硫含量的測試在鍋爐機組運行穩定時進行，本實驗中使用的鍋爐的最佳負荷為70%。實驗除測試鎂渣的脫硫效果外，還測試向鍋爐中加入鎂渣的含量對煙氣脫硫效率的關系，以此作為實際生產中的最佳鎂渣加入量。

表3 不同鎂渣加入量下的煙氣硫含量

表3為加入不同含量的鎂渣下煙氣中的硫含量以及脫硫效率情況。其中，鈣硫摩爾比是指鍋爐中鈣和硫的摩爾比值，鈣由鎂渣中的γ-Ca2S提供，而硫則由燃煤中的硫提供。可以看出鈣硫摩爾比越高，煙氣中硫含量就越低，脫硫的效率就越高，當鈣硫摩爾比達到2.50時，脫硫的效率達到了62.7%，可以有效的脫除煙氣中的硫含量，對降低環境污染具有非常好的作用。

為衡量鈣硫摩爾比這一數值與脫硫效率之間的關系，我們進行了相關的實驗，結果如圖3所示。根據化學反應的平衡原理，向鍋爐中加入的鎂渣數量越多，脫硫的效果就越好，煙氣中的硫含量就越少。但實際生產中并不是加入的鎂渣含量越多越好，加入大量的鎂渣不僅會花費額外的成本，鎂渣在鍋爐內會大量吸熱，降低鍋爐中的溫度，造成熱損失；此外，鎂渣的性質會使其在鍋爐中與爐膛發生摩擦，加劇爐膛的磨損，減少鍋爐的壽命。因此在實際的生產過程中，應當根據煙氣脫硫的指標和實際生產要求決定加入鍋爐中的鎂渣含量。

圖3 鍋爐中鈣硫摩爾比與脫硫效率之間的關系

4 結論

本文對鎂渣在循環流化床的鍋爐燃煤煙氣脫硫中的應用進行了研究，實驗室實驗表明，鎂渣中含有的γ-Ca2S可以同煙氣中的SO2結合生成CaSO4，將硫元素固定，起到脫硫的作用。使用鎂渣脫硫的最佳溫度為900℃，在脫硫完成后硫元素將以CaSO4的形式固定在鎂渣表面，可以回收再利用。實際的鍋爐實驗表明，當鍋爐中的鈣硫摩爾比在2.50時，脫硫效率可達62.7%，可以去除煙氣中的大部分SO2，起到節能減排保護環境的作用。向鍋爐中加入的鎂渣越多，脫硫效果就越好。但考慮到鎂渣對鍋爐燃燒的影響，應當在結合生產要求的基礎上決定加入鍋爐中的鎂渣的含量。