CN105327613A - 一种脱硫剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脱硫剂及其应用,包括组分A和组分B,组分A为催化剂,组分B为脱硫活性剂;所述的组分A包括MgO、CaO、白云石和CaCO3;所述的组分B包括硅酸二钙和钙橄榄石。本发明提供的脱硫剂包括组分A和组分B,组分A的来源为在1423~1473K温度下煅烧原料白云矿石产生的烟尘;废料B的来源为利用煅白、硅铁以及萤石制成球团在还原炉中经过高温煅烧后剩余的残渣;其中组分A作为活性催化剂,组分B作为脱硫活性剂,将组分A与组分B混合后共同作为脱硫剂,组分A的加入催化了组分B的脱硫活性,提高了脱硫效率,且同时使用了钙基和镁基的共同作用,为脱硫技术开辟了新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及脱硫剂及其应用,具体的将皮江法冶镁工艺中的废料进行回收制成脱硫剂,再将其应用到烟气的脱硫,即是一种脱硫剂及其应用。
背景技术
目前中国生产金属镁的主要方式是皮江法,这与中国有丰富的镁矿资源,能源,辅料和廉价的劳动力等密切相关。随着皮江法冶镁技术在我国的普及、推广,我国的镁产量从1990年的0.53万吨达到了2014年的87.38万吨,可谓是飞跃式发展。与此同时,由于皮江法固有的缺陷,加上我国炼镁行业技术革新滞后,我国炼镁产业仍旧没有摆脱“大量生产,大量消耗,大量废弃”的传统增长模式,这种模式导致能源利用率低,资源综合利用水平低,其结果是严重污染了环境。以山西省为例,2005年镁产量33万吨计,估计约可产生二氧化硫气体量约21.78万吨,粉尘量约2.178万吨,还原渣约165万吨,还原炉烟气量约313.5万立方米。其中还原渣产量巨大且没有利用价值,给环境带来了沉重的负担。如何提高资源综合利用率,变废为宝,以减轻环境负担是我们所关心的问题。
烟气脱硫的主要目的是为了控制工艺过程中所产生的二氧化硫等污染物的排放量。据美国环保局(EPA)统计,世界各国开发、研究、使用的二氧化硫控制技术已达189种,预计目前的数量将超过200种。这些技术概括起来可分为四类,即燃烧前脱硫(原煤脱硫)、燃烧中脱硫、煤的转化利用技术和燃烧后脱硫(烟气脱硫)。目前我国的脱硫工艺中主要采用烟气脱硫的方式,因为其他方式还不能在经济上、技术上与之竞争。
脱硫工艺根据脱硫反应产物和脱硫产物的不同又可以划分为湿法脱硫,干法脱硫和半干法脱硫。湿法脱硫技术主要包括石灰(石灰石)法、双碱法、钠法、镁法、氨法、海水法、磷铵肥法等;干法脱硫技术主要包括活性炭吸附法、电子束照射法、等离子体脱硫法、催化氧化和还原法等;半干法脱硫技术主要包括烟气循环流化床技术、喷雾干燥、炉内喷钙/增湿活化脱硫技术,其中涉及到的各种脱硫剂都有自己独特的优势。
调研得知,目前炼镁厂或者大型燃煤锅炉的烟气脱硫通常采用的脱硫工艺为湿法脱硫,采用的脱硫剂为生石灰(氧化钙)。为维持炼镁厂脱硫***的正常运转,一天需消耗石灰大约为3-4吨,脱硫剂占总脱硫成本的48%,按市场价石灰300元/吨来估算,每年脱硫***的投入约为68~92万元,成本投入非常大。而且生石灰活性不高,脱硫效率不高。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足,为了提高资源综合利用率,减轻环境负担,提高经济效益,本发明通过***的研究,将皮江法炼镁过程中产生的两种废料混合后制备成一种脱硫效率高且能重复利用的脱硫剂,该脱硫剂能应用到对含有二氧化硫的烟气的脱硫处理。
为实现上述目的,本发明采取如下方案解决:
一种脱硫剂,包括组分A和组分B,组分A为催化成分,组分B为脱硫活性成分;所述的组分A包括MgO、CaO、白云石、CaCO3、SiO2和沸石;所述的组分B包括硅酸二钙和钙橄榄石。
具体的,按质量比计,组分A:组分B为7:35~45。
更具体的,组分A:组分B为7:40。
具体的,按质量百分比计,废料A中,氧化镁为38%~42%,氧化钙为22%~26%,白云石为17%~21%,碳酸钙为8%~12%,SiO2为2%~4%,沸石为3%~4%;废料B中硅酸二钙为44%~50%,钙橄榄石为50%~56%。
更具体的,按质量百分比计,组分A中MgO为40%,CaO为24%,白云石为19%,CaCO3为10%,SiO2为3%,沸石为4%;组分B中硅酸二钙为47%和钙橄榄石为53%。
另外,所述的组分A的制备方法为:将1150~1250℃温度下煅烧白云矿石过程中产生的烟尘收集即得组分A,煅烧后的产物为煅白;
所述的组分B的制备方法为:将制备组分A得到的煅白与硅铁和萤石混合后制成球团经温度范围为1190~1210℃煅烧后剩余的残渣即得组分B;
且,所述的烟尘的粒径小于40μm;所述的残渣的粒径小于40μm,所述的球团的容重为1195~2105g/cm3。
所述的脱硫剂用于含有二氧化硫的烟气脱硫的应用。
所述的脱硫剂用于除去皮江法冶镁工艺中产生的含有二氧化硫烟气脱硫的应用。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明提供的脱硫剂包括组分A和组分B,组分A的来源为在1150~1250℃温度下煅烧原料白云矿石产生的烟尘;废料B的来源为利用煅白、硅铁以及萤石制成球团在还原炉中经过高温煅烧后剩余的残渣;其中组分A作为活性催化剂,组分B作为脱硫活性剂,将组分A与组分B混合后共同作为脱硫剂,组分A的加入催化了组分B的脱硫活性,提高了脱硫效率,且同时使用了钙基和镁基的共同作用,为脱硫技术开辟了新的途径;
(2)采用组分A:组分B=7:40的配比配制脱硫剂(HBF)的配比是经过实验同时考虑实际生产过程中两种废料的产量得到的最佳配比,这时的脱硫效果可达到最佳,实际应用证明,只要维持pH值在12左右即可满足脱硫要求,使组分A和组分B得到了合理的利用,不仅提高了资源的综合利用率,大大减轻了环境的负担,而且减少了生产过程中脱硫成本的投入,使经济效益得到了提高;
(3)本发明主要应用于除去皮江法冶镁工艺流程还原流程中在还原炉中产生的大量的二氧化硫,应用在这一皮江法冶镁领域时可以最大程度上发挥出它的优势;当然,只要生产过程中有二氧化硫产生的领域,都可以应用本发明的脱硫剂。
附图说明
图1为皮江法冶镁工艺流程图;
图2为脱硫流程图,图2中各标号表示为:1-溶解池、2-再生池、3-沉淀池、4-调节池、5-脱水间、6-脱硫区、7-除雾器、8-催化剂(废料A)、9-循环泵、10-烟气入口、11-脱硫塔顶部、12-脱硫塔、13-烟囱;
图3为不同废料B含量下的pH关系图;
图4为不同废料A含量下的pH关系图;
图5为废料A的粒径分布图;
图6为废料B的粒径分布图;
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
皮江法生产金属镁包括以煅烧白云石为原料、硅铁为还原剂、萤石为催化剂进行计量配料;将配料粉磨后压制成球,称为球团;将球团装入还原罐中,加热到1200±10℃,内部抽真空至13.3~10Pa产生镁蒸气,镁蒸气在还原罐前端的冷凝器中形成结晶镁,亦称粗镁;再经熔剂精炼,产出商品镁锭,即精镁。
皮江法炼镁生产工序包括:
(1)白云石煅烧:将白云石在回转窑或竖窑中加热至1150℃~1250℃,烧成煅白(MgOCaO);
(2)配料制球:将煅白、硅铁粉和萤石粉计量配料、粉磨,然后压制成球团,球团压团后(呈扁桃状、杏仁状)料球的容重应达到1195~2105g/cm3;
(3)还原:将料球在还原罐中加热至1200±10℃,在13.3~10Pa的真空条件下,保持8~12小时,氧化镁还原成镁蒸气,冷凝后成为粗镁;
(4)精炼铸锭:将粗镁加热熔化,在680~740℃高温下,用溶剂精炼后,铸成镁锭,亦称精镁。
(5)酸洗:将镁锭用硫酸或硝酸清洗表面,除去表面夹杂,使表面美观。
调研发现,在皮江法冶镁工艺流程(见图1)中会产生两种废料。皮江法冶镁工艺流程只有这一种,虽然经过多年的发展使工艺流程不断得到优化,但是生产过程中还是会产生废料A和废料B(本发明所述的废料A和废料B在脱硫剂中称为组分A和组分B)。
废料A,其来源为在1150~1250℃温度条件下在回转窑中煅烧原料白云矿石过程中产生的烟尘,称这一工序为煅烧工序。如果这些烟尘被排入大气,将会对大气环境造成严重的污染。相关研究表明,若煅烧过程中产生的烟尘粒径小于40μm,烟尘中将含有MgO37%~39%,由于颗粒比表面积增大,镁基活度将大幅提高,这将促进中和反应活性变强。因此,在尾部用布袋除尘器对烟气中粒径小于40μm的粉尘进行捕集,利用脉冲震荡方式收集废料A,将其用作活性催化剂。
废料B,其来源为利用煅白(化学式为MgOCaO)、硅铁以及萤石由制球机制成的球团在还原炉中经过高温(1200±10℃)煅烧后剩余的残渣,称这一工序为还原工序。由于其产量非常大,而且没有什么利用价值通常会给环境造成很大的负担。测试发现B中的主要成分为2CaO·SiO2,富含钙基,而且其接近90%的粒径都小于40μm,非常适合作为脱硫剂。
研究发现,废料A和废料B溶于水后都呈现碱性,废料A富含镁基和钙基,溶于水之后其PH值能达到12.7,废料B富含有钙基,按一定比例溶解PH值能达到11,但废料B的PH值偏小,而且钙基活性弱,不适合做脱硫剂使用,而加入一定比例废料A(活性催化剂)后PH值可稳定在12,而且形成了了钙基和镁基的合成脱硫剂(HBF),大大提高了脱硫效果。
所以可以考虑利用废料A(活性催化剂)和废料B这两种物质代替原来所使用的脱硫剂氧化钙,应用于脱硫塔用于除去还原炉中产生大量的二氧化硫气体(或者大型的燃煤锅炉的烟气脱硫)。由于废料A和B的产量以及溶于水的碱性存在差异,通过对A和B进行特定的混合配比来做为一种新型的脱硫剂(HBF),可以最大限度的利用工艺过程中产生的废料A和B,在满足脱硫工艺需求的前提下,提高资源综合利用率。预计技术优化之后,脱硫***可节约脱硫成本一半以上。同时,由于废料A和B中主要物质的比表面积大,因此脱硫效率也会得到进一步提高。
湿法脱硫技术主要包括石灰(石灰石)法、双碱法、钠法、镁法、氨法、海水法、磷铵肥法等,是单一物质脱硫,而废料A(活性催化剂)和废料B用混比法制得的脱硫剂(HBF),在湿法脱硫技术中形成了新的混比法脱硫技术,同时使用了钙基和镁基的共同作用,为脱硫技术开辟了新的途径。
一、方案的可行性分析:
(一)废料A,B的成分测试
采用美国PANalytical公司的EMPYREAN型X射线衍射分析仪对两个废料进行了成分和比例的测定,结果如下所示。
废料A的主要成分为氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、白云石和碳酸钙(CaCO3),其占到了总含量的93%,其余为SiO2和沸石,具体成分见表1。
表1
成分 | MgO | CaO | 白云石 | CaCO3 | SiO2 | 沸石 |
质量百分比 | 40% | 24% | 19% | 10% | 3% | 4% |
废料B主要含有两种物质,硅酸二钙和钙橄榄石。钙橄榄石是硅酸二钙的另一种结构形式,两者只存在物理性质的差异。其化学式都为2CaO·SiO2,具有相同的化学性质。在讨论其化学性质时,可以认为是同一种物质,废料B中的具体成分见表2。
表2
成分 | 硅酸二钙 | 钙橄榄石 |
质量百分比 | 47% | 53% |
从废料成分分析可以看到,其中能与亚硫酸(SO2溶于水的产物)反应的成分占总量的90%以上,对于脱硫的目的来说非常有利。
根据不同厂家采用皮江法炼镁生产的差异性,按质量百分比计,废料A中,氧化镁(MgO)可以为38%~42%、氧化钙(CaO)可以为22%~26%、白云石可以为17%~21%、碳酸钙(CaCO3)可以为8%~12%,其占到了总含量的93%,其余为SiO2和沸石,SiO2可以为2%~4%,沸石可以为3%~4%;
废料B中硅酸二钙可以为44%~50%,钙橄榄石可以为50%~56%。
(二)废料配比对水溶液pH值的影响
由于现有的脱硫方式中溶液pH值为12,此时的脱硫效率处于较高的水平,所以我们仍期望配备的浆液pH值为12。
(1)单独溶解B
实验取不同质量的废料B与100ml的蒸馏水进行混合,待充分溶解后,测得不同B含量下溶液的pH值。从表3中和图3中可以看出随着加入的B的含量的增加,溶液的pH值不断增加。但是随着B的增加,pH值的变化越来越缓慢。当B的含量等于54g时,溶液的pH可以达到12。
表3废料B溶解液pH值变化
B的含量(g) | pH值 |
10 | 11.40 |
15 | 11.67 |
25 | 11.84 |
35 | 11.93 |
45 | 11.96 |
54 | 11.99 |
(2)A和B混合
炼镁过程中废料B的产生量要远远多于废料A的产生量。实验取10gB废料与100ml蒸馏水混合,再加入不同质量的A废料充分混合,测得水溶液的pH值变化很快,见表4和图4。当加入的A达到1.75g时,溶液的PH值可以达到12。
表4A和B混合样溶解液pH值变化
A的含量(g) | pH值 |
0 | 11.40 |
0.5 | 11.68 |
1.5 | 11.93 |
1.75 | 12.00 |
(三)废料中和酸的能力
如果利用废料A和B进行脱硫,从制备碱性浆液到作为脱硫介质脱硫结束,过程中所发生的化学反应主要如下:
1)废料A和B溶于水发生的反应:
CaO+H2O→Ca(OH)2(1)MgO+H2O→Mg(OH)2(2)
2)废料A和B溶于水后,与亚硫酸发生的反应:
MgO+H2SO3→MgSO3+H2O(3)
Mg(OH)2+H2SO3→MgSO3+2H2O(4)
Ca(OH)2+H2SO3→CaSO3·2H2O(5)
CaCO3MgCO3+2H2SO3→CaSO3+MgSO3+2CO2↑+2H2O(6)
CaCO3+H2SO3→CaSO3+CO2↑+H2O(7)
2CaO·SiO2+2H2SO3→2CaSO3+H2SiO3+H2O(8)
3)充氧后CaSO3、MgSO3转化为CaSO4、MgSO4时发生的化学反应:
CaSO3·2H2O+0.5O2→CaSO4·H2O(9)
MgSO3+0.5O2→MgSO4(10)
从上述化学反应方程式可以看出,废料A和B中主要和亚硫酸发生反应的成分有MgO、CaO、白云石、CaCO3、2CaO·SiO2等,其含量达90%以上。最终主要的生成物是MgSO4、CaSO4等。其中CaSO4的含量很高,可以考虑作为工业或建筑材料的原料。
实验通过测试废料A和B两种水溶液中和酸的能力来确定A和B的配比。由于亚硫酸溶液为易挥发酸性溶液,且挥发出的SO2气体对人体和环境都会产生巨大危害,在实验条件下很难控制。因此考虑采用与其具有相似性质的硫酸溶液与废料A和B的水溶液进行反应。
A和B水溶液和硫酸溶液反应主要的生成物有MgSO4、CaSO4、CO2和H2O。A和B水溶液和亚硫酸溶液反应主要的生成物有MgSO3、CaSO3、CO2和H2O。从表5的反应的方程式中可以看出若是要消耗相同量的AB水溶液,则消耗的硫酸溶液和亚硫酸溶液的量是一样的。且充氧后亚硫酸溶液和硫酸溶液与废料发生反应的产物相同,即废料AB水溶液与亚硫酸和硫酸溶液反应的最终产物是一致的。故,实验过程中采用硫酸溶液与废料A和B的水溶液进行反应是合理的。
表5废料A和B与酸反应之间的对比
废料A和B水溶液与硫酸进行中和反应的实验。分别取废料A,B各10g,与100ml蒸馏水充分混合,得到悬浊液。采用1mL/L的稀硫酸溶液进行中和反应,将溶液pH值中和到7。所消耗硫酸溶液的体积见表6:通过对比可以看出,A废料的水溶液消耗的硫酸溶液几乎为B废料的11倍。A废料对酸溶液的中和能力明显强于B废料。
表6废料A和B分别对硫酸的消耗量
按照废料A为1.75g和废料B为10g的比例进行混合,充分溶于100ml蒸馏水中,并与1ml/L的稀硫酸溶液进行中和反应。结果如表7所示:目前采用的CaO中和时,相同pH值下,可以消耗大约50ml的稀硫酸。按上述比例加倍后,即把3.5g废料A、20g废料B充分溶于100ml蒸馏水中,消耗的稀硫酸接近于现有工艺,基本达到相同的脱硫效果。所以实际应用中我们采用废料A:废料B=7:40的配比方式,既满足了脱硫的要求同时合理地利用了两种废料。
表7废料A和B的混合物对硫酸的消耗量
(四)脱硫效率
研究表明,硅酸钙存在孔隙,其比表面积远大于氢氧化钙的比表面积,这有利于提高脱硫效率。采用激光粒度分布仪,对废料A、B的粒径进行测定,从废料A和废料B的粒径分布图5、图6可以看出,废料A、B中粒径在40μm以下的成分含量接近90%,较小的粒径将会导致它们的比表面积非常大。特别,废料A较小的粒径,也是采用它作为HBF脱硫剂中的活性催化剂的主要原因,这一做法提高了脱硫过程中的反应活性,使脱硫效率得到了提高。此外,氢氧化钙与硅酸的反应产物也可以提高脱硫过程中钙基的利用率,从而减少脱硫剂的使用量,这无疑是脱硫技术改进后的另外一个优点。
二、结论:
废料A和B经过合理配比可以制备成pH值超过12的碱性溶液,并且富含钙基和镁基,可以利用这两种物质代替原来所使用的脱硫剂氧化钙。这里采用废料A充当脱硫剂(HBF)中的活性催化剂,它的存在可以使脱硫效率大大提高。虽然废料A的水溶液中和亚硫酸的能力要比废料B的强,并且废料A完全可以单独作为脱硫剂,但考虑到从除尘器收集到的废料A的量较少,为了充分利用两种废料,采用废料A:废料B=7:40的配比方式,也即100ml蒸馏水中溶解3.5gA和20gB的方式配制脱硫剂(HBF),新配制的脱硫剂(HBF)已在实际工程中证实可以满足原脱硫剂的要求。通过两家单位应用脱硫剂(HBF)之后的监测报表,与应用之前的相比较脱硫效率提高了1%~2%。根据对废料A和废料B的成分的合理预测值,废料A:废料B的配比量的范围为7:35~45。
经过优化之后得脱硫***,使脱硫成本一半以上,同时脱硫效率也得到了提高。在满足脱硫目的的前提下,合理地利用了废料A和废料B,提高了资源综合利用率,不仅使经济效益得到了提高,而且很大程度上减轻了环境的负担。
实施例1:
结合图2,把生产过程中产生的废料B直接倒入溶解池1中,同时放入自来水充满溶解池1,并用搅拌器连续搅动以促进废料B的溶解,废料B中的可溶解成分随溶解液由管网以重力自流的方式进入再生池2。向调节池4中加入适量废料A,使调节池4中浆液的pH值在12左右。调节好pH值的浆液由循环泵9打入脱硫塔12,在脱硫区6中与烟气入口10进入的烟气发生脱硫反应,净化后的烟气经过除雾器7从脱硫塔顶部11排入烟囱,吸收了二氧化硫的浆液在脱硫塔底部通过重力自流进入再生池2,与溶解池1中流出的碱性物质进行混合,发生反应之后脱硫吸收液得到再生。再生池2中的反应混合液流入沉淀池3,其中上清液流入调节池4,经过调整pH值后由循环泵打入脱硫塔,循环脱硫,沉渣经泵输送到脱水间5,脱水后进行集中处理,13是烟囱,作用是把脱硫后的烟气排到空气中。8是废料A,作用是脱硫剂中的催化剂以及pH值调节剂。
废料A其来源为在1150~1250℃温度条件下在回转窑中煅烧原料白云矿石过程中产生的烟尘,烟尘粒径小于40μm;
废料B,其来源为利用煅白(化学式为MgOCaO)、硅铁以及萤石由制球机制成的球团在还原炉中经过高温(1200±10℃)煅烧后剩余的残渣,残渣粒径小于40μm;
按质量百分比计,组分A中MgO为40%、CaO为24%、白云石为19%、CaCO3为10%、SiO2为3%和沸石为4%;组分B中硅酸二钙为47%和钙橄榄石为53%。
废料A与废料B的质量比为废料A:废料B=7:40混合后得到脱硫剂(HBF)。
脱硫剂(HBF)已经在几个金属镁厂得到了应用,脱硫塔直径4.0m,总高12m,脱硫浆液PH为12,液气比为8.0L/m3,按照上述具体实施方式进行已经取得了非常好的效果,含硫量达到700mg/m3的烟气脱硫后含硫量可以降低到20mg/m3以内,远低于国际标准。
应用脱硫剂(HBF)后的脱硫效率为97.1%,比之前的脱硫效率提高了1%-2%。两家单位延长石油精源煤化有限公司和复古万源镁业有限公司出据了从环保部门获取的在线监测数据,见表6;从表6中可以看出,排放气体中SO2的含量小于10mg/m3.远远低于国家标准要求的200mg/m3。
表8
Claims (9)
1.一种脱硫剂,其特征在于,包括组分A和组分B,组分A为催化成分,组分B为脱硫活性成分;
所述的组分A包括MgO、CaO、白云石、CaCO3、SiO2和沸石;
所述的组分B包括硅酸二钙和钙橄榄石。
2.如权利要求1所述的脱硫剂,其特征在于,按质量比计,组分A:组分B为7:35~45。
3.如权利要求2所述的脱硫剂,其特征在于,按质量百分比计,废料A中,氧化镁为38%~42%,氧化钙为22%~26%,白云石为17%~21%,碳酸钙为8%~12%,SiO2为2%~4%,沸石为3%~4%;
废料B中硅酸二钙为44%~50%,钙橄榄石为50%~56%。
4.如权利要求1所述的脱硫剂,其特征在于,按质量比计,组分A:组分B为7:40。
5.如权利要求4所述的脱硫剂,其特征在于,按质量百分比计,组分A中MgO为40%,CaO为24%,白云石为19%,CaCO3为10%,SiO2为3%,沸石为4%;组分B中硅酸二钙为47%和钙橄榄石为53%。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的脱硫剂,其特征在于,所述的组分A的制备方法为:将1150~1250℃温度下煅烧白云矿石过程中产生的烟尘收集即得组分A,煅烧后的产物为煅白;
所述的组分B的制备方法为:将制备组分A得到的煅白与硅铁和萤石混合后制成球团经温度范围为1190~1210℃煅烧后剩余的残渣即得组分B。
7.如权利要求6所述的脱硫剂,其特征在于,所述的烟尘的粒径小于40μm;所述的残渣的粒径小于40μm,所述的球团的容重为1195~2105g/cm3。
8.权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的脱硫剂用于含有二氧化硫的烟气脱硫的应用。
9.权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的脱硫剂用于除去皮江法冶镁工艺中产生的含有二氧化硫烟气脱硫的应用。
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