CN115999335A - 烟气脱硫剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟气脱硫剂,以质量份计,原料包括:固废粉料80‑90份,金属氧化物助剂20‑25份,吸附剂10‑15份,催化剂3‑5份,碳酸盐10‑15份。本发明以固废粉料作为主要原料,加入金属氧化物助剂,提高脱硫剂表面碱性,促进硫化物解离,促进脱硫性能的提高,并且采用负载胺类化合物的吸附剂提高有机硫脱除效率。
Description
技术领域
本发明涉及脱硫技术领域,具体涉及一种烟气脱硫剂及其制备方法和应用。
背景技术
由于水泥需求量不断增大,水泥生产的原材料也有些匮乏,因此在水泥生产过程中不少高硫原料(例如高硫石灰石)被用于水泥生产中。由于低品质含硫原料的使用,并且受限于固废中硫形态以及水泥窑工艺特性影响,在停磨期间,水泥窑尾烟气SO2排放浓度时有超标现象发生,严重影响和制约生产线的正常运行,尤其是水泥熟料烧成时排放到大气中的硫化物对环境污染更加严重。因此,降低烟气中SO2排放浓度通常要通过在生产过程中加入脱硫剂或者改变生产工艺来实现。
水泥厂通常所用的脱硫工艺技术包括干反应剂喷注法、热生料喷注法、喷雾干燥脱硫法和湿式脱硫法。其中,干反应剂喷注法的脱硫效率较高,但其成本较高,主要是购置熟石灰的费用。喷雾干燥脱硫法投资低于湿法工艺,可以通过对水泥厂增湿塔进行改进来实现,其优点是脱硫效率较高,不存在脱硫产物的处理问题,但石灰浆液喷注过程中管路、阀门、喷头、预热器风机的堵塞问题比较严重,检修维护工作量较大;脱硫剂浆液固体含量超过13%将造成喷嘴雾化困难,这一系列的操作问题给其在水泥行业的应用提出了挑战。湿式脱硫法效果较好,脱硫效率可以达到80%~95%,浆液固体含量可达到30%,堵塞和维修问题较少,但受设备投资、运行费用和技术要求高的限制,难以推广应用。能耗相对较小、成本低廉且具有优异脱硫效果的固体脱硫剂具有一定的优势。
现有技术中公开了一些固体脱硫剂,例如,专利CN115445411A公开了一种水泥窑用固废粉体脱硫剂及其制备方法,脱硫剂原料包括有固废粉料20~45份,助剂8~15份,金属氧化物10~36份,功能粒子5~20份,碳酸盐20~45份等,该专利公开的粉体脱硫剂以及现有技术中绝大部分脱硫剂主要对二氧化硫(SO2)具有脱除能力,但脱除效率仍需提高,而对于硫化氢,尤其是COS、CS2等有机硫化物脱除效果不明显,难以降低水泥中的总硫含量,因此,仍需要对固体烟气脱硫剂做进一步研究和产品开发。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种烟气脱硫剂及其制备方法和应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种烟气脱硫剂,以质量份计,原料包括:固废粉料80-90份,金属氧化物助剂20-25份,吸附剂10-15份,催化剂3-5份,碳酸盐10-15份。
作为优选的技术方案,烟气脱硫剂以质量份计,原料包括:固废粉料85-88份,金属氧化物助剂22-24份,吸附剂12-13份,催化剂3-5份,碳酸盐12-13份。
作为优选的技术方案,所述固废粉料是由重量比5~6:1的碱渣和赤泥组成。
作为优选的技术方案,在具体实施方式中,将活性助剂(例如聚丙烯酸钠)按照1:150~200的重量比用水稀释后,投入碱渣,搅拌洗涤后,过滤分离,得到清洗后的碱渣;将清洗后的碱渣置于1000~1200℃下加热3~5min,得到热处理碱渣;将赤泥置于900~950℃下加热10~15min,得到热处理赤泥。将热处理碱渣、热处理赤泥混合均匀后,得到固废粉料用于制备脱硫剂。
碱渣在具体使用前,经过活性助剂水溶液清洗除去杂质和活化后,进行加热处理,将其中的硫酸钙和碳酸钙还原成具有脱硫作用的氧化钙,以作为脱硫剂的主要组成部分;再复配赤泥,赤泥具有颗粒粒径小、孔隙多和比表面积大的优点,将其进行加热活化后,进一步增加表面的孔隙,使比表面积进一步增大,延长脱硫时间,提高脱硫效率。
本发明以工业废弃物碱渣和赤泥组成的混合固废粉料作为制备烟气脱硫剂的主要原料,通过将这些工业固体废弃物再利用,具有巨大的环保优势和经济价值,不但解决了固体废弃物的处理难题同时也节省了矿山资源的浪费。其中,碱渣是工业生产中制碱和碱处理过程中排放的碱性废渣,成份主要包括碳酸钙、硫酸钙、氯化钙等钙盐为主要组分的废渣,所使用的赤泥是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物,主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3,二者经过配合使用,具有了优异的脱硫效果。
作为优选的技术方案,所述金属氧化物助剂为改性纳米氧化锌,所述改性纳米氧化锌为Co掺杂纳米ZnO,所述Co掺杂量为纳米ZnO摩尔质量的2~5%,利用锌盐、钴盐混合溶液通过均匀沉淀法制备棒状纳米ZnO。
作为优选的技术方案,在具体实施方式中,将锌盐(例如硫酸锌)、钴盐(例如硝酸钴)加入水中,加入一定的NaOH溶液,在40~70℃下反应2~8h,反应完成后进行离心洗涤,沉淀物在60~80℃真空干燥箱内干燥,即得改性纳米氧化锌。通过上述方法制备得到棒状纳米Co掺杂的ZnO,制备的棒状结构且均匀分布的纳米 ZnO,分布均匀,整体密度适宜; Co以Co2+的形式掺杂进入 ZnO,增大比表面积,提高ZnO 表面晶格缺陷浓度,进而提高脱硫剂表面碱性,促进硫化物解离,促进脱硫性能的提高。
作为优选的技术方案,所述吸附剂为负载有胺类化合物的分子筛吸附剂。
作为优选的技术方案,胺类化合物通过溶液沉淀法负载的分子筛上,将分子筛浸泡在含有一定浓度胺类化合物的水溶液(例如50~70%),浸泡4~8小时后离心,沉淀物充分干燥后,即得。
作为优选的技术方案,所述胺类化合物为苄胺、苄基乙醇胺及其衍生物中的一种或多种混合物,作为进一步优选地,所述胺类化合物选自4-甲氧基苄胺和/或N-苄基乙醇胺。
作为优选的技术方案,所述分子筛为天然沸石或者人工合成沸石,所述天然沸石选自毛沸石、斜发沸石、发光沸石、镁碱沸石、钙十字沸石;所述人工合成沸石选自4A、5A、13X、ZSM-5 及金属改性的X型、Y型、Na-X 型、Na-Y型分子筛等。
分子筛具有孔结构规则、比表面积大且高度局部集中的极电荷等优点,具有良好的物理吸附能力,在脱硫时,由于形成π络合吸附和硫-金属化学键,能够高效吸附极性分子,对硫化氢等无机硫化物有较强的吸附性,但对于有机硫吸附性较弱。本发明在分子筛上负载苄胺、苄基乙醇胺等胺类化合物,由于苯环的电子效应使氨基具有更好的有机硫反应活性以及更强的有机硫分子间相互作用,提高有机硫脱除效率。
作为优选的技术方案,所述碳酸盐为碳酸钠、碳酸钙、碳酸镁、碳酸钾、碳酸钡、碳酸铜中的至少一种,作为一种优选的方案,所述碳酸盐为碳酸钙。
作为优选的技术方案,所述催化剂为TiO2-Bi2O3复合载体通过浸渍法负载活性物质制备得到,所述活性物质为五氧化二钒、草酸、酒石酸的一种或几种。在TiO2-Bi2O3复合载体中,TiO2占60-80wt%,Bi2O3占20-40wt%,例如, TiO2占70wt%,Bi2O3占30wt%。负载的活性物质为TiO2-Bi2O3复合载体的6~11wt%。TiO2-Bi2O3复合载体通过溶胶-凝胶法制备,制备方法具体可以为:将钛酸四丁酯、醋酸铋水解后,加入助剂水浴加热形成凝胶,经陈化、干燥、煅烧、研磨,得到TiO2-Bi2O3复合载体。具体也可以选用南京永能新材料有限公司的市售产品。
与现有技术相比,本发明具有以下创新:
本发明通过对脱硫剂配方组分的改进,首先以工业废弃物碱渣和赤泥组成的混合固废粉料作为主要原料,通过废弃物再利用,不但解决固体废弃物的处理难题,也节省矿山资源的浪费;其次通过加入改性纳米氧化锌,提高脱硫剂表面碱性,促进硫化物解离,促进脱硫性能的提高;再次通过采用负载胺类化合物的吸附剂提高有机硫脱除效率。
具体来说,一方面本发明脱硫剂具有了优异的化学除硫效率,氧化钙、氧化锌等金属氧化物与烟气中的二氧化硫充分化学反应,生成亚硫酸盐进而氧化生成硫酸盐,改性的氧化锌对于硫化氢也具有优异的脱除效果,加入少量催化剂进一步增强脱除二氧化硫的效率;另一方面脱硫剂具有了优异的物理吸附除硫效率,分子筛吸附剂通过形成π络合吸附和硫-金属化学键,能够高效吸附极性分子,特别是在负载苄胺、苄基乙醇胺等胺类化合物后,具有更好的有机硫反应活性以及更强的有机硫分子间相互作用,提高COS、CS2、硫醇等有机硫脱除效率,能使总硫含量大幅度降低,并具有良好的化学稳定性以及促分解效率,成本低廉,无任何腐蚀性,放射性,毒害性,具有显著的技术进步。
具体实施方式
发明人经过广泛而深入的研究,通过对脱硫剂原料的技术改进,以工业废弃物碱渣和赤泥组成的混合固废粉料作为主要原料,加入金属氧化物助剂,吸附剂,催化剂,碳酸盐,具有优异的二氧化硫脱除性能,并具有有机硫脱除性能,使水泥中的总硫含量大幅度降低。
在此基础上,完成了本发明。
下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方案仅仅是本发明一部分实施方案,而不是全部的实施方案。本实施方案以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施方案。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方案,都属于本发明保护的范围。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。例如,“从80至90的范围”应理解为表示在约80和约90之间连续的每个和各个可能的数字。因此,即使该范围内的具体数据点或甚至该范围内没有数据点被明确确定或仅指代少量具体点,也应理解为该范围内的任何和所有数据点均被认为已进行明确说明。在本文中,采用术语“约”来修饰数值时,表示该数值±5%以内测量的误差容限。
下面通过具体实施例对本发明技术方案进一步进行阐述,本发明若无特殊说明,所用原料均为市售产品。
实施例中所使用到的原料具体如下:
固废粉料a
将活性助剂聚丙烯酸钠按照约1:160的料液比用水稀释后,投入碱渣,搅拌洗涤约30min后,过滤分离,得到清洗后的碱渣;
将清洗后的碱渣置于约1000℃下加热约4min,得到热处理碱渣;
将赤泥置于约940℃下加热约10min,得到热处理赤泥;
将热处理碱渣、热处理赤泥按重量比5.5:1混合均匀即为固废粉料a。
固废粉料b
将活性助剂聚丙烯酸钠按照约1:150的料液比用水稀释后,投入碱渣,搅拌洗涤约30min后,过滤分离,得到清洗后的碱渣;
将清洗后的碱渣置于约1100℃下加热约5min,得到热处理碱渣;
将赤泥置于约900℃下加热约15min,得到热处理赤泥;
将热处理碱渣、热处理赤泥按重量比5:1混合均匀即为固废粉料b。
固废粉料c
将活性助剂聚丙烯酸钠按照约1:200的料液比用水稀释后,投入碱渣,搅拌洗涤约30min后,过滤分离,得到清洗后的碱渣;
将清洗后的碱渣置于约1200℃下加热约3min,得到热处理碱渣;
将赤泥置于约950℃下加热约10min,得到热处理赤泥;
将热处理碱渣、热处理赤泥按重量比6:1混合均匀即为固废粉料c。
金属氧化物助剂a
为掺杂3.5%摩尔量的纳米ZnO,具体制备方法为:将硫酸锌、硝酸钴加入水中,加入水的质量约20%的NaOH溶液,在约55℃下反应6h,反应完成后进行离心洗涤,沉淀物在70℃真空干燥箱内干燥6 h。
金属氧化物助剂b
为掺杂2%摩尔量的纳米ZnO,具体制备方法为:将硫酸锌、硝酸钴加入水中,加入水的质量约20%的NaOH溶液,在约70℃下反应2h,反应完成后进行离心洗涤,沉淀物在60℃真空干燥箱内干燥5 h。
金属氧化物助剂c
为掺杂5%摩尔量的纳米ZnO,具体制备方法为:将硫酸锌、硝酸钴加入水中,加入水的质量约20%的NaOH溶液,在约40℃下反应8h,反应完成后进行离心洗涤,沉淀物在80℃真空干燥箱内干燥3 h。
吸附剂a
为负载有4-甲氧基苄胺的5A分子筛,具体是将5A分子筛浸泡在含有60%浓度胺类化合物的水溶液中,浸泡6小时后离心,沉淀物充分干燥后得到。
吸附剂b
为负载有4-甲氧基苄胺的毛沸石,具体是将毛沸石浸泡在含有70%浓度胺类化合物的水溶液中,浸泡4小时后离心,沉淀物充分干燥后得到。
吸附剂c
为负载有N-苄基乙醇胺的ZSM-5,具体是将ZSM-5浸泡在含有50%浓度胺类化合物的水溶液中,浸泡8小时后离心,沉淀物充分干燥后得到。
吸附剂d
为负载有N-苄基乙醇胺的Y型分子筛,具体是将Y型分子筛浸泡在含有55%浓度胺类化合物的水溶液中,浸泡7小时后离心,沉淀物充分干燥后得到。
催化剂a
为TiO2-Bi2O3复合载体通过浸渍法负载五氧化二钒活性物质,TiO2占70wt%,Bi2O3占30wt%,通过溶胶-凝胶法制备,制备方法具体为:将钛酸四丁酯、醋酸铋水解后,加入五氧化二钒水浴加热形成凝胶,经陈化、干燥、煅烧、研磨,得到。
碳酸盐a
具体采用400目以下的碳酸钙粉末。
实施例中脱硫剂具体制备方法为:准备好各原料后,将原料在混合罐中混合均匀,再将混合物研磨至200~400目,即得,产品外观为灰白色粉末。实施例1-8原料配方用量组成参见表1。
实施例1
具体原料为:固废粉料a、金属氧化物助剂a、吸附剂a、催化剂a、碳酸盐a,具体用量参见表1。
实施例2
具体原料为:固废粉料a、金属氧化物助剂b、吸附剂a、催化剂a、碳酸盐a,具体用量参见表1。
实施例3
具体原料为:固废粉料b、金属氧化物助剂b、吸附剂b、催化剂a、碳酸盐a,具体用量参见表1。
实施例4
具体原料为:固废粉料b、金属氧化物助剂c、吸附剂b、催化剂a、碳酸盐a,具体用量参见表1。
实施例5
具体原料为:固废粉料c、金属氧化物助剂c、吸附剂c、催化剂a、碳酸盐a,具体用量参见表1。
实施例6
具体原料为:固废粉料c、金属氧化物助剂c、吸附剂d、催化剂a、碳酸盐a,具体用量参见表1。
实施例7
具体原料为:固废粉料c、金属氧化物助剂a、吸附剂d、催化剂a、碳酸盐a,具体用量参见表1。
实施例8
具体原料为:固废粉料a、金属氧化物助剂a、吸附剂d、催化剂a、碳酸盐a,具体用量参见表1。
表1 实施例1-8原料配方用量重量份
为考察不同原料组成对结果的影响,本发明还提供以下对比例。
对比例1
以实施例1为参照,原料仅为固废粉料a、碳酸盐a,不添加金属氧化物助剂a、吸附剂a、催化剂a。
对比例2
以实施例1为参照,原料不添加吸附剂a。
对比例3
以实施例1为参照,原料中的吸附剂替换为没有负载4-甲氧基苄胺的5A分子筛。
对比例4
以实施例1为参照,原料不添加金属氧化物助剂a。
对比例5
以实施例1为参照,原料中的金属氧化物助剂a替换为没有Co掺杂的普通纳米氧化锌。
对比例6
以实施例1为参照,原料中的固废粉料a中不添加赤泥。
脱硫效果性能测试
将上述实施例1~8以及对比例1~6制得的脱硫剂放置在固定床评价装置中,测试烟气条件为1m3/min,脱硫剂使用量为25kg/min,采用如下组成的原料气:SO2为208 mg/Nm3,总有机硫201mg/Nm3(其中COS 49%、甲硫醇24%、乙硫醇27%)、H2S为126 mg/Nm3,处理后的含硫烟气具体含量参见表2。
表2 脱硫处理后的含硫烟气含量(mg/Nm3)
由表2可知,本发明脱硫剂具有优异的脱硫效果,不仅能大幅度降低SO2H2S的含量,同时对有机硫也具有优异的脱除效果。对比例中的效果均比实施例效果差。
具体应用效果验证
将本发明实施例1的脱硫剂具体应用在某水泥厂。该水泥厂为一条4000t/d新型干法水泥熟料生产线,以生产425R、325R硅酸盐水泥为主,年生产熟料160万吨,水泥200万吨。该水泥厂所用石灰石为高硫石灰石,含硫量为0.1%~0.2%,水泥窑烟气中SO2排放浓度超标(停磨时达到80mg/Nm3之多,开磨时达到20mg/Nm3之多),使用实施例1的脱硫剂后,水泥窑烟气中SO2排放浓度降至25mg/Nm3,完全符合排放标准。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种烟气脱硫剂,其特征在于,以质量份计,原料包括:固废粉料80-90份,金属氧化物助剂20-25份,吸附剂10-15份,催化剂3-5份,碳酸盐10-15份,所述吸附剂负载有胺类化合物。
2.根据权利要求1所述的一种烟气脱硫剂,其特征在于,所述固废粉料是由重量比5~6:1的碱渣和赤泥组成。
3.根据权利要求1所述的一种烟气脱硫剂,其特征在于,所述金属氧化物助剂为改性纳米氧化锌。
4.根据权利要求3所述的一种烟气脱硫剂,其特征在于,所述改性纳米氧化锌为Co掺杂纳米ZnO,所述Co掺杂量为纳米ZnO摩尔质量的2~5%。
5.根据权利要求1所述的一种烟气脱硫剂,其特征在于,所述吸附剂为负载有胺类化合物的分子筛吸附剂。
6.根据权利要求5所述的一种烟气脱硫剂,其特征在于,所述胺类化合物为苄胺、苄基乙醇胺及其衍生物中的一种或多种混合物;所述分子筛为天然沸石或者人工合成沸石。
7.根据权利要求1所述的一种烟气脱硫剂,其特征在于,所述碳酸盐为碳酸钠、碳酸钙、碳酸镁、碳酸钾、碳酸钡、碳酸铜中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种烟气脱硫剂,其特征在于,所述催化剂为TiO2-Bi2O3复合载体通过浸渍法负载活性物质制备得到,所述活性物质为五氧化二钒、草酸、酒石酸的一种或几种。
9.如权利要求1所述的一种烟气脱硫剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)按配方准备以下原料:固废粉料80-90份,金属氧化物助剂20-25份,吸附剂10-15份,催化剂3-5份,碳酸盐10-15份;
(2)将上述原料混合均匀,将混合物研磨至200~400目的粉末,即得。
10.如权利要求1所述的一种烟气脱硫剂的应用,其特征在于,所述脱硫剂作为固体脱硫剂用于水泥的脱硫。
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