燃煤鍋爐典型脫硫工藝的脫氟反應機理分析

楊福邁

摘 要：伴隨著工業生產的高速發展，環境污染問題也隨之變得越來越嚴重。為維護自然環境的可持續性發展，很多工業生產都在研究一些環保的生產方式，旨在將生產中的一些污染物質進行百效的處理。在大氣污染物質中，氟化物是典型的污染物種，因此應當在燃煤鍋爐中采用脫硫工藝對其進行處理。

關鍵詞：煤燃燒；脫氟；反應機理；反應熱力學；反應動力學

我國的二氧化硫排放量已經遠超歐洲國家，現居世界首位。硫化物的排放通常源于煤炭的燃燒，火電廠、工業鍋爐與取暖爐是我國耗煤量最多的場所與設備。當前我國在能源消耗與環境保護方面面臨嚴峻挑戰，即硫化物污染的消減與控制問題。面對日益嚴重的環境污染問題，分析與研究燃煤鍋爐中典型脫硫工藝的脫硫反映機理有著十分重要的意義。其反應機理的研究利于一些十分具有應用價值的脫硫劑的開發以及燃煤氟污染相關問題的解決。

1 典型脫硫工藝簡介

煤是我國能源資源中的主要構成，在未來很長一段時間內以高硫為主的相當數量煤炭資源的基本格局很難改變[1]。在二十一世紀的議程上，國家已經將煤潔凈技術的發展視為一項重要的內容，我國能源未來的發展便是潔凈煤技術。

針對脫硫工藝而言，潔凈煤技術涉及到了四個領域，分別是：燃燒前脫硫（也就是煤炭在燃燒之前的處理與凈化技術）、燃燒中脫硫（也就是煤炭在燃燒中的凈化技術）、燃燒后煙氣脫硫（也就是煤炭在燃燒之后的凈化技術）以及煤的轉化技術。在這些領域中通常有以下幾種典型的脫硫工藝。

1.1 燃燒前脫硫

其流程為首先進行洗選處理，為了將原煤中含有的一些硫分與灰分雜質除去或者是減少，隨后對型煤進行加工，也就是用機械的方法把低品位煤以及粉煤制作成含有一定形狀或者是粒度的煤制品，使煙塵的排放量能夠得到有效的控制；水煤漿，從七十年代開始便發展出了這種用煤來代替油的一種新型燃料，將一些有著很低灰分與很好揮發分的煤制作成水煤漿，能夠便于象燃油一樣的進行運輸、貯運與燃燒。

1.2 燃燒中脫硫

在燃燒過程中生成的二氧化硫，在遇到氧化鈣或者是氧化鎂等堿土金屬時，由于發生反應會生成硫化鈣和硫化鎂，進而實現燃燒中的脫硫。

1.3 燃燒后煙氣脫硫

對于爐膛燃燒溫度過高的一些燃煤設備來說，如果在燃燒的過程中使用石灰石進行脫硫并不能產生很好的效果，通常都不能實現排放的要求，所以需要在燃燒后進行煙氣脫硫[2]。在方法分為干法、濕法或者半干法，干法有：爐內噴鈣煙氣脫硫技術以及電子束照射法等；濕法有石灰石/石灰-石膏法以及雙堿法等；一般用噴霧干燥法用于半干法。

1.4 煤的轉化技術

該技術能夠使煤炭的利用變得更加清潔與高效，該技術同那些常規的煤炭燃燒工藝是并存的，可以將煤炭轉化成氣體顏料或者是液體顏料。

2 石灰石/石膏法的脫氟反應機理

2.1 脫氟反應的具體過程

沒燃燒的過程，處于高溫的環境下，大部分的氟能夠發生化學反應變成氣態的氟化物，比如SiF4或者是HF等[3]。煤經過燃燒后得到的煤粉的表面積會很大，可以將煙氣中的含有的部分氣態氟化物吸附了。處于干法或者是濕法除塵系統中，那些煙氣中含有的干灰和氣態氟化物有著不同的轉移途徑。

石灰石/石灰濕法煙氣脫硫工藝里的脫硫反映可以描述成：吸收塔中的料漿把煙氣中含有的大部分氣態氟化物以及飛灰溶解，向灰水中轉入。其中的HF會溶入水中，隨之反應生成氫氟酸，電解反應如下：

HF？圮H++F-

當SiF4溶解到水中之后，會與水發生反應生成H2SiF6：

3SiF4+2H2O→SiO2+2H2SiF6

由于氟硅酸特別容易溶于水，并且處于堿性水的環境下，能電離出F-：

H2SiF6+6OH-→6F-+H2SiO4+2H2O

在氟化物遷移到灰水的過程中，料漿中的CaCO3與CaO能夠緩慢的溶于水中并生成Ca2+：

Ca2++2F-→CaF2

也就是將CaCO3作為反應的主體時，其反應方程式如下所示：

CaCO3+2HF→2CaF2+CO2+H2O

以CaO作為反應的主體時，其反應方程式如下所示：

CaO+2HF→CaF2+H2O

當料漿中的那些碳酸鈣慢慢的溶解生成Ca2+時，在液相中的那些高濃度的F-極易同鈣離子進行結合，進而生成CaF2沉淀。

通常來講，灰渣中的氟能夠以很快的速度溶入到液相中，也就是說發生溶解、沉淀、吸附以及脫附平衡僅僅需要很短的時間。針對濕法除塵系統而言，因為煙氣中絕大部分的氟都會因為水的淋洗流入到液相中，在液相中的氟含量因此比干法除塵中的氟要多很多[4]。而伴隨灰渣中的那些游離的氧化鈣會發生溶解生成大量的鈣離子，同液相中含有的高濃度氟離子相結合生成氟化鈣沉淀。整個脫硫過程中的決定性控制因素就是CaCO3作為反應的主體的反應過程。

2.2 石灰石/石膏法的脫氟效果分析

同別的煙氣脫硫法進行比較，能夠發現該方法在當前的發展較為成熟，在運行上也存在較強的可靠性，因此得到了十分廣泛的應用。若使用濕法煙氣脫硫法，脫氟的效果會受到很多因素的影響，比如圖1所示的石灰石以及石灰的活性能夠對pH值產生的影響。

由于系統的長期運行，會導致系統因為堵塞出現難以正常運行的情況，軟垢能夠將溶液中pH值降低后使其溶解，原因就是它的溶解度會伴隨pH值的降低呈現出明顯上升的趨勢[5]。pH值的高低能夠使反應過程中脫硫的效果受到嚴重的影響，從圖1可以明顯的發現，當塔溫逐漸升高時，漿液中的pH值會發生明顯的下降，也就會間接的導致降低脫氟的效果。

3 結束語

綜上所述，面對日益嚴重的環境污染問題，為了降低污染的程度，維護自然環境的可持續性發展，分析與研究燃煤鍋爐中典型脫硫工藝的脫氟反映機理有著十分重要的意義。在燃煤鍋爐中采用脫硫工藝對其進行處理，能夠提升脫氟的效果。但是鑒于脫硫工藝的種類有很多，應當仔細研究與分析不同工業生產應當選擇的脫硫工藝，以此來提升脫硫、脫氟的效果。

參考文獻

[1]齊慶杰.煤中氟賦存形態、燃燒轉化與污染控制的基礎和試驗研究[D].浙江大學，2002.

[2]王智化.燃煤多種污染物一體化協同脫除機理及反應射流直接數值模擬DNS的研究[D].浙江大學，2005.

[3]郭少鵬.濕式氨法煙氣脫硫及結合臭氧氧化實現同時脫硫脫硝的研究[D].華東理工大學，2015.

[4]徐銳.大型石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統可靠性研究[D].華中科技大學，2011.

[5]魏冬.天津石化410t/h燃煤鍋爐脫硫除塵一體化工程可行性研究[D].天津大學，2007.