淺談水煤漿燃燒脫硫技術及其進展

＊王彩琴 嚴瑾 李瑛

（陜西能源職業技術學院化學工程系 陜西 712000）

淺談水煤漿燃燒脫硫技術及其進展

＊王彩琴 嚴瑾 李瑛

（陜西能源職業技術學院化學工程系 陜西 712000）

水煤漿具有易儲存、易運輸、高效環保的特點，脫硫型水煤漿的更突出其環保特性。本文針對水煤漿的固硫機理和影響因素，分析脫硫型水煤漿制備的影響因素和基本性能，旨在促進我國脫硫型水煤漿制備技術的發展和應用。

水煤漿；脫硫機理；技術進展

1.水煤漿概述

(1)水煤漿的國內外發展應用現狀

隨著我國在新能源開發領域投入的不斷加大，新能源的開發和使用也取得了一定的成果，但煤炭仍然是我國重要能源之一，且將在未來很長時間內是我國工業生產和居民生活的重要燃料。通常情況下，水煤漿中約有三分之二的煤，三分之一的水，還有極少量的其他化學添加劑，水煤漿作為燃料即能去除煤中無法充分燃燒的部分，又具有良好的流動性，所以被稱之為煤基液態燃料。此外，水煤漿制備和燃燒技術在美國、日本等發達國家都得到深入地研究，同時開發出水煤漿專用的鍋爐設備。

(2)脫硫型水煤漿的特點及研制的必要性

從某種程度上來講，水煤漿的出現顛覆了傳統煤的使用方式。水煤漿作為一種液態煤基燃料，其燃燒機理和傳統的煤粉有很大差異，它的燃燒溫度比煤粉低約200℃，另外，由于水煤漿本身含有一定量的水，所以其在燃燒時具有更好的固硫效果。脫硫型水煤漿具有高效、清潔以及低污染的特性，可用于現代煤化工、工業鍋爐、電站鍋爐以及工業窯爐中，且其具有環保節能的優勢。所以，采用脫硫型水煤漿制備技術來處理高硫煤，不但節約了成本，而且還降低了對環境的污染，市場前景非常廣闊。

2.水煤漿燃燒脫硫機理以及影響因素

(1)水煤漿燃燒脫硫機理

水煤漿的燃燒共經歷三個階段：蒸發與結團；揮發分析出與燃燒；焦炭燃燒。

蒸發與結團

水煤漿在燃燒之前會經過霧化階段，在霧化階段所含水分會被蒸發，此過程中會吸收大量的熱，能有效降低水煤漿的燃燒溫度。通常情況下，脫硫劑在高溫環境中會非常容易出現燒結狀況，導致實際燃燒面積縮減。而水煤漿在燃燒時由于其溫度比較低，所以能夠有效地防止燒結狀況的出現，使得燃燒更加充分。另外，脫硫型水煤漿在制備過程中，煤粉和其中摻加的固硫劑會充分混合，這就使得水煤漿在燃燒過程中會形成眾多的由煤粉以及脫硫劑混合而成的細小顆粒。

揮發分析出與燃燒

水煤漿在燃燒的過程中，伴隨著溫度的上升，煤粉中易揮發的物質比如水、硫等逐漸的析出并形成多孔狀構造，這時，碳酸鈣也在高溫下發生分解，最終變成氧化鈣。這一階段的燃燒基本上都處于缺氧環境，所以水煤漿中的硫元素形成了二氧化硫以及硫化氫等物質。隨后氧化鈣會和二氧化硫、硫化氫發生硫化反應，最終形成硫化鈣以及亞硫酸鈣。該階段發生化學反應的化學方程式如下：

焦炭燃燒

水煤漿燃燒析出的水、硫等揮發分導致煤、硫形成的顆粒團逐漸破裂，而且燃燒生成的多孔狀構造使外部的氧氣能迅速進入結團內，為燃燒過程提供充足的氧氣。在富氧環境下，二氧化硫碰到氧化鈣之后會發生氧化反應，生成硫酸鈣和亞硫酸鈣，同時硫化鈣也會發生氧化反應生成硫酸鈣以及亞硫酸鈣。該階段化學反應的化學方程式如下：

此時，硫酸鈣、亞硫酸鈣在高溫下也會發生分解反應，生成氧化鈣以及二氧化硫，其化學反應方程式如下：

因為水煤漿是以顆粒團的形式進行燃燒，因此其在脫硫過程中更容易發生固—固反應，即最終生成固態的硫化物，比如硫化鈣、硫酸鈣和亞硫酸鈣等。這些固態的硫化物附著在焦炭表面與Al2O3發生反應，最終形成一種較為復雜的物質CaO·Al2O3·CaSO4，鈣化合物在高溫環境下穩定性比較好，這樣就實現了固硫效果。

(2)水煤漿燃燒固硫的影響因素

硫含量

通常情況下，不同地區生產的煤中硫組分的含量有很大的差別，甚至在同一個礦井中開挖的煤種硫組分也不盡相同。煤中的部分礦物質在燃燒時會發生化學反應，最終生成一些堿性物質，比如氧化鈣、氧化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鉀、氧化鈉等等，其中氧化鈣、氧化鉀以及氧化鈉等活性物質能和生成的二氧化硫發生反應，生成硫酸鈣、亞硫酸鈣、硫酸鉀以及硫酸鈉等硫酸鹽類物質。所以，水煤漿本身具有一定的固硫能力。研究表明，隨著煤粉中的硫含量的增加，礦物質元素與硫元素的占比越低，普通煤的固硫率高于高硫煤，所以在制備水煤漿時，應盡可能的選用普通煤。

燃燒溫度

脫硫型水煤漿的燃燒過程中，隨著溫度不斷上升，釋放出的二氧化硫越多，所以燃燒溫度的升高一定程度上有利于煤中硫元素的析出。但燃燒的溫度過高，會致使氧化鈣發生燒結，無法與硫元素發生反應；另外，燃燒溫度超過1200℃時，也會加速硫酸鈣的分解，導致固硫率下降。所以，基于這兩個層面的考慮，脫硫型水煤漿在制備過程中一定存在著一個最佳溫度，即能使硫元素完全析出又能與氧化鈣發生化學反應。為了實現良好的脫硫固硫效果，在實際操作過程中，對于不同種類的煤漿和燃燒體系，必須要經過試驗來確定脫硫效果最佳的燃燒溫度。

鈣基固硫劑

生產中可以使用的固硫劑很多，但其中使用最多且廉價易得的是鈣基固硫劑，常用的有氫氧化鈣、碳酸鈣、氧化鈣等幾種。根據相關的化學反應理論我們可以得知，在反應中如果增加了二氧化硫和氧化鈣的接觸面積，即增加鈣/硫比，那么鈣酸鹽的產量就會相對較大。然而，實際上碳酸鈣加熱分解的化學反應是一個吸熱反應，因此過量的鈣會造成熱量的大量浪費，不利于水煤漿的燃燒。而對高硫煤來講，鈣/硫比過大時，為了實現良好的固硫效果，就必要增加固硫劑的含量，這樣就會增加反應設備中除塵設備的負擔，加速其磨損與損壞。另外，水煤漿在燃燒過程中形成的二氧化硫總量一定，過量的鈣會造成原料的浪費，經濟性較差。所以，在水煤漿燃燒過程中固硫劑鈣硫比也有一個最佳值，實際工作中應提前通過燃燒試驗來確定其鈣硫比。

固硫劑種類與復配

常見的固硫劑為氫氧化鈣和碳酸鈣，不同溫度下二者與二氧化硫反應過程中的固硫效果對比情況如下表1所示。

表1 SO與CaCO3及Ca(OH)2不同溫度反應情況表

由上表我們可以得知，Ca(OH)2和CaCO3分解溫度有很大差異，當溫度為900℃、1000℃時，二者均完全析出為CaO，完全參與到與SO2的反應中去，經過測定，在Ca/S一定時，Ca(OH)2的固硫率較高，但為了避免溫度過高形成的CaO發生燒結現象，所以，在實際應用過程中，必須兼顧脫硫效果、經濟性和燃燒狀態等幾方面來選擇合適的固硫劑和燃燒溫度。

3.脫硫型水煤漿的特征分析

研究表明，金屬離子與電解質會改變水煤漿的流變性和成漿性，且高價金屬離子和低價金屬離子相比具有更大的增粘作用。在水煤漿中加入固硫劑之后，水煤漿表面的粘度得到顯著的提升，特別是氫氧化鈣作為固硫劑加入水煤漿之后，能夠極大地增加其表面的粘度，這在一定程度上降低了水煤漿本身的抗剪切性能。隨著燃燒的進行，水煤漿漿體的溫度逐漸上升，粘度緩慢降低，然而隨著溫度上升，固硫劑中的二價鈣離子活性明顯增大，這在一定程度上遏制了漿體粘度的降低，經過測定，氫氧化鈣比碳酸鈣的作用更加明顯。

4.總結與展望

(1)脫硫型水煤漿實際脫硫能力強弱受到固硫劑本身的性能、用量以及燃燒溫度等影響，通常在制備脫硫型水煤漿的過程中，一是要求在水煤漿燃燒過程中，固硫劑的脫硫效果好，二是要求添加固硫劑后對水煤漿漿體本身的流變性和成漿性能的影響較小。

(2)在當前環境污染日益嚴峻的情況下，水煤漿的使用解決了我國煤炭運輸和燃燒的一大難題，而像脫硫型水煤漿這一類環保型水煤漿的研制更為我國高硫煤和高灰分煤的使用開辟了一條嶄新的道路,比如有學者就探討了用工業廢液和污泥等添加劑制備水煤漿的研究，這樣即能提高水煤漿運輸和燃燒性能，又為環境污染物的處理處置提供了研究方向。

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王彩琴（1989～），女，陜西能源職業技術學院化學工程系，研究方向：新型塔板的開發與設計。

((責任編：盧鳳英)

Discussion of Coal-Water-Slurry Combustion Desulfurization Technology and Its Development

Wang Caiqin, Yan Jin, Li Ying

（School of Chemical Engineering, Shaanxi Energy Institute, Shanxi, 712000）

Coal-water-slurry has the characteristics of easy to store, easy to transport and high efficiency and environmental protection besides, the desulfurization type of coal-water-slurry highlights its environmental protection characteristic. In terms of the solid sulfur mechanism and influence factors of coal-water-slurry, this paper has analyzed the influence factors and basic performance of desulfurization type of coal-water-slurry preparation so that to promote the development and application of desulfurization type of coal-water-slurry preparation technology in China.

Coal-Water-Slurry；desulfurization simulation；technology development

TQ

A