炼铁煤粉固硫剂的试验研究

摘要：为了获得高效实用的固硫剂，该文以生产用煤作为试验用煤，采用正交试验法和热重分析法，研究了固硫剂种类、Ca/S摩尔比、燃烧温度、煤粉粒度以及预处理时间等因素对固硫效率的影响；在单一钙基固硫剂的试验基础上，又考察了固硫添加剂种类、加入量以及预处理时间等因素对固硫率的影响；综上试验结果，确定了固硫剂的成分为CaO、Na2CO3、CuCl2・H2O，其配比为86%：7%：7%。固硫的一体化试验结果表明，在煤粉中加入2.0%的助燃固硫剂，可以使煤粉着火点降低39℃，燃烧率提高了12.96%，固硫率达61.32%。

关键词：固硫剂 固硫添加剂 固硫率

中图分类号：X70 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0012-04

Study on a Sulfur Fixation for Coal

Song Qinghua

（Guangzhou Baosteel Southern Trading CO.，LTD，Guangzhou，Guangdong 510663，China）

Abstract：In order to obtain efficient and practical sulfur fixation，the paper choose the coal used in production in the experiment，sulfur fixation sorbent types，Ca/S molar ratio，combustion temperature， particle size of coal and pretreatment time on the sulfur fixation efficiency； based on the single test on calcium-based sulfur retention agent， and investigated the type of sulfur fixation additives，adding volume and pretreatment time on the desulfurization rate；comprehensive test results on the three groups to determine the composition of sulfur fixation for the CaO，Na2CO3，CuCl2・H2O，the ratio is 86%：7%：7%.The integration of sulfur combustion test results showed that the addition of 2.0% sulfur fixation into coal can lower the ignition point of 39 ℃，improve combustion ratio by 12.96%，improve the sulfur fixation efficiency to 61.32%.

Key Words：Sulfur fixation sorbent；Sulfur additives；Sulfur fixation efficiency

随着煤炭资源供应的日趋紧张以及因煤炭燃烧而带来的环境污染问题的越发严重，合理地充分利用煤炭资源和减少污染问题日益引起了人们的高度重视。煤粉添加助燃固硫剂这一洁净煤技术的研究与开发，可以降低煤的着火点，提高煤燃烧速度和利用效率，减少二氧化硫的排放，实现煤碳资源的合理利用。

1 试验内容

为了提高焙烧菱铁矿回转窑燃煤的利用效率，获得高效实用的固硫剂，本试验以生产用煤作为试验用煤，采用正交试验法和热重分析法，完成试验，固硫剂的研究，主要研究固硫剂种类、Ca/S摩尔比、燃烧温度、煤粉粒度以及预处理时间等因素对固硫效率的影响；在单一钙基固硫剂的试验基础上，考察固硫添加剂种类、加入量以及预处理时间等因素对固硫率的影响综上正交试验结果，确定固硫剂的成分及配比，在固硫的一体化试验研究中，分析固硫剂的加入量对煤粉着火点、燃烧率及固硫率的影响。原煤工业分析结果见表1。

1.1 煤粉固硫剂试验

依照表2固硫剂种类、Ca/S摩尔比、燃烧温度、预处理时间和煤粉粒度正交试验因素-水平表要求，选择正交表安排该次试验。

按照表2的要求，将固硫剂在一定的温度下进行预处理后，称取10.000g烘干的煤粉以及按Ca/S摩尔比需要加入的固硫剂，混匀后，将样品平铺在瓷方舟内。用电阻炉升温至所需温度后，将瓷方舟置于炉内，恒温3个小时。待样品冷却后称量灰分的质量并测定灰分的含硫量。

1.2 煤粉固硫添加剂试验

该试验选取添加剂种类、添加剂加入量以及添加剂在一定温度下的预处理时间作为正交试验的三个因素，按照表3要求，选择正交表安排此次试验。

在单一钙基固硫剂的试验基础上，将固硫添加剂在一定的温度下进行预处理，称取10.000g烘干的煤粉，加入一定量的添加剂混匀后，平铺在瓷方舟内；将电阻炉升温至固硫剂固硫效果最好的温度后，将瓷方舟置于炉内，恒温3个小时。待样品冷却后称量灰分的质量及测定灰分的含硫量。

1.3 一体化试验

称取10.000g试验用煤，按照正交试验确定的助燃固硫剂成分及配比，配加助燃固硫剂，选择最佳的燃烧温度、煤粉粒度、固硫剂及添加剂预处理时间。分析不同加入量对煤粉的燃烧率及固硫率的影响情况，主要测定灰分的质量及灰分中的硫含量，按照固硫率=固硫产物中的硫/媒中的全硫和硫酸盐中硫差计算其固硫率；通过热重曲线，计算煤粉的燃烧率；通过爆炸性试验，测定加入不同量的助燃固硫剂后煤粉的爆炸性。

2 试验结果分析

2.1 固硫剂结果分析

从表4固硫剂正交试验的结果及极差可以看出，影响固硫率的5个因素的极差依次是Ca/S摩尔比>固硫剂种类>煤粉粒度>固硫剂预处理时间>燃烧温度。

固硫剂正交试验结果的分析图如图1所示，从图1（a）可以直观的看出，固硫率随着Ca/S摩尔比的增大而不断提高，从固硫反应本身来看，增大反应物的浓度有利于固硫产物的生产，因此，在Ca/S摩尔比为2.5时最佳；在图1（b）中，在相同的试验条件下，选用的四种固硫剂中，氧化钙的固硫效果最好；图1（c）随着煤粉粒径的减小越有利于固硫率的提高，这是因为煤粉粒径越小，碳颗粒的比表面积越大，有利于SO2的析出并与固硫剂充分的接触[6-7]，因此，固硫效果最好的煤粉粒径在180目以下；从图1（d）可以直观的看出，预处理时间在10～30min之间时，钙基固硫剂随着预处理时间的增大，其固硫效果越好，但是大于30min后，固硫率的增长率趋于零。这因为，在一定温度下对固硫剂进行预处理有利于改变固硫剂本身的孔隙结构[8]，使其促进了固硫反应的进行，但是，预处理时间大于30min后，固硫剂的孔隙不再发生任何变化，因此，预处理的最佳值时间为30min；对于试验温度来说，高温有利于提高固硫反应速率和反应活化能，促进固硫反应的正向进行，但是，高温条件固硫产物的热分解却限制了固硫率的提高[7，9]，因此从图1（e）可以看出，试验温度在900℃下固硫效果最好。

按照正交试验的结果，选取氧化钙作为固硫剂，并且在Ca/S=2.5，试验温度为900℃，试验煤粉粒度为180目以下，固硫剂预处理时间为30min时，氧化钙将会具有最佳的固硫条件；对照固硫剂正交试验结果及极差分析表，发现1到16试验中没有包含最佳的固硫条件，为此，按照最佳的固硫条件再补充一组试验，最终算得该参数条件下的固硫率为51.48%。

2.2 固硫添加剂结果分析

通过对固硫添加剂正交试验结果及极差分析表的观察，可以看出添加剂种类的选择对固硫率的影响最大，加入量影响最小。固硫添加剂正交试验结果的分析图如图2所示。在图2（a）中各种添加剂对固硫反应均能起到促进作用，但是Na2CO3的促进作用最明显。Na2CO3中的Na+离子效应，改善了CaO的孔隙结构，使其孔隙变多，孔径变大，提高了钙基的利用率；如图2（b）所示，在一定的温度下对固硫添加剂的预处理有利于改变添加剂的孔隙结构，有利于固硫中间产物的生产，但是预处理时间大于30min后，孔隙不再发生变化了，因此固硫率不再有增加的趋势；从图2（c）中可以看出，随着添加剂加入量的加大，固硫率不断提高，但是当加入量大于0.3%后，固硫率不再增加，而且有下降的趋势。这是由于生产的含硫中间产物过多，这些中间产物在高温下不稳定而发生热分解，导致了固硫率下降。因此固硫添加剂的最佳加入量为0.3%。

按照正交试验的结果，选择Na2CO3作为固硫添加剂，加入量为0.3%，预处理时间为30min时，将会获得最佳的固硫效果。按照最佳的添加剂条件再补充一组试验，最终算得该参数条件下的固硫率为68.17%。

2.3 一体化试验结果分析

通过对助燃剂、固硫剂及固硫添加剂的结果分析，最终确定CaO作为固硫剂成分，Na2CO3为固硫添加剂成分，CuCl2・H2O为助燃剂成分，并按照最佳加入量确定其配比为86%：7%：7%。试验结果见表5和图3。

从图3和表5中可以看出，随着助燃固硫剂加入量的增多，固硫率不断提高，当加入量为2.0%时，固硫率达最大，燃烧率也最大。固硫效果受到煤粉燃烧情况的制约，煤粉充分燃烧有利于SO2的释放，可以促进固硫反应的加速进行，如果煤粉燃烧不充分，则SO2的释放速度减缓，使得固硫成分在高温条件下的停留时间较长，改变了固硫成分颗粒的微观结构，导致固硫率下降；煤粉的燃烧率随着助燃固硫剂的加入先增后减，加入量过大使得助燃固硫剂包裹在碳颗粒的表面，导致碳颗粒表面气孔堵塞，从而使燃烧性能下降。

3 结语

（1）通过固硫剂的正交试验结果分析，最终选择CaO为固硫剂，Ca/S为2.5，燃烧温度900℃，煤粉粒度180目以下，预处理时间30min，在此条件下的固硫率为51.48%。

（2）在固硫添加剂的试验研究中，发现四种固硫添加剂中Na2CO3的促进作用最大。试验结果表明，在煤粉中加入0.3%的Na2CO3，经过30min预处理过的CaO可以使固硫率提高到68.17%。

（3）通过三组试验结果分析，最终确定助燃固硫剂的成分是CaO、Na2CO3、CuCl2・H2O，其配比为：86%：7%：7%。在煤粉中加入2.0%的助燃固硫剂，可以使煤粉着火点降低39℃，燃烧率提高72.51%，固硫率达61.32%。

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