燃煤电厂脱硫灰渣理化特性研究.pdf

煤 矿 环 保 全国中文核心期刊 矿业类核心期刊 CAJCD规范执行优秀期刊 燃煤电厂脱硫灰渣理化特性研究93 中 国 矿 业 大 学 环 境 与 测 绘 学 院 江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 周 栋 韩 宝 平 燃 煤 电 厂 脱 硫 灰 渣 理 化 特 性 研 究 摘要 以徐州 2个不同工艺电厂脱硫灰渣为研 究对象, 分别从粒径分布、 重金属含量、 矿物组成和 微观颗粒形态 4个方面, 对灰渣进行了研究。结果 显示 2个电厂飞灰的粒径分布相似, 粒径主要集中 于 5 m 以下, 粒径在 20m以下的颗粒占全部颗粒 的 98 以上; 所测试的重金属元素中, 除 Cd外, 其 他元素含量都在 1g/g以上。Mn的测试含量最 高, 均在 300g/g以上。多数重金属元素更易富集 在细灰上; 2个电厂灰渣的矿物组成特性稍有不同, 主要区别表现在莫来石和 CaSO4的相对含量上, 这 主要与电厂工艺和燃烧的煤质有关。另外, 2个电 厂的飞灰微观颗粒形态存在明显差异。 关键词 脱硫灰渣; 粒径; 重金属; 矿物组成 中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 10066772 2009 02009304 收稿日期 2008- 10- 27 作者简介 周栋 1984- , 男, 河北行唐人, 中国矿业大学环境工程专业在读硕士研究生。 飞灰和底渣是电厂燃煤的副产品, 由于电厂用 煤数量巨大, 灰渣的年排放量超过 1亿 t 。即使在电 厂节能效率不断提高的情况下, 到 2020年, 中国灰 渣的年总排放量也将是现在的 3倍左右 [ 1]。随着灰 渣特性相关研究的不断发展, 针对灰渣的再利用技 术越来越成熟, 涉及建筑、 环保、 农业和道路等众多 领域。燃煤电厂脱硫是国家控制 SO2排放以来电厂 实施的一项措施, 旨在减少排入大气中 SO2的量。 燃煤脱硫技术主要包括燃烧前脱硫、 燃烧中脱 硫和烟气脱硫 3种。循环流化床技术是燃烧中脱硫 最常用的技术, 它使石灰石与煤在炉中同时燃烧煤, 使生成的 SO2与石灰石分解后产生的 CaO反应生 成 CaSO4, 从而将硫固定在灰渣中。按脱硫过程是 否加水和脱硫产物的干湿形态, 烟气脱硫技术分为 干法、 半干法和湿法 3种 [ 2]。 电厂脱硫产生的灰渣为脱硫灰渣, 其相关特性 与原普通灰渣相比, 将发生一定的变化。灰渣的再 利用手段是以灰渣的特性为基础的, 特性的改变会 影响到再利用技术。将原灰渣的利用技术应用到脱 硫灰渣上, 可能并不合适, 甚至会存在一定的风险。 因此对未来电厂副产品 脱硫灰渣进行研究显得 尤为重要。 笔者以江苏徐州 A和 B 2个电厂的脱硫灰渣为 研究对象, A电厂为循环流化床工艺, B电厂为煤粉 炉, 采用干法烟气脱硫技术 炉膛干粉喷射脱硫 法。 2个电厂的脱硫吸收剂均为石灰石, 除尘方式 均为电除尘。 1 研究方法 飞灰的颗粒粒径用激光粒度分级仪 WCIS 50 测定; 重金属元素用等离子质谱仪 ICP MS 测定; 矿物成分用 X射线衍射仪测定; 飞灰微观颗粒形态 用电子扫描显微镜 SEM观察。 2 结果与讨论 2 . 1 粒度分布 2个电厂飞灰进行粒径分布测试结果见表 1 , 根 据测试数据绘制粒径分布累积曲线, 如图 1所示, 从 结果可以看出, 2个电厂飞灰基本颗粒粒径绝大多 数分布于 20 m 以下, 粒径 5 m 以下的颗粒最多。2 个电厂的飞灰分布相似, 5 m以下颗粒 A电厂多于 B 电厂。这可能与 A电厂采用循环流化床工艺有关, 随 煤 矿 环 保 94 洁净煤技术2009年第 16卷第 2期 烟气排出的小固体颗粒被被多次截留返回炉膛进行循环燃烧, 颗粒经多次燃烧, 粒径会越来越小。 表 1 电厂飞灰粒径分布统计 电厂名称 粒径范围 /m 0 55 1010 1515 2020 2525 3030 3535 40 40 A 电厂87. 587 . 942. 491 . 030. 430 . 120. 130 . 110 . 17 B电厂78. 6713 . 15. 031 . 530. 720 . 380. 160 . 150 . 26 2 . 2重金属元素含量 样品消解采用 HNO3 HCL HCLO4法。测定了 2 个电厂飞灰和底渣部分重金属元素的含量, 结果见表 2 , 从所得结果可以看出, 所测元素含量都比较高, 只 有 Cd含量稍低, Mn的含量最高。重金属含量除与 燃烧的煤种有关外, 与元素的相关特性也有一定关 系。从结果可以看出, 除 Mn元素外, 其他几个元素 都表现为飞灰中的相对含量高于底渣中的量, 在飞 灰和底渣中的富集程度不一样, 可能与各种重金属 的挥发性有关。在所研究的这几个元素中, Zn 、 Cu 、 Cd和 M o挥发性较弱, Cr 、 Mn和 Ni挥发性最弱 [ 3]。 挥发性较强的元素会在煤燃烧过程中气化, 通过除 尘系统进入大气中。较易挥发的元素在煤燃烧过程 中气化后, 在烟气排出过程中, 随着温度的降低可部 分吸附到飞灰上, 再次进入固态形式。不易挥发的 元素, 如 Mn元素, 则均匀的分布在飞灰和底渣中。 表 2 飞灰和底渣部分重金属元素含量 样品类型 含量 / g g- 1 CrMnN iCuZnNbMoCdPb A电厂飞灰141 . 5347. 848. 56148 . 335818. 9931 . 50 . 937118 . 4 A电厂底渣106 . 9340. 525. 4975 . 188. 7516. 722 . 1350 . 09149. 38 B电厂飞灰97 . 9631933. 0863 . 3288. 2125. 236 . 6050 . 51753. 82 B电厂底渣91 . 37637. 632. 0759 . 4539. 1124. 324 . 1750 . 07318. 65 2 . 3 矿物成分 煤中含有大量的元素, 各种元素以单质及化合 物的形式组成各种矿物。煤经高温燃烧, 矿物发生 变化, 固体产物矿物成分包括硅铝质、 铁质和钙质 3 类 [ 4]。硅铝质包括莫来石和石英, 是高岭石在高温 燃烧过程中的产物, 他们的形成温度在 1100 1400 , 这一温度范围正是煤粉炉炉内温度范围, 因 此煤粉炉产生的飞灰和底渣中莫来石含量较高。循 环流化床锅炉属中温燃烧, 平均温度 800 950 的 范围, 达不到莫来石形成温度, 因此飞灰和底渣中莫 来石含量较低, 但含一定量高岭石低温燃烧产 物 偏岭石, 它的形成温度在 600 左右。 2个电厂飞灰和底渣的矿物组成测试结果如图 2所示。对结果进行比较见表 3 , 石英和莫来石是各 个样品共有的矿物, B电厂莫来石相对含量较 A电 厂多, 正是由于 B 电厂采用煤粉炉高温燃烧的结 果。由于 2个电厂均采用石灰石作为脱硫剂, 有一 定量的 CaSO4产生。CaSO4在 1100 以下几乎不 分解, 1100 1300 之间 分 解 现象 不 明显, 但 1350 时分解率已达到 87. 5 。虽然 B电厂采用 炉膛干粉喷射脱硫, 将脱硫剂喷在炉顶部低温处, 但 这个过程控制比较困难, 高温分解可能是 B 电厂 CaSO4含量少的原因之一。A电厂还含有其他一些 矿物, 这可能与电厂燃烧的煤种有关, 因为循环流化 床炉适用于燃烧各种煤质。非晶体物质主要包括玻 璃体和无定形碳等。 煤 矿 环 保 全国中文核心期刊 矿业类核心期刊 CAJCD规范执行优秀期刊 燃煤电厂脱硫灰渣理化特性研究95 煤 矿 环 保 96 洁净煤技术2009年第 16卷第 2期 表 3 电厂飞灰和底渣所含矿物列表 类型结果 A电厂飞灰 非晶体物质 多 石英、 莫来石 少 、 CaO、 CaSO4少 、 长石、 偏岭石、 伊利石 少 、 钙铝黄长石 少 、 其它 少 A电厂底渣 非晶体物质 多 、 石英 中 、 莫来石 少 、 CaSO4 少 、 长石 少 、 钙铝黄长石 少 、 其它 少 B电厂飞灰 非晶体物质中多 、 莫来石 中多、 石英、 其它 少 B电厂底渣 非晶体物质多 、 石英、 莫来石、 长石 少 、 其它 少 2 . 4 飞灰微观颗粒形态 图 31为 A电厂采用循环流化床锅炉燃烧产生 的飞灰电镜观察结果, 总体上看, 其颗粒呈无规则形 态, 表面多不光滑, 空隙较多。图 32为 B电厂采用 煤粉炉燃烧产生的飞灰的电镜观察结果, 可以从图片 中观察发现, 球形颗粒较多, 表面比较光滑, 这主要与 煤粉炉的燃烧过程有关, 炉内温度比较高, 在 1000 以上, 高温使灰分熔融成液滴,冷却后形成微珠型。 3 结论与展望 1 2个电厂飞灰粒径分布特征相似, 绝大多 数粒径集中在 20m 以下, A电厂飞灰平均粒径略 低于 B电厂, 这主要与电厂采用的工艺有关。 2 重金属含量与煤种、 燃烧过程和工艺等因 素有关。重金属在飞灰和底渣中的富集程度不同, 所测试重金属元素多数呈现出易于富集在飞灰中, 可能与重金属的挥发性有关。易挥发重金属元素随 着烟气温度的降低, 吸附在细小的飞灰上。 3 同一电厂飞灰和底渣矿物组成相似, 不同 电厂则呈现除明显的不同, 这除与燃烧的煤种有关 外, 与电厂采用的工艺也有重要关系, 主要表现在温 度的影响上。另外电厂控制 SO2排放后, 飞灰和底 渣中含有一定量脱硫产物 CaSO4。 4 不同的颗粒形态, 其物理强度和化学反应 性有所不同, 再利用技术需要分别探讨。 5 不同电厂不同工艺脱硫灰渣具有不同的特 性, 今后可以推出针对某工艺产生的灰渣的再利用 技术, 最大限度的回收再利用。 6 由于电厂脱硫产生飞灰和底渣含有大量重 金属和脱硫产物, 再利用存在一定环境风险, 应进一 步对它的再利用进行污染评价和预测, 将污染风险 降低到最低。 参考文献 [ 1] 唐福军, 毕红梅, 高金玲. 煤灰的资源化利用与研究现 状 [ J]. 黑龙江八一农垦大学, 2006, 18 6 76- 79. 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Most of the heavy metals tested were reliable to enrich in fly ash ; Them ineral composition differed from the relative content of mullite and calcium sulphate ,it was related to the technics and coal used of power plan. t The particle morphology of each plants fly ash had distinct differences. Keywords desulfurization ash ;granularity distribution ;heavy meta; l m ineral composition