浅谈水煤浆燃烧脱硫技术及其进展

＊王彩琴 严瑾 李瑛

（陕西能源职业技术学院化学工程系 陕西 712000）

浅谈水煤浆燃烧脱硫技术及其进展

＊王彩琴 严瑾 李瑛

（陕西能源职业技术学院化学工程系 陕西 712000）

水煤浆具有易储存、易运输、高效环保的特点，脱硫型水煤浆的更突出其环保特性。本文针对水煤浆的固硫机理和影响因素，分析脱硫型水煤浆制备的影响因素和基本性能，旨在促进我国脱硫型水煤浆制备技术的发展和应用。

水煤浆；脱硫机理；技术进展

1.水煤浆概述

(1)水煤浆的国内外发展应用现状

随着我国在新能源开发领域投入的不断加大，新能源的开发和使用也取得了一定的成果，但煤炭仍然是我国重要能源之一，且将在未来很长时间内是我国工业生产和居民生活的重要燃料。通常情况下，水煤浆中约有三分之二的煤，三分之一的水，还有极少量的其他化学添加剂，水煤浆作为燃料即能去除煤中无法充分燃烧的部分，又具有良好的流动性，所以被称之为煤基液态燃料。此外，水煤浆制备和燃烧技术在美国、日本等发达国家都得到深入地研究，同时开发出水煤浆专用的锅炉设备。

(2)脱硫型水煤浆的特点及研制的必要性

从某种程度上来讲，水煤浆的出现颠覆了传统煤的使用方式。水煤浆作为一种液态煤基燃料，其燃烧机理和传统的煤粉有很大差异，它的燃烧温度比煤粉低约200℃，另外，由于水煤浆本身含有一定量的水，所以其在燃烧时具有更好的固硫效果。脱硫型水煤浆具有高效、清洁以及低污染的特性，可用于现代煤化工、工业锅炉、电站锅炉以及工业窑炉中，且其具有环保节能的优势。所以，采用脱硫型水煤浆制备技术来处理高硫煤，不但节约了成本，而且还降低了对环境的污染，市场前景非常广阔。

2.水煤浆燃烧脱硫机理以及影响因素

(1)水煤浆燃烧脱硫机理

水煤浆的燃烧共经历三个阶段：蒸发与结团；挥发分析出与燃烧；焦炭燃烧。

蒸发与结团

水煤浆在燃烧之前会经过雾化阶段，在雾化阶段所含水分会被蒸发，此过程中会吸收大量的热，能有效降低水煤浆的燃烧温度。通常情况下，脱硫剂在高温环境中会非常容易出现烧结状况，导致实际燃烧面积缩减。而水煤浆在燃烧时由于其温度比较低，所以能够有效地防止烧结状况的出现，使得燃烧更加充分。另外，脱硫型水煤浆在制备过程中，煤粉和其中掺加的固硫剂会充分混合，这就使得水煤浆在燃烧过程中会形成众多的由煤粉以及脱硫剂混合而成的细小颗粒。

挥发分析出与燃烧

水煤浆在燃烧的过程中，伴随着温度的上升，煤粉中易挥发的物质比如水、硫等逐渐的析出并形成多孔状构造，这时，碳酸钙也在高温下发生分解，最终变成氧化钙。这一阶段的燃烧基本上都处于缺氧环境，所以水煤浆中的硫元素形成了二氧化硫以及硫化氢等物质。随后氧化钙会和二氧化硫、硫化氢发生硫化反应，最终形成硫化钙以及亚硫酸钙。该阶段发生化学反应的化学方程式如下：

焦炭燃烧

水煤浆燃烧析出的水、硫等挥发分导致煤、硫形成的颗粒团逐渐破裂，而且燃烧生成的多孔状构造使外部的氧气能迅速进入结团内，为燃烧过程提供充足的氧气。在富氧环境下，二氧化硫碰到氧化钙之后会发生氧化反应，生成硫酸钙和亚硫酸钙，同时硫化钙也会发生氧化反应生成硫酸钙以及亚硫酸钙。该阶段化学反应的化学方程式如下：

此时，硫酸钙、亚硫酸钙在高温下也会发生分解反应，生成氧化钙以及二氧化硫，其化学反应方程式如下：

因为水煤浆是以颗粒团的形式进行燃烧，因此其在脱硫过程中更容易发生固—固反应，即最终生成固态的硫化物，比如硫化钙、硫酸钙和亚硫酸钙等。这些固态的硫化物附着在焦炭表面与Al2O3发生反应，最终形成一种较为复杂的物质CaO·Al2O3·CaSO4，钙化合物在高温环境下稳定性比较好，这样就实现了固硫效果。

(2)水煤浆燃烧固硫的影响因素

硫含量

通常情况下，不同地区生产的煤中硫组分的含量有很大的差别，甚至在同一个矿井中开挖的煤种硫组分也不尽相同。煤中的部分矿物质在燃烧时会发生化学反应，最终生成一些碱性物质，比如氧化钙、氧化镁、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钾、氧化钠等等，其中氧化钙、氧化钾以及氧化钠等活性物质能和生成的二氧化硫发生反应，生成硫酸钙、亚硫酸钙、硫酸钾以及硫酸钠等硫酸盐类物质。所以，水煤浆本身具有一定的固硫能力。研究表明，随着煤粉中的硫含量的增加，矿物质元素与硫元素的占比越低，普通煤的固硫率高于高硫煤，所以在制备水煤浆时，应尽可能的选用普通煤。

燃烧温度

脱硫型水煤浆的燃烧过程中，随着温度不断上升，释放出的二氧化硫越多，所以燃烧温度的升高一定程度上有利于煤中硫元素的析出。但燃烧的温度过高，会致使氧化钙发生烧结，无法与硫元素发生反应；另外，燃烧温度超过1200℃时，也会加速硫酸钙的分解，导致固硫率下降。所以，基于这两个层面的考虑，脱硫型水煤浆在制备过程中一定存在着一个最佳温度，即能使硫元素完全析出又能与氧化钙发生化学反应。为了实现良好的脱硫固硫效果，在实际操作过程中，对于不同种类的煤浆和燃烧体系，必须要经过试验来确定脱硫效果最佳的燃烧温度。

钙基固硫剂

生产中可以使用的固硫剂很多，但其中使用最多且廉价易得的是钙基固硫剂，常用的有氢氧化钙、碳酸钙、氧化钙等几种。根据相关的化学反应理论我们可以得知，在反应中如果增加了二氧化硫和氧化钙的接触面积，即增加钙/硫比，那么钙酸盐的产量就会相对较大。然而，实际上碳酸钙加热分解的化学反应是一个吸热反应，因此过量的钙会造成热量的大量浪费，不利于水煤浆的燃烧。而对高硫煤来讲，钙/硫比过大时，为了实现良好的固硫效果，就必要增加固硫剂的含量，这样就会增加反应设备中除尘设备的负担，加速其磨损与损坏。另外，水煤浆在燃烧过程中形成的二氧化硫总量一定，过量的钙会造成原料的浪费，经济性较差。所以，在水煤浆燃烧过程中固硫剂钙硫比也有一个最佳值，实际工作中应提前通过燃烧试验来确定其钙硫比。

固硫剂种类与复配

常见的固硫剂为氢氧化钙和碳酸钙，不同温度下二者与二氧化硫反应过程中的固硫效果对比情况如下表1所示。

表1 SO与CaCO3及Ca(OH)2不同温度反应情况表

由上表我们可以得知，Ca(OH)2和CaCO3分解温度有很大差异，当温度为900℃、1000℃时，二者均完全析出为CaO，完全参与到与SO2的反应中去，经过测定，在Ca/S一定时，Ca(OH)2的固硫率较高，但为了避免温度过高形成的CaO发生烧结现象，所以，在实际应用过程中，必须兼顾脱硫效果、经济性和燃烧状态等几方面来选择合适的固硫剂和燃烧温度。

3.脱硫型水煤浆的特征分析

研究表明，金属离子与电解质会改变水煤浆的流变性和成浆性，且高价金属离子和低价金属离子相比具有更大的增粘作用。在水煤浆中加入固硫剂之后，水煤浆表面的粘度得到显著的提升，特别是氢氧化钙作为固硫剂加入水煤浆之后，能够极大地增加其表面的粘度，这在一定程度上降低了水煤浆本身的抗剪切性能。随着燃烧的进行，水煤浆浆体的温度逐渐上升，粘度缓慢降低，然而随着温度上升，固硫剂中的二价钙离子活性明显增大，这在一定程度上遏制了浆体粘度的降低，经过测定，氢氧化钙比碳酸钙的作用更加明显。

4.总结与展望

(1)脱硫型水煤浆实际脱硫能力强弱受到固硫剂本身的性能、用量以及燃烧温度等影响，通常在制备脱硫型水煤浆的过程中，一是要求在水煤浆燃烧过程中，固硫剂的脱硫效果好，二是要求添加固硫剂后对水煤浆浆体本身的流变性和成浆性能的影响较小。

(2)在当前环境污染日益严峻的情况下，水煤浆的使用解决了我国煤炭运输和燃烧的一大难题，而像脱硫型水煤浆这一类环保型水煤浆的研制更为我国高硫煤和高灰分煤的使用开辟了一条崭新的道路,比如有学者就探讨了用工业废液和污泥等添加剂制备水煤浆的研究，这样即能提高水煤浆运输和燃烧性能，又为环境污染物的处理处置提供了研究方向。

[1]唐海香,张荣曾,徐志强.水煤浆燃烧脱硫剂优选的探讨[J].华北科技学院学报,2008,5(1):31-33.

[2]怡然,脱硫型水煤浆设备示范工程投入生产[D].煤化工,2000 (3):58.

[3]朱书全,段静.金属氧化物对水煤浆燃烧固硫的促进作用[J].中国矿业大学学报,2016(02):188-191.

[4]冯云岗.脱硫型水煤浆的成浆和脱硫特性研究[D].浙江:浙江大学硕士学位论文,2006:1-76.

[5]祝建章,莫海燕.脱硫型水煤浆制备技术及研究进展[J].广州化工,2011,39(12):36-37.

[6]盛昌栋.我国动力用煤煤灰自身固硫特性的统计分析[J]. 环境科学学报,2009,19(01):77-80.

[7]范浩杰,章明川,胡国新,姚强,曹欣玉,岑可法.水煤浆与煤粉燃烧脱硫比较[J].燃烧科学与技术,2000,6(1):47-50.

[8]朱光俊,梁中渝,邓能运,张剩芹,杨艳华.燃煤固硫剂及添加剂的研究进展[J]. 冶金能源,2008,27(6):49-53.

[9]陈震,段清兵,肖卫冰,徐志强,张荣曾.脱硫型水煤浆的制备及特性[J].煤炭加工与综合利用,2005(06):40-43.

[10]王彩琴,曹振恒,付小康.环保型水煤浆添加剂研究现状[J].华工科技,2014,22(03):61-64.

王彩琴（1989～），女，陕西能源职业技术学院化学工程系，研究方向：新型塔板的开发与设计。

((责任编：卢凤英)

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