CN112915744B - 一种粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，该方法以粉煤灰和烟尘灰为原料，经预处理、酸浸富集金属元素、共沉淀及成型得到烟气精脱硫剂。本发明方法工艺设备简单，操作容易、安全，是一种利用工业废弃物制备可用于多种环境的精脱硫剂以及白炭黑、钾盐副产物的固废综合利用工艺技术路线，实现变废为宝、以废治废目的。该方法制备的精脱硫剂具有脱硫活性高、穿透硫容高等特点，适用转炉煤气、高炉煤气、天然气、焦炉煤气净化脱硫过程，可将硫含量脱至1mg/Nm3以下，特别适用于烟气的精脱硫过程。

Description

一种粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法
技术领域
本发明涉及利用粉煤灰和烟尘灰固体废弃物制备烟气精脱硫的方法，属于节能减排、环境保护领域。
背景技术
随着钢铁行业的迅速发展，烟尘灰年排放量已超过500万吨，其富含大量的锰、铁、锌、钾等金属元素，但是由于成分复杂、颗粒细小等问题，使得大部分烟尘灰未能得到有效利用，不仅浪费资源，而且污染生态环境。粉煤灰属于火力发电厂排放量最大固体废弃物，中国的粉煤灰堆积量已达到8亿吨，对周边环境造成了严重污染。目前粉煤灰主要作为水泥掺和剂，综合利用技术和层次还比较低，其中大量的金属元素没有得到回收利用。近年来也有文献报道从粉煤灰中提取金属元素，但金属元素提纯较为繁琐导致工业化进展较慢。
目前，在中国依然以煤为第一能源，必然面临着废烟气净化处理问题，其中SO2的净化始终是各大企业关注的重点。随着《钢铁工业大气污染物超低排放标准》的实施，要求烟气SO2≤30mg/m³，对各大燃煤企业提出了更高的要求。企业对烟气中SO2的净化也包括对煤气净化处理，采用吸附法脱除煤气中硫化氢可有效地降低烟气中的硫含量。
目前，也有专利报道利用粉煤灰经过简单的处理方式制备脱硫剂，专利CN100488600C公开了利用氧化钙含量大于40%的电石厂除尘灰和氧化钙含量大于10%的粉煤灰为原料，通过机械搅拌均匀、球盘机成型，烘干得到脱硫剂。专利CN101745309B公开了粉煤灰或炼铁高炉渣用于烟气脱硫及综合利用的方法，将粉煤灰或炼铁高炉渣、氟化铵助溶剂、水混合均匀后添加软锰矿和硫酸亚铁调制成浆液，用浆液吸收烟气中的SO2。专利CN109621691A公开了一种干法低温烟气脱硫剂及制备方法，将粉煤灰、氢氧化钙混合、金属氧化物和高分子化合物搅拌混合后再掺水混合均匀、最后造粒成型得到脱硫剂。以上专利都是在粉煤灰中添加活性物质后经过简单的机械搅拌、掺水混均得到的固相或浆料脱硫剂，活性组分分散不均，且多数脱硫剂只能用于脱除烟气中的SO2，并不能用于煤气净化脱H2S，使用环境比较单一。利用烟尘灰提取金属元素已有较多的专利，但是利用烟尘灰制备脱硫剂的文献还未见报道。
发明内容
本发明旨在利用粉煤灰和烟尘灰开发一种可用于多种环境的高效脱硫剂，用于燃煤烟气中SO2或煤气中的H2S、有机硫化物的净化处理，可满足企业的不同脱硫工艺。该方法通过预处理、酸浸富集金属元素、共沉淀及成型得到精脱硫剂，同时可得白炭黑、钾盐副产物，其技术路线不仅为粉煤灰与烟尘灰的综合利用开发了一条有效途径，减少了灰分对环境的污染，同时得到了可用于多种环境的精脱硫剂和具有高附加值的白炭黑、钾盐副产物。
本发明的技术方案如下：粉煤灰和烟尘灰经预处理、酸浸富集金属元素、共沉淀及成型得到烟气精脱硫剂，其活性成分包括Mn、Fe、Zn、Ca、Mg、Cu元素的金属氧化物，载体为Al2O3-SiO2，其制备方法包括如下步骤：
（1）原料预处理
按粉煤灰与改性剂的质量比为1:0.2~0.3，分别称取粉煤灰和改性剂，混合均匀后在600~800℃下焙烧1~3小时，然后冷却，研磨，过60~120目标准筛得到改性粉煤灰；
按去离子水或浸取液A与烟尘灰的质量比为0.5~1:1，分别称取一定量的去离子水或浸取液A和烟尘灰，在室温~60℃下搅拌浸取0.5~2小时，过滤，得到浸出液B和浸出渣；浸出渣用烟尘灰质量50~100%的水量分3次洗涤，再经干燥得到脱钾烟尘灰；洗液回收作为浸取循环液，即为浸取液A；浸出液B蒸发结晶，结晶物干燥得到钾盐；
（2）金属元素酸浸富集
在质量浓度为15~30%的硝酸溶液中加入改性粉煤灰，在40~90℃下搅拌浸取0.5~3.0小时，过滤，得到水合硅酸沉淀a和浸出液C，其中硝酸溶液和改性粉煤灰的质量比为4~8:1；浸出液C中加入脱钾烟尘灰，并在室温~70℃下搅拌浸取0.5~2.0小时，过滤得到水合硅酸沉淀b和浸出液D，其中脱钾烟尘灰与改性粉煤灰的质量比为1~2:1；
水合硅酸沉淀b和水合硅酸沉淀a混合后用改性粉煤灰质量150~300%的水量分3次洗涤，并于150~220℃干燥1.0~3.0小时，再在500~800℃焙烧1.0~3.0小时即得到白炭黑产品，洗液用于配制硝酸溶液；
（3）共沉淀及成型
在40~80℃条件下，向浸出液D中加入沉淀剂调节溶液pH值为8~10混合均匀，进行共沉淀；沉淀物经过滤、洗涤，并在100~140℃干燥2.0~4.0小时，再与一定量的粘结剂混合；混合物打片成型，并在500~600℃焙烧3.0~4.0小时，得到烟气精脱硫剂。
上述步骤（1）中所述的改性剂为碱式碳酸铜、氟化铜的混合物，质量比为10~20:1。
上述步骤（3）中所述的沉淀剂为氨水、碳酸钠水溶液、碳酸铵溶液中的至少一种，优选碳酸钠和碳酸铵混合溶液；所述的粘结剂为水合硅酸沉淀a、水合硅酸沉淀b中的至少一种，优选水合硅酸沉淀b。
上述方法制备的精脱硫剂脱硫精度小于1mg/Nm3，穿透硫容大于30%，抗压碎力大于295N·cm-1，可用于转炉煤气、高炉煤气、天然气、焦炉煤气净化脱硫和烟气脱硫。
本发明所采用的原料为固体废弃物烟尘灰和粉煤灰。烟尘灰主要化合物及含量（单位wt%），氧化锰30.30，氧化锌21.01，氧化铁12.38，氧化硅12.17，钾盐19.85；粉煤灰主要氧化物及含量（单位wt%），氧化铝24.89，氧化铁19.73，氧化钙5.24，氧化镁3.12、氧化硅43.52。
本发明的有益效果：（1）变废为宝，利用废弃物制备精脱硫剂以及高附加值的白炭黑与钾盐副产物；（2）以废治废，精脱硫剂可用于烟气脱硫以及转炉煤气、高炉煤气、天然气、焦炉煤气净化脱硫；（3）工艺流程简单易实现，经过预处理、酸浸富集金属元素、共沉淀及成型制备精脱硫剂；（4）脱硫活性高，其活性成分包括Mn、Fe、Zn、Ca、Mg、Cu元素的金属氧化物，硫化物脱除率高，可将硫含量脱至1mg/Nm3以下；（5）适用范围广，可用于转炉煤气、高炉煤气、天然气、焦炉煤气净化脱硫过程，特别适用于烟气的精脱硫过程。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1~4中所使用的原料，烟尘灰主要化合物及含量（单位wt%），氧化锰30.30，氧化锌21.01，氧化铁12.38，氧化硅12.17，钾盐19.85；粉煤灰主要氧化物及含量（单位wt%），氧化铝24.89，氧化铁19.73，氧化钙5.24，氧化镁3.12、氧化硅43.52。
实施例1
粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，具体操作如下：
（1）原料预处理
称取粉煤灰500g、改性剂100g（碱式碳酸铜与氟化铜质量比为20:1的混合物）混合均匀后盛于蒸发皿中并置于马弗炉中，在600℃下焙烧3小时，然后冷却至室温后研磨至物料通过120目标准筛得到改性粉煤灰；
在烧杯中加入去离子水500g、在搅拌条件下加入烟尘灰500g，在室温（28℃）下搅拌浸取2小时，过滤得到浸出渣和浸出液B，浸出渣经250g去离子水分3次洗涤，再在烘箱中200℃干燥2小时得到脱钾烟尘灰，洗液收集到烧杯1中作为浸取液A；浸出液B经蒸发结晶，结晶物在200℃干燥2小时可得钾盐85.8g；
（2）金属元素酸浸富集
称取15%硝酸溶液800g并升温至90℃，在搅拌条件下加入步骤（1）中的改性粉煤灰100g，浸取0.5小时，经过滤得到水合硅酸沉淀a和浸出液C；在搅拌条件下，向浸出液C中加入步骤（1）中的脱钾烟尘灰200g，并在70℃下搅拌浸取0.5小时，过滤得到水合硅酸沉淀b和浸出液D；水合硅酸沉淀b和水合硅酸沉淀a混合后，用150g去离子水分3次洗涤，并置于烘箱中，在150℃干燥3.0小时，再转入马弗炉中，在800℃焙烧1.0小时即得到白炭黑产品；洗液转入回收烧杯2中，用于配制硝酸溶液；
（3）共沉淀及成型
在40℃条件下、向浸出液D中加入碳酸铵水溶液调节溶液pH值为10，进行共沉淀；沉淀物经过滤、洗涤，并在100℃干燥4.0小时后与一定量的水合硅酸沉淀b混合；混合物打片成型，并在600℃焙烧3.0小时，得到烟气精脱硫剂W1。
经分析，白炭黑纯度为96.4%；钾盐为氯化钾，纯度为94.5%，杂质为硫酸钾、碳酸钾。
实施例2
粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，具体操作如下：
（1）原料预处理
称取粉煤灰500g、改性剂150g（碱式碳酸铜与氟化铜质量比为10:1的混合物）混合均匀后盛于蒸发皿中并置于马弗炉中，在800℃下焙烧1小时，然后冷却至室温后研磨至物料通过60目标准筛得到改性粉煤灰；
称取实施例1中收集的浸取液A200g盛于烧杯中并升温至60℃，在搅拌条件下缓慢加入烟尘灰400g，搅拌浸取0.5小时，过滤得到浸出渣和浸出液B，浸出渣经400g去离子水分3次洗涤，再在烘箱中200℃干燥2小时得到脱钾烟尘灰，洗液收集到回收烧杯1中作为浸取液A；浸出液B经蒸发结晶，结晶物在200℃干燥2小时可得钾盐78.3g；
（2）金属元素酸浸富集
称取30%硝酸溶液400g，在搅拌条件下加入步骤（1）中的改性粉煤灰100g，在40℃下浸取3小时，过滤得到水合硅酸沉淀a和浸出液C；在搅拌条件下，向浸出液C中加入步骤（1）中的脱钾烟尘灰100g，并在室温（28℃）下搅拌浸取2.0小时，过滤得到水合硅酸沉淀b和浸出液D；水合硅酸沉淀a和水合硅酸沉淀b用300g去离子水分3次洗涤，并置于烘箱中，在220℃干燥1.0小时，再转入马弗炉中，在500℃焙烧3.0小时即得到白炭黑产品；洗液转入回收烧杯2中，用于配制硝酸溶液；
（3）共沉淀及成型
在80℃条件下、向浸出液D中加入碳酸钠水溶液调节溶液pH值为8，进行共沉淀；沉淀物经过滤、洗涤，并在140℃干燥2.0小时后与一定量的水合硅酸沉淀a混合；混合物打片成型，并在500℃焙烧4.0小时，得到烟气精脱硫剂W2。
经分析，白炭黑纯度为97.7%；钾盐为氯化钾，纯度为95.1%，杂质为硫酸钾、碳酸钾。
实施例3
粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，具体操作如下：
（1）原料预处理
称取实施例1所得改性粉煤灰25g实施例2所得改性粉煤灰75g混合均匀备用；称取实施例1所得脱钾烟尘灰65g和实施例2所得脱钾烟尘灰65g混合均匀备用；
（2）金属元素酸浸富集
称取20%硝酸溶液600g并升温至80℃，在搅拌条件下加入步骤（1）中的改性粉煤灰混合料100g，浸取1小时，过滤得到水合硅酸沉淀a和浸出液C；在搅拌条件下，向浸出液C中加入步骤（1）中的脱钾烟尘灰混合料130g，并在60℃下搅拌浸取1小时，过滤得到水合硅酸沉淀b和浸出液D；水合硅酸沉淀a和水合硅酸沉淀b用200g去离子水分3次洗涤，并置于烘箱中，在170℃干燥2.5小时，再转入马弗炉中，在700℃焙烧1.6小时即得到白炭黑产品；洗液转入回收烧杯2中，用于配制硝酸溶液；
（3）共沉淀及成型
在60℃条件下、向浸出液D中加入氨水调节溶液pH值为9，进行共沉淀；沉淀物经过滤、洗涤，并在130℃干燥3.0小时后与一定量的水合硅酸沉淀a和水合硅酸沉淀b混合；混合物打片成型，并在550℃焙烧3.5小时，得到烟气精脱硫剂W3。
经分析，白炭黑纯度为96.7%。
实施例4
粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，具体操作如下：
（1）原料预处理
称取实施例1所得改性粉煤灰75g实施例2所得改性粉煤灰25g混合均匀备用；称取实施例1所得脱钾烟尘灰80g和实施例2所得脱钾烟尘灰80g混合均匀备用；
（2）金属元素酸浸富集
称取25%硝酸溶液480g并升温至60℃，在搅拌条件下加入步骤（1）中的改性粉煤灰混合料100g，浸取2小时，过滤得到水合硅酸沉淀a和浸出液C；在搅拌条件下，向浸出液C中加入步骤（1）中的脱钾烟尘灰混合料160g，并在40℃下搅拌浸取1.5小时，过滤得到水合硅酸沉淀b和浸出液D；水合硅酸沉淀a和水合硅酸沉淀b用250g去离子水分3次洗涤，并置于烘箱中，在200℃干燥1.5小时，再转入马弗炉中，在600℃焙烧2.3小时即得到白炭黑产品；洗液转入回收烧杯2中，用于配制硝酸溶液；
（3）共沉淀及成型
在60℃条件下、向浸出液D中加入碳酸铵和碳酸钠混合水溶液调节溶液pH值为9，进行共沉淀；沉淀物经过滤、洗涤，并在120℃干燥3.0小时后与一定量的水合硅酸沉淀b混合；混合物打片成型，并在550℃焙烧3.5小时，得到烟气精脱硫剂W4。
经分析，白炭黑纯度为97.3%。
实施例5
脱硫实验分析，实验室根据企业提供的不同气体组分，自行配制各种气体组分及含量如表1所示。
表1. 各种气体组分及含量
Figure DEST_PATH_IMAGE002
分别通入表1所示的5种原料气，在进口温度150℃，压力常压，气体空速1000h-1条件下，以出口总硫≤1mg/Nm3为指标，测定实施例1~4所得精脱硫剂在不同原料气气氛中的穿透硫容。脱硫剂硫容检测用燃烧中和法测定，具体步骤参见化工行业标准HG/T2513-2014，测定结果如表2所示。
表2. 实施例1~4所得脱硫剂在不同气体的穿透硫容（单位wt%）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
实施例6
根据化工行业标准HG/T2782-2011《化肥催化剂颗粒抗压碎力的测定》，测定实施例1~4所得精脱硫剂径向抗压碎力，测试结果如表3所示。
表3 实施例1~4所得精脱硫剂径向抗压碎力
精脱硫剂 W1 W2 W3 W4
抗压碎力/N·cm<sup>-1</sup> 298.2 302.8 295.0 305.7

Claims (4)

1.一种粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，其特征在于：粉煤灰和烟尘灰为原料，经预处理、酸浸富集金属元素、共沉淀及成型得到烟气精脱硫剂，其活性成分包括Mn、Fe、Zn、Ca、Mg、Cu元素的金属氧化物，载体为Al2O3-SiO2，其制备方法包括如下步骤：
（1）原料预处理
按粉煤灰与改性剂的质量比为1:0.2~0.3，分别称取粉煤灰和改性剂，混合均匀后在600~800℃下焙烧1~3小时，然后冷却，研磨，过60~120目标准筛得到改性粉煤灰；
所述的粉煤灰预处理所用的改性剂为碱式碳酸铜和氟化铜的混合物，质量比为10~20:1；
按去离子水或浸取液A与烟尘灰的质量比为0.5~1:1，分别称取一定量的去离子水或浸取液A和烟尘灰，在室温~60℃下搅拌浸取0.5~2小时，过滤，得到浸出液B和浸出渣；浸出渣用烟尘灰质量50~100%的水量分3次洗涤，再经干燥得到脱钾烟尘灰；洗液回收作为浸取循环液，即为浸取液A；浸出液B蒸发结晶，结晶物干燥得到钾盐；
（2）金属元素酸浸富集
在质量浓度为15~30%的硝酸溶液中加入改性粉煤灰，在40~90℃下搅拌浸取0.5~3.0小时，过滤，得到水合硅酸沉淀a和浸出液C，其中硝酸溶液和改性粉煤灰的质量比为4~8:1；浸出液C中加入脱钾烟尘灰，并在室温~70℃下搅拌浸取0.5~2.0小时，过滤得到水合硅酸沉淀b和浸出液D，其中脱钾烟尘灰与改性粉煤灰的质量比为1~2:1；
水合硅酸沉淀b和水合硅酸沉淀a混合后用改性粉煤灰质量150~300%的水量分3次洗涤，并于150~220℃干燥1.0~3.0小时，再在500~800℃焙烧1.0~3.0小时即得到白炭黑产品，洗液用于配制硝酸溶液；
（3）共沉淀及成型
在40~80℃条件下，向浸出液D中加入沉淀剂调节溶液pH值为8~10混合均匀，进行共沉淀；沉淀物经过滤、洗涤，并在100~140℃干燥2.0~4.0小时，再与一定量的粘结剂混合；混合物打片成型，并在500~600℃焙烧3.0~4.0小时，得到烟气精脱硫剂。
2.根据权利要求1所述一种粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，其特征在于步骤（3）中共沉淀及成型所述的沉淀剂为氨水、碳酸钠水溶液、碳酸铵水溶液中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，其特征在于步骤（3）中共沉淀及成型所述的粘结剂为水合硅酸沉淀a、水合硅酸沉淀b中的至少一种。
4.根据权利要求1所述一种粉煤灰与烟尘灰制备烟气精脱硫剂的方法，其特征在于：该方法制备的精脱硫剂脱硫精度小于1mg/Nm3，穿透硫容大于30%，抗压碎力大于295N·cm-1；用于转炉煤气、高炉煤气、天然气、焦炉煤气净化脱硫和烟气脱硫。
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