还原镁渣在电厂烟气湿法脱硫中的应用*

2022-10-31郭静静

化学与粘合 2022年5期

郭静静

（榆林职业技术学院，陕西榆林 719000）

引言

榆林作为产镁大市，2019年榆林市生产金属镁50.23万t，同比增长19.7%，占全国年产量的50%，占全球年产量的40%[1]。榆林原镁的生产普遍采用皮江法[2]。皮江法属于热还原法，该技术简单，设备成本低，但能耗较高，热利用率低，同时会产生大量的还原镁渣。目前对镁渣的固废利用还在研究中，使得镁厂中的镁渣大量露天堆积，造成大气污染和土壤污染。

1 镁渣的应用现状

金属镁是一种比强度和比刚度均高于传统金属结构材料的新型有色金属，是被广泛应用于航空航天、武器装备、电子通讯和交通工具的绿色金属。目前国内金属镁的冶炼方法90%以上采用皮江法，该方法属于硅热还原法的一种。皮江法炼镁每产生1t镁就要有5～6t镁渣[3]。目前国内镁渣的应用主要研制新型墙体材料，或作为水泥混合材料比较多[4]。但是对于使用还原镁渣进行电厂烟气脱硫应用的较少，皮江法炼镁还原渣的主要成分是CaO和未完全反应的MgO，而这两种成分是目前燃煤电厂中广泛使用的碱性脱硫物质，所以，完全可以将还原镁渣用于燃煤电厂脱硫中，既能脱除烟气中的SO2，减少了脱硫的材料费用，又可以消纳了一部分还原镁渣，有助于解决金属镁企业的镁渣大量堆放带来的环境污染问题，为社会的可持续发展做贡献[5]。

2 烟气湿法脱硫现状

烟气脱硫有湿法、半干法、干法脱硫[6]。目前国内大多数的烟气采用湿法脱硫，而湿法脱硫技术中石灰石-石膏脱硫技术占绝大多数，石灰石/石灰—石膏法是技术最成熟、应用最多、运行状况最稳定的方法，其脱硫效率在95%以上[7]。到2019年末，我国火力电厂的烟气脱硫机组容量约为11～12亿kW，其中采用湿式石灰/石灰石—石膏法脱硫工艺占比91%以上[8]。而石灰石的开采会破坏自然植被，煅烧过程造成粉尘污染和CO2排放，据统计，每吨镁CO2排放大于10t之多[9]，石灰石作为脱硫剂长期使用会对环境造成了一定压力。购买石灰石的费用，对燃煤电厂来说是一笔不少的支出。

3 还原镁渣在电厂烟气脱硫中应用的可行性分析

3.1 镁渣用于电厂脱硫的现有技术

镁渣用于电厂脱硫的现有技术之一是将镁渣与其他催化剂混合，然后与煤粉一起进入循环流化床锅炉燃烧[10]，实现脱硫，此技术容易造成锅炉堵塞，且脱硫率低。另一现有技术是将镁渣与电厂粉煤灰等其他工业废渣进行水合，水合过程中的反应不明确，其产物具有不确定性，制备的脱硫剂不具有稳定性。

3.2 镁渣成分检测

镁渣样品取自陕西府谷某镁生产企业。刚出炉的镁渣呈炽热椭球状，温度可达1200℃左右，自然冷却后变成灰色粉末[5]，经XRD分析，镁渣样品成分如表1所示。

表1 镁渣样品化学成分组成Table 1 The chemical composition of magnesium slag samples

3.3 镁渣用于电厂脱硫的可行性分析

从表1分析可知，CaO含量占比50.44%，MgO含量占比11.76%，总和在60%左右，且这两种氧化物都是常用的碱性脱硫剂。而电厂常用石灰石—石膏湿法脱硫中CaCO3的含量为60%～85%[11]。所以，二者成分比例相当，使用镁渣来作为燃煤电厂的脱硫剂是可行的。

4 还原镁渣进行烟气脱硫的装置

4.1 结构设计及运行过程

还原镁渣进行烟气脱硫的装置如图1所示。

图1 还原镁渣脱硫装置Fig.1 The desulfurization device with reduced magnesium slag

图1中，1-水合反应器；2-镁渣隔热储罐；3-镁渣下料机；4-启动加水口；5-烟气引风机；6-排气口；7-灰渣泵；8-浆液搅拌器；9-管路。

镁渣隔热储罐中的还原镁渣经镁渣下料机送入水合反应器，在浆液搅拌器的作用下，镁渣与水在水合反应器内制成水合浆液，烟气（含SO2）由烟气引风机来鼓入水合反应器，进行脱硫反应，反应完成后脱硫产物通过灰渣泵输送排出。

4.2 装置特点

水合反应器上设置有温度计和压力表，监测反应器内温度和压力。水合反应器外部设有保证水温控制在70±5℃的保温层，镁渣隔热储罐设有隔热层。水合反应器容纳12 h的投料量并留有使得多数固体可以停留12～14 h的50%的富余容积。烟气引风机抽出的是燃煤电厂的烟气，通过管道上设有防止水或者水合镁渣浆液流进烟气引风机的单向阀。

5 还原镁渣进行烟气脱硫的试验方法

将水合反应器通过启动加水口加入其容积1/2～2/3的水。将还原镁渣（还原镁渣是指镁冶炼厂还原罐排出的1200℃以上的高温废弃渣）和水，按照水、还原镁渣质量比为5∶1～10∶1直接加入水合反应器，水合反应的温度保持在70±5℃，水合反应的浸取时间为1～2h，搅拌速度为5～30r/min。将燃煤电厂的烟气（含SO2）从烟气引风机通入水合反应器进行反应。将反应完成后排出的灰渣经灰渣泵排出。水合反应器及时补充水量，保持水容积恒定，系统连续进行脱硫反应。其中，水合反应所需的热量来自还原镁渣的显热，烟气与水合镁渣浆液的反应用量体积比为1.5∶1～2∶1，烟气与水合镁渣浆液的脱硫反应的温度为25～40℃，时间为2～3h。采用上述利用还原镁渣进行烟气脱硫的方法及其装置，对烟气进行脱硫处理，其脱硫效率能够达到70%～78%。具体试验方法如下。

5.1 试验方法1

取镁冶炼厂还原罐排出1200℃以上的高温废弃渣，将水合反应器通过启动加水口加入其容积1/2的水；高温还原镁渣置于镁渣隔热储罐中，利用镁渣下料机将高温还原镁渣按水、渣质量比5∶1直接加入水合反应器，水合温度保持在75℃时间为1h，浆液搅拌器的搅拌速度为5r/min，得到水合镁渣浆液。

将燃煤烟气（含SO2）从烟气引风机通入水合反应器进行反应，其中，燃煤烟气与水合镁渣浆液的反应用量体积比为1.5∶1，脱硫反应的温度为25℃，时间为3h。将反应完成后排出的灰渣经灰渣泵排出。水合反应器及时补充水量，保持水容积恒定，系统连续进行脱硫反应。采用此试验方法的水合镁渣浆液的脱硫效率能够达到70%。

5.2 试验方法2

选取镁冶炼厂还原罐排出1200℃以上的高温废弃渣。将水合反应器通过启动加水口加入其容积2/3的水；高温还原镁渣置于镁渣隔热储罐中，利用镁渣下料机将高温还原镁渣按水、渣质量比10∶1直接加入水合反应器，水合温度保持在65℃，时间为,2h，浆液搅拌器的搅拌速度为10r/min，得到水合镁渣浆液；将燃煤烟气（含SO2）从烟气引风机通入水合反应器进行反应，其中，燃煤烟气与水合镁渣浆液的反应用量体积比为1.8∶1，脱硫反应的温度为32℃，时间为2.5h。反应完成后排出的灰渣经灰渣泵排出。水合反应器及时补充水量，保持水容积恒定，系统连续进行脱硫反应。通过实验，采用此方法的水合镁渣浆液的脱硫效率能够达到72%。

5.3 试验方法3

选取镁冶炼厂还原罐排出1200℃以上的高温废弃渣。将水合反应器通过启动加水口加入其容积3/5的水；高温还原镁渣置于镁渣隔热储罐中，利用镁渣下料机将高温还原镁渣按水、渣质量比5∶1直接加入水合反应器1，水合温度保持在75℃时间为1.5h，浆液搅拌器的搅拌速度为30r/min，得到水合镁渣浆液；将燃煤烟气（含SO2）从烟气引风机通入水合反应器进行反应，其中，燃煤烟气与水合镁渣浆液的反应用量体积比为2∶1，脱硫反应的温度为40℃，时间为3h。反应完成后排出的灰渣经灰渣泵排出。水合反应器1及时补充水量，保持水容积恒定，系统连续进行脱硫反应。通过实验，采用此方法的水合镁渣浆液的脱硫效率能够达到78%。