循环流化床锅炉灰渣酸浸Al2O3溶出率研究
摘 要：为了探寻煤矸石燃烧后灰渣的活性并进一步扩展其应用，对不同运行条件下循环流化床锅炉灰渣进行化学成分分析。采用20%盐酸酸浸和74 μm超细活化，分析锅炉运行温度即燃烧温度以及灰渣粒度对其Al2O3溶出行为的影响。结果表明：除尘灰和炉渣中，Al2O3含量达25%以上，SiO2含量可达35%。此外，氧化铝的溶出率随着锅炉运行温度的升高而降低，当锅炉运行温度为800～900 ℃时，铝溶出率大于52%;锅炉运行温度高于900 ℃时，铝溶出率降至26%～40%。随着灰渣粒度的减小，其活性增强，Al2O3溶出率可由68%提高至93%左右。
关键词：循环流化床;灰渣;酸浸;Al2O3；溶出
0 引 言
循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。循环流化床锅炉燃料适应性广，可以利用煤矸石燃烧释放的热量发电，与其他燃烧方式相比，循环流化床锅炉燃烧温度较低，在850～950 ℃，这个温度可以有效控制煤矸石燃烧产生的氮、硫氧化物的释放[1-2]。同时，采用循环流化床燃烧煤矸石等低热值煤，因其灰分通常较高，故其产生的灰渣量较常规煤粉炉更多。循环流化床锅炉灰渣是我国排放量巨大的粉煤灰中的一类，它不仅占用大量土地,还存在潜在的严重环境污染问题[3-5]。目前，国内外的粉煤灰主要应用在建筑、建材、交通和土壤改良等方面(只有少部分用于环保和化工工业)[6-7]。建筑、交通等行业虽然消耗较多粉煤灰，但是粉煤灰潜在价值未能得到充分利用(经济效益不高)[8-9]。因此，大力开发粉煤灰的高附加值产品是今后粉煤灰资源化利用技术研究的主要方向[10]。粉煤灰中含有很多有用的物质，其中氧化铝的质量分数一般为 20%～35%，最高可达50%左右，可代替铝土矿成为一种很好的氧化铝资源[11-12]。本次研究探讨不同运行条件下循环流化床锅炉灰渣直接酸浸和活化研磨酸浸Al2O3溶出率，对灰渣提铝高值利用有重要意义[13-15]。
1 调研电厂的基本情况
山西省现役低热值煤发电企业共计23家，发电装机容量641.5万kW，占全省火力发电装机13%;低热值煤发电单台装机13.5万kW有8家，共计229.5万kW，占到低热值煤发电装机容量36%。本研究选定正常运行的12家低热值煤发电厂所产生的除尘灰和炉渣作为研究对象，基本情况见表1。
2 试 验
2.1 试验原料及处理方法
将采集的样品在避免污染的条件下，放置于阴凉、通风处自然风干，用行星式球磨机(南京大学仪器厂，QM-3SP2)将炉渣磨碎至198 μm以下，封于自封袋中保存。采用X射线荧光分析(荷兰帕纳科，PW 4400型)对各个试验样品进行元素分析。
2.2 化学浸取方法及条件
试验样品用20%盐酸浸取2 h，酸浸温度为20%盐酸和水的共沸点(106 ℃)，固液比为1∶3，反应完成后固液分离;在pH=4.5～5.0时，采用EDTA与铝离子络合，以酚酞指示剂(PAN)为指示剂，用硫酸铜标准滴定溶液回滴过量EDTA溶液的方法分析滤液中铝离子含量;根据滤液中铝离子含量以及X射线荧光光谱分析仪(XRF)分析所得原料中Al2O3的含量，计算其溶出率。
表1 山西省主要低热值煤发电厂装机情况
Table 1 Condition of main power plants using low calorific coal in Shanxi province
3 试验结果与分析
3.1 循环流化床电厂的灰渣化学成分
循环流化床电厂的灰、渣中Al2O3含量及其化学组成见表2～5。
表2 不同低热值煤发电厂除尘灰的Al2O3质量分数
Table 2 Al2O3 contents of ash derived from different power plants of low calorific coal %
表3 不同低热值煤发电厂除尘灰的化学组成
Table 3 Chemical compositions of dust derived from different power plants of low calorific coal %
表4 不同低热值煤发电厂炉渣的Al2O3质量分数
Table 4 Al2O3 contents in slag derived from different power plants of low calorific coal %
表5 不同低热值煤发电厂炉渣的化学组成
Table 5 Chemical compositions of slag derived from different power plants of low calorific coal %
从表2～5可以看出，低热值煤发电所产生的除尘灰和炉渣中，氧化铝含量高达30%以上，基本可达25%以上，氧化硅含量根据炉内脱硫情况，大部分可达40%以上，仅有少量因氧化钙含量大于15%致使硅含量较低，因此循环硫化床灰和渣具有一定的工业应用价值。
3.2 不同电厂灰渣酸浸Al2O3的溶出率
对粉煤灰样品进行化学浸取，根据滤液中铝离子的含量以及XRF分析所得原料中Al2O3的含量计算其溶出率。图1为不同低热值煤发电所产生的除尘灰和炉渣中Al2O3的溶出率。
图1 不同低热值煤发电厂产生除尘灰与炉渣的Al2O3溶出率
Fig.1 Dissolution of Al2O3 of ash and slag derived from different power plants using low calorific coal
从图1可以看出：低热值煤发电所产生的除尘灰和炉渣经盐酸酸浸后，分别可使其中26%～68%和4%～70%的Al2O3溶出，造成溶出率差异的主要原因是不同电厂所采用的锅炉结构和燃烧温度不同。炉渣酸浸结果与除尘灰酸浸结果规律相似，当锅炉运行温度高于900 ℃以上时，铝提取率为26%～40%;当运行温度为800～900 ℃时，铝溶出率大于52%。而灰和渣不同之处在于，炉渣的溶出率随锅炉运行温度变化规律不及除尘灰随锅炉运行温度变化规律明显，主要原因是炉渣实际受热温度更容易受电厂锅炉操作情况和设备内温度分布等因素的影响;不同电厂粉煤灰由于成分不同，燃烧控制条件不同，吕梁方山电厂和平朔煤矸石电厂循环流化床所产除尘灰和炉渣的酸溶活性较高，均可达到66%以上，与一般煤矸石直接热活化的效率接近。
3.3 超细活化灰酸浸Al2O3的溶出率
虽然循环流化床直接燃烧煤矸石可得到活化灰渣，但Al2O3提取率仍然较低，最高仅70%，为了进一步提高氧化铝提取率，连续一周取朔州煤矸石电厂燃烧灰渣并进行超细活化至74 μm。取1 000 mg超细灰，用20%的盐酸2 400 mL浸取，测试Al2O3溶出率达93%左右。
4 结 论
1)低热值煤发电所产生的除尘灰和炉渣中，氧化铝含量均可达25%以上，氧化硅含量均可达35%以上，具有一定的工业应用价值。
2)不同电厂所采用的锅炉结构和燃烧温度不同。炉渣酸浸Al2O3溶出率与锅炉运行温度相关，锅炉运行温度高于900 ℃以上时，铝溶出率为26%～40%;当运行温度为800～900 ℃时，铝溶出率大于52%。
3)炉渣中Al2O3的溶出率随锅炉运行温度变化规律不如除尘灰随锅炉运行温度变化规律明显。分析原因是炉渣受热温度干扰因素较多，锅炉运行温度不能真实反映炉渣实际受热温度。
4)循环流化床锅炉除尘灰经过进一步超细活化后，Al2O3溶出率可由未超细活化前的68%提高至93%左右。
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Dissolution rate of Al2O3 of ash and slag from circulating fluidized bed boiler
Abstract:In order to investigate the activity of fly ash and slag derived from the burning process of coal gangue and further extend their application,the chemical compositions of ash and slag from circulating fluidized bed boiler (CFB) was analyzed.The effect of burning temperature and particle size on the Al2O3dissolution of ash and slag was studied by 20% hydrochloride acid (HCl) leaching and ultrafine activating.The results show that the contents of Al2O3 and SiO2 in the ash and slag are 25% and 35%,respectively.In addition,the dissolution of Al2O3decreases with the increase of burning temperature of coal gangue in CFB.The dissolution of Al2O3 exceedes 52% when the burning temperature is 800-900 ℃.While the dissolution of Al2O3 decreases to 26%-40% when the burning temperature increases up to 900 ℃.The dissolution of Al2O3 could be increased from 68% to 93% when the particle size decrease from 198 μm to 74 μm.
Key words:circulating fluidized bed (CFB);slag;acid leaching;Al2O3;dissolution
中图分类号：TK229.6
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)06-0090-04
收稿日期：2017-05-03;责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.06.017
基金项目：山西省科技重大专项资助项目(MC2016-05)
引用格式：吴海滨，薛芳斌，崔岩巍,等.循环流化床锅炉灰渣酸浸Al2O3溶出率研究[J].洁净煤技术，2017，23(6)：90-93.
WU Haibin，XUE Fangbin，CUI Yanwei,et al.Dissolution rate of Al2O3 of ash and slag from circulating fluidized bed boiler[J].Clean Coal Technology，2017，23(6)：90-93.
