赤泥脱硫剂强度及耐水性影响因素研究

第３２卷第６期　２０１３年１２月　河南理工大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＮＡＮ　ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１３　赤泥脱硫剂强度及耐水性影响因素研究　马名杰，刘素珍，黄山秀，熊　耀，贾建波　（河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作４５４０００）　摘要：将具有较强碱性的赤泥制成粒状脱硫剂，通过正交试验，考察了烧结温度、烧结时间和添　加剂掺比３个因素对脱硫剂强度和耐水性的影响，并确定最佳制备脱硫剂的方案．结果表明，　烧结温度对赤泥粒状脱硫剂的强度和耐水性影响较显著；烧结时间和添加剂掺比的影响较小，　并且两者影响相当．烧结温度为８００℃、烧结时间为０．５　ｈ、添加剂掺比为２０％的条件下，制得　的脱硫剂强度和耐水性最好．　关　键词：赤泥；脱硫剂；耐水性　中图分类号：Ｘ７５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３　９７８７（２０１３）０６．０７６４－０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｒｅｄ　ｍｕｄ　ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚｅｒ　ＭＡ　Ｍｉｎｇ・ｊｉｅ，ＬＩＵ　Ｓｕ－ｚｈｅｎ，ＨＵＡＮＧ　Ｓｈａｎ—ｘｉｕ，ＸＩＯＮＧ　Ｙａｏ，ＪＩＡ　Ｊｉａｎ—ｂｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ　４５４０００，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ｏｆ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚｅｒ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａ－　ｐｅｒ，ｒｅｄ　ｍｕｄ　ｍａｄｅ　ｉｎｔｏ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚｅｒ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｉｎ—　ｔｅｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ　ｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ・ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ａｎ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｔｅｓｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅ—　ｓｕｌｔ　ｏｆ　ａｎ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｔｅｓｔ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｈａｓ　ａ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚｅｒ　ｔｈａｎ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｏｔｈｅｒｓ　ａｒｅ　ａｌｍｏｓｔ　ｓａｍｅ．Ｔｈｅ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｔ　８００℃．ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ａｔ　０．５　ｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ａｄｄｉ－　ｔｉｖｅｓ　ａｔ　２０％ｗｉｌｌ　ｏｒｇａｎｉｚｅ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｄ　ｍｕｄ；ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚｅｒ；ｗａｔｅｒ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｏ　引　言　目前，广泛使用的脱硫剂主要有钙基脱硫剂、　氨基脱硫剂和钠基脱硫剂，另外，还有其他碱性物　质、活性炭等…．氧化铝工业产生的工业废渣赤　泥，因具有较强的碱性，利用起来比较困难．随着　铝工业的迅速发展，赤泥排放问题越来越严重．早　或Ｈ：ｓ废气的吸收效果较好　．脱硫剂使用过　程中常见的主要问题是耐水性不强，反应器底部　的脱硫剂发生泥化、板结等现象，直接影响其寿　命　．脱硫剂的强度和耐水性评价目前没有国家　标准规范可供参考　．　本文将赤泥制备成粒状脱硫剂，综合参考烟　煤黏结性指数的测定方法（ＧＢ／Ｔ　５４４７－－１９９７）和　工业型煤浸水复干强度的测定方法（ＭＴ／Ｔ７４９—　１９９７），强度用罗加转鼓筛上物百分比表征，将脱　有学者利用赤泥碱性大的特点，将其制成浆液用　于烟气脱硫．研究结果表明，该脱硫剂对含有ＳＯ，　收稿日期：２０１３－０２—１５　作者简介：马名杰（１９６３一），男，山东成武人，高级工程师，主要从事化工、煤炭转化等方面的研究与教学工作　Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｉｎｇｊｉｅ８＠１６３．ＣＯＩｌ１　第６期　马名杰，等：赤泥脱硫剂强度及耐水性影响因素研究　７６５　硫剂浸泡２４　ｈ后烘干用罗加转鼓筛上物百分比　表征耐水性．考察了烧结温度、烧结时间以及添加　剂掺比３个因素对赤泥粒状脱硫剂强度和耐水性　的影响，并对影响因素进行了优化，最终得到强度　和耐水性最好的脱硫剂制备方案．该方案不仅为　赤泥粒状脱硫剂的强度和耐水性能提供参考依　据，而且还能减少污染，对赤泥的有效利用有重要　意义．　１　试验部分　１．１试验用赤泥　试验所用赤泥为河南登封中美铝业拜耳法赤　泥，粒度≤１０　ｍ的占７４．５％．将赤泥作为脱硫　剂，参与脱硫反应的化学成分一方面主要有ＣａＯ，　Ａ１　Ｏ　，Ｎａ　Ｏ，并且含钙系物质在赤泥脱硫过程中　起到较大的作用　；另一方面，赤泥中多数物相　呈碱性，在水溶液中与ＳＯ：进行酸碱中和反应，从　而达到赤泥固硫的目的¨　．因此，本文对试验赤　泥进行了化学成分分析，结果见表１．　表１赤泥主要化学成分　Ｔａｂ．】Ｄｏｍｉｎａｎｔ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓ　０ｆ　ｒｅｄ　ｍｔｕｄ　％　Ｗ（ＣａＯ）Ⅲ（Ａ１２Ｏ３）Ｗ（ＳｉＯ２）Ｗ（Ｆｅ２Ｏ３）Ｗ（Ｎａ２Ｏ）Ｗ（Ｋ２Ｏ）　２８．８０　１７．６０　１９．７０　１９．００　５．７６　２．６１　１．２试验用添加剂　本次试验是采用宁东梅花矿煤泥作为添加　剂，根据煤的工业分析方法，对其进行工业分析，　水分为６．００％，灰分为５６．４１％，挥发分为　１６．２３％，固定碳含量为２１．３６％．试验选用粒径　＜２　ＩＴｌｌｎ的煤泥，分为不同比例，添加到赤泥中．　由于煤泥中含有一定量的碳元素，掺入赤泥　脱硫剂中可以起到造孔的作用，增加其孑Ｌ隙率和　比表面积，提高其吸附气体的能力．另外，煤泥中　大量的灰分，在脱硫剂制备过程中不仅可以起到　支撑骨架作用，而且还能提高其强度和耐水性能．　经ｘ荧光光谱分析其化学成分显示，煤泥灰分中　含有５．６５％的Ｆｅ元素，有学者认为这对赤泥中　ＣａＯ的脱硫过程有较强的催化作用¨　．　１．３　因素水平安排及试验方案　本次试验重点考察煤泥掺比、烧结温度、烧结　时间对赤泥脱硫剂强度和耐水性的影响，每个因　素取４个水平，整个实验过程按正交表（Ｌ１６　（４４））进行实验，不考虑交互作用的影响．正交实　验安排见表２．　按正交试验设计，首先，将预处理后的赤泥与　煤泥按预计比例混合，加入适量水搅拌均匀．取　表２因素水平安排　Ｔａｂ．２　Ｔａｂｌｅ　ｏｆ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　４５　ｇ混合后的样品放入脱硫剂的制作模具中，采　用ＴＹＥ．５０型抗折抗压实验机，在５０　Ｎ／ｓ的速率　下增加压力至３　ｋＮ，压制成直径为２０　ｍｍ的球状　脱硫剂．成型后的脱硫剂放人干燥箱中在１２０　ｏＣ　下干燥４　ｈ后，在马弗炉中按正交试验表中的烧　结温度和烧结时间进行烧结，冷却至室温．　参考烟煤黏结指数的测定方法检测其强度，　将一定质量的赤泥脱硫剂放入罗加转鼓内，采用　６０　ｒ／ｍｉｎ的转速旋转５　ｍｉｎ，停止后将其全部取　出，用２　ｍｍ标准筛筛分，将筛上物的百分比作为　其强度指标．浸泡２４　ｈ干燥后再次检测强度，以　此表征赤泥脱硫剂的耐水性．　２试验结果讨论　２．１　正交试验结果　按正交表规划做１６组试验，结果发现脱硫剂　强度和耐水性规律一致，为了直观明了地综合比　较各组试验的相对优劣，用这２个指标的平均值　来表示综合指标．试验结果见表３．　表３正交试验结果　Ｔａｂ．３　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｔｅｓｔ　％　试验编号　试验结果　试验编号　试验结果　ｌ　７１．Ｏ５　９　９２．４８　２　６１．０７　ｌ０　９Ｉ．９９　３　６５．４７　１１　８５．９５　４　７３．９３　１２　８６．０４　５　９２．２６　１３　９１．Ｏ０　６　８９．２９　１４　９１．Ｏ１　７　９１．４０　１５　９２．６９　８　９３．６Ｏ　ｌ６　９８．１Ｏ　２．２正交试验极差分析　首先，根据极差值分析各因素的影响主次关　系，计算结果见表４．　７６６　河南理工大学学报（自然科学版）　２０１３年第３２卷　表４影响综合指标的各因素极差值　硫剂综合指标的最主要因素．烧结时间与煤泥掺　Ｔａｂ．４　Ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｎｄｅｘ　％　比对综合指标影响的极差大小相当，且都不超过　５％，这两者可以结合能耗与资源的有效利用考虑　其最佳取值．　由表４分析可知，烧结温度对脱硫剂综合指　２．３　正交试验方差分析　标影响的极差值最大，大于２５％，是影响赤泥脱　试验结果的方差分析结果见表５．　表５方差分析　Ｔａｂ．５　Ｖａｒｉａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　由表５可知，烧结温度的Ｆ值介于Ｆ０．０５和　耐水性指标为９２．７１％，试验效果较好．　Ｆ０．０１之间，根据方差分析方法可以判断，烧结温　度对综合指标的影响较显著．而ＦＢ与ＦＣ都远小　３　结　论　于Ｆ０．１，说明烧结时间与煤泥添加比例对综合指　本文对赤泥粒状脱硫剂的制备方案进行了优　标的影响不大，这与前面极差分析结果一致．　化，根据正交实验分析，现得出以下结论．　２．４最佳试验条件选择　（１）赤泥粒状脱硫剂在不同烧结温度、烧结　由于烧结温度是影响赤泥脱硫剂强度和耐水　时间以及添加剂掺比的制备条件下，其综合指标　性的最主要因素，因此，首先对最佳烧结温度进行　有一定的差异，其中烧结温度对这种差异的影响　分析，由图１可以看出，烧结温度在８００～１０００　ｏＣ　最大，而烧结时间和添加剂掺比的影响相当且较　时脱硫剂的综合指标变化不大，试验选择８００　ｏＣ　弱．　为最佳烧结温度．烧结时间对脱硫剂指标的影响　（２）赤泥粒状脱硫剂综合指标在烧结温度达　不大，在试验所用烧结时间内，其强度和耐水性都　到８００℃时就可以达到最大值，并且随着温度的　在８０％与９０％之间，为了降低成本，提高经济效　升高，变化并不明显．在不同的烧结时间与添加剂　益，可以选择较短的烧结时间，即０．５　ｈ作为烧结　掺比的条件下，其强度和耐水性变化更小．　时间．煤泥掺比为１０％时，综合指标出现低点，其　（３）正交实验结果分析以及验证试验数据都　它几个比例对综合指标的影响差异较小，本文考　表明，赤泥脱硫剂在温度为８００　ｏＣ、烧结时间为　虑煤泥的综合利用，选择２０％的煤泥掺比为最佳　０．５　ｈ、添加剂掺比为２０％的制备条件下，强度和　比仍Ｊ．　耐水性都最好．　９５　摹９０　总之，采用该方法制备的脱硫剂脱硫效果还　需要通过实验验证，但从中获得的制备高强度和　耐水性赤泥粒状脱硫剂的方案，为以后做赤泥粒　／ＵＯ　ＵＵ　９００　Ｉ　ＵＵＵ　Ｕ）　１　０　ｌ，　２　０　ＩＵ　Ｊ　ｕ　状脱硫剂的研究提供了参考价值．　烧结温度／℃　烧结时ｒ￣］／ｈ　泥煤掺比　图１　脱硫剂综合指标影响因素直观分析　参考文献：　Ｆｉｇ．１　Ｖｉｓｕａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｒｌ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ　ｆａｃｔｏｒｓ　［１］　阎维平．洁净煤发电技术［Ｍ］．北京：中国电力出版　ｏｆ　ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚｅｒ　社，２００２：４０．　综上所述，在烧结温度为８００　ｏＣ、烧结时间为　［２］　刘福刚．赤泥综合利用技术应用回顾和展望［Ｊ］．化　０．５　ｈ、煤泥掺比为２０％条件下，制备的赤泥脱硫　学＿Ｔ程师，２０１１（６）：４５＿４７．　剂强度和耐水性最好，因此，在该条件下又进行了　［３］　南相莉，张延安，吴易全，等．拜耳赤泥吸收低浓度　验证试验．结果表明，强度指标可以达到９５．９７％，　二氧化硫的研究［Ｊ］．东北大学学报：自然科学版，　第６期　马名杰，等：赤泥脱硫剂强度及耐水性影响因素研究　７６７　２０１０，３１（７）：９８６—９８９．　［４］　王学谦，宁平．氧化铝生产赤泥附液吸收Ｈ，ｓ实验　研究［Ｊ］．云南化工，２００２，２９（４）：７．８．　［５］　张文俊，杨存金，邓久兰，等．几种烟气脱硫剂的脱　硫性能实验［Ｊ］．中国环境监测，１９９９，１５（３）：１１．　１３．　［６］　ＳＡＨＵ　Ｒ　Ｃ，Ｒ　ＰＡＴＥＬＡＮＤＢ　Ｃ．Ｒａｙ，Ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｇｅｎｓｕｌ　ｆｉｄｅ　ｕｓｉｎｇ　ｒｅｄ　ｍｕｄ　ａｔ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　［Ｊ］．Ｆｕｅｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，９２（８）：１５８７—　１５９２．　［７］　郝春来，石洪波，孙志强，等．石脑油脱硫剂性能评　价［Ｊ］．化学工业与工程技术，２０１２，３３（４）：２４—２６．　［８］　巩志坚，王鹏，步学朋，等．常温脱硫剂湿强度的测　（上接第７６３页）　［１　６］ＦＥＲＲＡＮＤＯ　Ａ　Ｃ．Ｃｏａｌ　ｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｈｙｄｒｏ—　ｉｏｄｉｃ　ａｃｉｄ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ａｂ—　ｓｔｒａｃｔｓ，１９９６，３７：３３３．　［１７］ＺＡＶＩＴＳＡＮＯＳ　Ｐ　Ｄ，ＢＬＥＩＬＥＲ　Ｋ　Ｗ，ＧＯＬＤＥＮ　Ｊ　Ａ．　Ｃｏａｌ　ｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ａｌｋａｌｉ　ｍｅｔａｌ　ｏｒ　ａｌｋａｌｉｎｅ　ｅａｒｔｈ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ：　ＵＳ，　４１５２１２０『Ｐ］．１９７９．　［１８］ＨＡＹＡＳＨＩ　Ｊ，ＯＫＵ　Ｋ，ＫＵＳＡＫＡＢＥ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉ０ｎ　ｗｉｔｈ　ｍｏｌｔｅｎ　ｃａｕｓｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ，１９９０，６９：７３９—７４２．　［１９］赵景联，张银元，陈庆云，等．微波辐射氧化法联合　脱除煤中有机硫的研究［Ｊ］．微波学报，２００２，１８　（２）：７９—８４．　［２０］ＪＯＲＪＡＮＩ　Ｅ，ＲＥＺＡＩ　Ｂ，ＶＯＳＳＯＵＧＨＩ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｓｕｌ—　ｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔａｂａｓ　ｃｏａｌ　ｗｉｔｈ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ／　ｐｅｒｏｘｙａｃｅｔｉｃ　ａｃｉｄ　ｗａｓｈｉｎｇ　ａｔ　２５，５５　ａｎｄ　８５［Ｊ］．Ｆｕ—　ｅｌ，２００４，８３：９４３—９４９．　定方法和装置［Ｊ］．煤气与热力，２００４，２４（２）：７８—　７９．　［９］　黄芳，李军旗，赵平源，等．拜耳赤泥脱硫工艺的应　用基础研究［Ｊ］．有色金属，２０１０，６２（３）：１４９—１５１．　［１０］杨国俊，于海燕，李威，等．赤泥脱硫的工程化试验　研究［Ｊ］．轻金属，２０１０（９）：２６—２９．　［１１］庞亚军，施学贵，徐旭常．掺加粉煤灰提高含钙脱硫　剂的烟气脱硫率的实验研究［Ｊ］．工程热物理学报，　１９９２，１３（４）：４４３－４４７．　（责任编辑　杨玉东）　［２１］程荣，丘纪华，游君．煤粉粒径对微波脱硫过程的影　响［Ｊ］．华中科技大学学报：自然科学版，２００２（１）：　９３．９５．　［２２］ＺＡＶＩＴＳＡＮＯＳ　Ｐ　Ｄ．Ｃｏａｌ　ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｍｉｃｒｏ—　ｗａｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ［Ｒ］．Ｕ．Ｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ａ—　ｇｅｎｃｙ，１９７８：２６１—２７８．　［２３］丁乃东，傅家伟，李兆鑫，等．微波驱动的煤炭脱硫　研究［Ｊ］．洁净煤技术，２０１０（４）：４９－５１．　［２４］盛宇航，陶秀祥，许宁．煤炭微波脱硫影响因素的试　验研究［Ｊ］．中国煤炭，２０１２（４）：８０．８２．　［２５］杨笺康，任皆利．煤微波脱硫及其与试样介电性质　的关系［Ｊ］．华东化工学院学报，１９８８，１４（６）：７１３—　７１　８．　（责任编辑郭倩倩）