Fabrication and Application of Coal Additive by Using Pollutants Containing Toxic Hexavalent Chromium

Compounds for Protecting Environment and Saving Fuels*

Jiachang LIANG1,Xuelan HU2, Yinnan Yu1,Shouyi WEI1, Dochui XIONG1, Baochen LIANG1

1 College of Science, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China 2 Sino-European Institute of Aviation Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China

Email:jch_liang@yahoo.com

Abstract: Coal additives have long been widely applied, because they can save fuels and decrease emissions of SO2 and ashes. In this work the coal additive for protecting environment and saving fuels was fabricated by using a large amount (82%) of toxic wastes containing hexavalent chromium compounds and a small amount (18%) of other oxidant, catalyst-accelerator, desulphurizer and de-ash agent. These toxic pollutants can be converted into useful raw materials, because the toxic hexavalent chromium is of a strong oxidant. Several relative principles were discussed, including the hexavalent chromium in the coal additive was sufficiently reduced to stable and no toxic trivalent chromium by carbon through coal burn at high temperature, the fuels were saved and the emissions of SO2 and ashes were decreased. Therefore, this is a coal additive for protect-ing environment and saving fuels with a low price and high efficiency.

Keywords: coal additive; toxic pollutants; hexavalent chromium; desulphurization.

利用有毒铬渣的环保节能燃煤添加剂的生产与应用

梁家昌 1，胡雪兰 2，于英男 1，魏守义 1，熊大粹 1，梁宝臣 1

1 中国民航大学理学院，天津，中国，300300 2 中国民航大学中欧航空工程学院，天津，中国，300300

Email:jch_liang@yahoo.com

摘要：燃煤添加剂的广泛应用已经有很长时间了，因为它可以节省燃料并减少 SO2 与粉尘的排放。本

文则是利用有毒的含有六价铬的工业污染物作为主要原料（占 82%），再加少量（占 18%）的其他氧化

剂、助催化剂、脱硫剂和消尘消烟剂制成了环保节能的燃煤添加剂。因为有毒的六价铬是强氧化剂，

所以这种污染物可成为有用的资源。文中讨论了一些相关的原理，包括煤在高温燃烧时燃煤添加剂中

的六价铬被碳充分地还原成稳定无毒的三价铬的原理，节约燃料与减少 SO2与烟尘排放的原理，所以这

是一种廉价而高效的环保节能的燃煤添加剂。

关键词：燃煤添加剂；有毒的污染物；六价铬；脱硫

1 引言 燃煤添加剂的制造与使用已有很长的历史。它们

通常是由氧化剂、燃烧催化剂、助催化剂、固硫剂、

脱灰脱烟剂等组成，达到节煤、固硫、除尘等目的[1-5]。

用铬铁矿生产重铬酸钾、钠及酪干是普遍采用的

方法，但生产过程中残留的废渣则是含有对人畜有剧

毒的六价铬的铬渣，它会严重污染土壤水源与空气。

例如2006年2月报道了青海省西宁市湟中县的鑫飞化

工有限责任公司生产铬盐而导致工业废料铬渣严重污

染水源与环境的事故，所以治理铬渣无害化是一个令

人关注的问题。

*天津市科技发展重点攻关项目（013105311<1>） 中央高校基本科研业务费（ZXH2009C004）

动与中国民航大学博士科研启 基金（09QD06X 资） 助。

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张平等[6]曾提出铬渣治理与综合利用，他们通过

干法与湿法解毒铬渣后，用来制作玻璃着色剂，钙镁

磷肥，钙铁粉，人造骨料，制砖，制彩色水泥等产品，

但由于铬渣未经高温充分燃烧，会导致二次污染。

文献[7]用 (n=1~7)，Fecl2，MnSO4

等与铬渣一起，用冶炼或煅烧的方法，把铬渣中有毒

的六价铬还原成无害的三价铬，然后把它用作建筑材

料。这个方法未能利用六价铬是强氧化剂的这个特性。

我们则充分利用六价铬是一种强氧化剂的性能，以天

津市同生化工厂生产铬酐过程中所残留的毒性废渣

（其中对人畜有剧毒的六价铬的含量，换算成 CrO3

来计算，约 0.5%，超过国家规定的允许排放量上千倍）

作为主要原料（占 82%）再辅以少量（占 18%）的其

他氧化剂、燃烧催化剂、助催化剂、固硫剂、消尘消

烟剂及防结焦剂制成了新型的环保节能的燃煤添加剂[8]。把这种有毒的工业废料作为资源来制备无公害的

环保型产品具有重要的意义。

4 2FeSO nH O

2 生产工艺

先把铬渣烘干、粉碎，然后按重量百分比把下述

组分混合：

铬渣 82%，氧化钙 5.5%，氧化镁 2%，二氧化硅

1%，氯化钠 5%，软锰矿精粉 1%，高锰酸钾 0.5%，

石油树脂 3%。然后再粉碎，筛选，包装。该产品为固

体粉末，呈灰褐色，堆密度为 1.8~2.4kg/dm3，可溶物

含量≥15%。

3 原理

3.1 六价铬的无害化原理

把上述的燃煤添加剂与煤粉以 1：100 比例混合均

匀，在锅炉中高温燃烧时，六价铬就会被过量的碳还

原为无害的不溶于水的三价铬的化合物。相关反应如

下： O400 500 C

2 2 74Me Cr O 2 4 2 34 2 23Me CrO Cr O O (1)

2C+O CO燃烧2

2 4 2 2 34Me CrO +3C 4Me O+2Cr O +3O高温

(2)

2

3

(3)

反应（1）为自氧化还原分解分应，部分六价铬还

原为三价铬的氧化物。Me 为 K、Na 盐。反应（2）表

示反应（1）生成的氧更易与还原性较强的碳反应，生

成二氧化碳。反应（3）表明，在更高温度下，铬酸盐

被碳直接还原为三价铬的氧化物。反应的最终结果是

生成 Cr2O3与 CO2。

可见，在高温燃炉内会使六价铬还原为三价铬，

并促进碳的氧化，提高燃煤的利用率。由于锅炉中碳

永远是过量的，且六价铬的氧化性强于氧气，使六价

铬变为三价铬的反应能进行得很完全。三价铬的氧化

物 Cr2O3 难溶于水，无毒无害，在大气中非常稳定。

这样就可消除六价铬的毒害性。

3.2 节煤原理

在我们的燃煤添加剂中，除六价铬是强氧化剂外，

还含有其他氧化剂、助燃剂、煤燃烧催化剂、助催化

剂、固硫剂及防结焦剂。煤的组成复杂，其可燃成分

包括碳氢化合物的挥发份及大量的碳，其燃烧过程为：

（4）

氧化剂的存在促进了挥发份及碳的氧化并放出能

量。催化剂的存在，又可有效地加快反应速度，其效

应是使预燃段明显提前，燃烧速度明显加快，燃料在

燃烧室内充分燃烧放热，炉堂温度大幅提高，从而提

高了燃炉的热效率，降低了灰、渣中的残炭量，提高

了燃煤的利用率，达到了节煤的目的

3.3 固硫原理

煤中的硫主要以无机硫或有机硫的形式存在。在

煤的燃烧过程中，大部分硫化物被氧化成 S02。我们

所采用的方法属于干法固硫。其基本原理是在燃煤添

加剂组分中加有促进 SO2转化为 SO3的催化剂，然后

使之与碱土金属氧化物化合成难以分解的硫酸盐，固

化于炉渣中，从而降低燃炉烟气中 SO2的排放量。在

通常情况下，SO2 氧化成 SO3 进行得极为缓慢，但在

高温并有催化剂存在的情况下，反应的进行就变得容

易和迅速。本燃煤添加剂中的催化剂以铬的氧化物为

主，辅以其他催化剂及助催化剂，便易于产生如下反

应 ,

2 2SO +1/2O SO高温 催化剂 (5)

生成的 SO3则极易与添加剂及煤中的碱土金属氧

化物生成难于分解的硫酸盐，沉积于炉渣中，实现固

硫的目的

2 2CO H O 燃烧挥发份 其他

2CO CO 氧化 燃烧碳 残渣 残渣

煤

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3.4 其他

由于在我们的添加剂中加有防结焦剂，从而改变

了焦渣的熔融温度，并使焦渣松软易落，有效地防止

了燃炉结焦。

4. 现场测试

（1）在酒泉钢铁公司一轧厂的 48.6m2 的煤粉连

续加热炉中，使用本燃煤添加剂后，由当地环保机构

多次测量给出的剩余六价铬的含量为：

炉渣中的 Cr6+≤0.015mg/l；

烟道灰中的 Cr6+≤0.015mg/l；其节煤率为 8%；除硫效

率为 25.9%（炉内温度低于 1200C）；除尘效率为 7.1%；

炉渣流动性变好，结焦现象明显改善。

（2）在静海热电厂 2 号炉使用本燃煤添加剂后，

由天津市理化分析中心多次测量给出的剩余六价铬的

含量为：

炉渣中 Cr6+≤0.092mg/l；

除尘器下料口烟道灰中 Cr6+≤0.86mg/l。

其满负荷的热效率可提高至 89.91%，而该锅炉的

设计热效率则为 90.67%，所以使用本燃煤添加剂可使

该锅炉的热效率接近设计值；锅炉炉温可提高 100℃

左右；其固硫效率只提高 4%，这是因为该炉炉温高达

1400℃，使干法固硫的效率明显下降；除尘效率为

15%；防结焦现象明显。

（3）在天津理工学院化工厂的 LSGW-7 型的 1

号锅炉使用本燃煤添加剂后，其节煤率达 12.7%；除

硫率为 30%。

在国家规定的 GB5085.3-1996 的《危险废物鉴别

标准》中，六价铬侵出毒性鉴别标准值为 1.5mg/l。可

见在燃煤中以 100:1 来使用本燃煤添加剂后，燃炉灰

与渣中 Cr6+的残留量均明显低于国家规定的允许排出

量。因此采用煤粉高温燃烧来还原燃煤添加剂中的六

价铬为无毒无害的三价铬氧化物，达到一次性彻底治

理铬渣污染是完全可行的。同时也有明显的节能、固

硫、除尘、防结焦的功能，达到了环保节能的目的。

5 结论

我国有不少工厂均利用铬铁矿来生产重铬酸钾、

钠与铬酐，用本发明来处理这些工厂的铬渣是可行的。

印度、俄罗斯是生产与出口这些产品的大国，所以本

发明预期在国内外会有较广泛的应用前景。

我国在青海、甘肃与西藏一带，有丰富的铬铁矿，

用来生产铬盐，不但能满足国内需要，同时还可大量

出口，其工业废料铬渣可用来生产环保节能的燃煤添

加剂，再与煤矿、发电厂联合经营，使劣质煤的煤粉

也能用来发电。这样的循环经济会有助于西北的发展。

References (参考文献)

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978-1-935068-16-7 © 2010 SciRes.