肥煤在超聲波聯(lián)合電化學(xué)作用下的脫硫效果研究

李時(shí)運(yùn)

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司 煤炭銷售分公司，山西 太原 030000)

目前，煤炭的燃前脫硫主要是通過洗選方法實(shí)現(xiàn)，但其脫硫效果有限，并且主要是脫除單質(zhì)硫、硫鐵礦硫等無機(jī)硫，對(duì)有機(jī)硫基本沒有脫除作用。本文在現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)上，采用超聲波與電化學(xué)相結(jié)合的方式，對(duì)產(chǎn)自陜西神木地區(qū)的肥煤進(jìn)行脫硫試驗(yàn)，探索在這兩種輔助手段下肥煤的最佳脫硫條件及脫硫效果，為煤炭燃前脫硫研究提供一定的參考數(shù)據(jù)。

1 樣品及藥劑準(zhǔn)備

試驗(yàn)煤樣為陜西神木地區(qū)的-0.5 mm肥煤，煤質(zhì)基本信息見表1，對(duì)樣品進(jìn)行三級(jí)浮沉試驗(yàn)，對(duì)各級(jí)樣品的全硫進(jìn)行測(cè)定，見表2.

表1 煤樣基本性質(zhì)分析結(jié)果(空氣干燥基)表

表2 煤樣三級(jí)浮沉樣品全硫表

由表1可知，所用煤樣屬于中硫煤，全硫1.39%，其中有機(jī)硫?yàn)?.58%，無機(jī)硫?yàn)?.81%. 由表2可知，-1.4 g/cm3密度級(jí)樣品的硫分為0.67%，高于樣品中有機(jī)硫的含量，這是由于：1) 有機(jī)硫主要集中在煤大分子有機(jī)結(jié)構(gòu)中，并以共價(jià)鍵等形式緊密結(jié)合，而無機(jī)硫則以獨(dú)立顆粒形式與煤顆粒嵌布，可在重選過程中去除，因此-1.4 g/cm3密度級(jí)樣品的硫分遠(yuǎn)低于原煤。2) 部分無機(jī)硫組分與煤大分子有機(jī)結(jié)構(gòu)的嵌布粒度較細(xì)，在重選過程中無法被分離出來，并最終留在輕產(chǎn)物中。這兩方面因素共同作用，導(dǎo)致-1.4 g/cm3密度級(jí)樣品硫分雖遠(yuǎn)小于原煤樣硫分，但同時(shí)也高于有機(jī)硫在煤樣中的含量。

以3種不同氯化物作為電解質(zhì)進(jìn)行電化學(xué)輔助處理，主要試驗(yàn)藥劑見表3.

表3 主要試驗(yàn)試劑表

2 試驗(yàn)分析

采用超聲波及電化學(xué)兩種手段聯(lián)合進(jìn)行脫硫試驗(yàn)。試驗(yàn)煤樣均使用去離子水配制成濃度為250 g/L的煤泥水，試驗(yàn)容器容積為200 mL. 試驗(yàn)過程中，使用攪拌器以160 r/min的恒速攪拌。電解電壓恒定為10 V，電解質(zhì)使用濃度為0.1 mol/L，電化學(xué)處理時(shí)間恒定為20 min. 超聲波頻率40 kHZ，功率50 W. 將處理后的煤泥水過濾，濾餅在105 ℃的恒溫烘箱中烘至空氣干燥狀態(tài)后測(cè)定其硫分。分別計(jì)算其脫硫率η，計(jì)算公式見式(1):

(1)

式中：

η—脫硫率，%；

S1—原樣硫分，%；

S2—脫硫處理后樣品硫分，%.

2.1 超聲處理工藝對(duì)煤樣脫硫效果的影響

以NaCl為電解質(zhì)進(jìn)行超聲聯(lián)合電化學(xué)處理的脫硫試驗(yàn)，其中電化學(xué)處理?xiàng)l件保持恒定。超聲波處理時(shí)間也保持20 min恒定。在不使用超聲處理、電解前進(jìn)行超聲預(yù)處理、電解過程中同時(shí)超聲處理以及電解后進(jìn)行超聲處理4種條件下進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)定試驗(yàn)后的樣品硫分，結(jié)果見圖1.

圖1 不同超聲處理工藝對(duì)脫硫效果的影響圖

由圖1可知，脫硫率最高的條件是電解與超聲波輻照同時(shí)進(jìn)行，最高脫硫率達(dá)到了66.20%. 單獨(dú)電解時(shí)的脫硫率為23.18%，說明單獨(dú)進(jìn)行電化學(xué)處理也有一定的脫硫作用。相比之下，在電解前后分別進(jìn)行超聲處理的樣品其脫硫率均高于單獨(dú)電化學(xué)處理時(shí)的脫硫率，但低于電化學(xué)與超聲處理同時(shí)進(jìn)行時(shí)的脫硫率。這說明電化學(xué)與超聲波同時(shí)作用下，二者在脫硫方面發(fā)生了相互促進(jìn)的作用，大幅改善了脫硫效果。同時(shí)，先超聲再電化學(xué)處理后的樣品脫硫率大于先電化學(xué)再超聲處理后的樣品脫硫率。根據(jù)已有文獻(xiàn)資料可知，超聲波在對(duì)煤樣進(jìn)行脫硫的過程中存在不同的作用機(jī)理：1) 通過空化作用等方式?jīng)_擊煤巖組分，使其進(jìn)一步破碎，在這個(gè)過程中會(huì)有小顆粒的黃鐵礦或單質(zhì)硫等無機(jī)硫組分解離出來，并在后續(xù)的電化學(xué)作用下反應(yīng)生成可溶性硫化物，最終在過濾過程中脫除。2) 在空化作用下，沖擊部分弱化學(xué)鍵，如某些含硫化學(xué)鍵，使其發(fā)生斷裂形成可溶性硫化物，從而脫除部分有機(jī)硫。3) 超聲波還可以清洗煤顆粒表面，使其裸露出更多的活化區(qū)，從而促進(jìn)其在電化學(xué)反應(yīng)中的活性。綜上所述，當(dāng)先進(jìn)行超聲波輻照再電化學(xué)處理時(shí)，上述3種作用可同時(shí)對(duì)脫硫發(fā)揮積極作用；而如果電化學(xué)處理后再進(jìn)行超聲波輻照，則清潔煤顆粒表面的作用無法發(fā)揮，在超聲波沖擊作用下解離出的無機(jī)硫也無法轉(zhuǎn)化為可溶物脫除，因此脫硫效果相對(duì)較差。

對(duì)超聲波與電化學(xué)同時(shí)作用后的煤樣進(jìn)行形態(tài)硫分析，數(shù)據(jù)見4.

表4 樣品脫硫前后形態(tài)硫?qū)Ρ缺?/p>

由表4可知，在超聲波與電化學(xué)共同作用下，試驗(yàn)樣品中的有機(jī)硫和無機(jī)硫含量均有所降低，其中無機(jī)硫脫硫率明顯高于有機(jī)硫脫硫率。這一方面可以證明，超聲波與電化學(xué)聯(lián)合作用既可以轉(zhuǎn)化溶解掉一部分無機(jī)硫，同時(shí)也可以對(duì)部分含硫化學(xué)鍵實(shí)施斷鍵；另一方面也說明，這兩種處理手段主要還是針對(duì)無機(jī)硫起作用，而有機(jī)硫中由于部分含硫化學(xué)鍵鍵能高，穩(wěn)定性好，使得這部分有機(jī)硫很難在這種較溫和的反應(yīng)環(huán)境下脫除，在根源上限制了脫硫率的進(jìn)一步提高。

2.2 電解質(zhì)種類對(duì)煤樣脫硫效果的影響

經(jīng)分析，確定在后續(xù)試驗(yàn)中保持超聲波與電解過程同時(shí)作用，作用時(shí)間20 min. 試驗(yàn)先在不使用電解質(zhì)的條件下進(jìn)行，再分別選用NaCl，MgCl2和FeCl3作為電解質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，其它試驗(yàn)條件保持不變。測(cè)定試驗(yàn)后樣品脫硫率見圖2.

圖2 不同電解質(zhì)條件下樣品脫硫率圖

由圖2可知，當(dāng)不使用電解質(zhì)時(shí)，試驗(yàn)條件仍對(duì)樣品產(chǎn)生了一定的脫硫作用。在試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，雖然未添加電解質(zhì)，但反應(yīng)溶液中仍表現(xiàn)出了0.2～0.4 A的電解電壓。這主要是由于煤樣在去離子水中潤濕以后，在水流以及機(jī)械攪拌等共同作用下，部分導(dǎo)電物質(zhì)溶于水中，維持了較低強(qiáng)度的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了一定的脫硫效果。

在所使用的3種電解質(zhì)中，隨著陽離子價(jià)態(tài)的升高，脫硫率逐漸增加，以FeCl3為電解質(zhì)時(shí)最佳脫硫率已經(jīng)達(dá)到了85.32%. 造成這種差異的主要原因在于，電解質(zhì)的不同使得電化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度不同，進(jìn)而影響了脫硫效果。由于試驗(yàn)中始終保持電解質(zhì)物質(zhì)的量濃度不變，當(dāng)電解質(zhì)陽離子價(jià)態(tài)升高后，相同體積中存在的呈游離狀態(tài)的離子數(shù)量增多，導(dǎo)致電流密度增大，陽極反應(yīng)相應(yīng)加劇，使反應(yīng)體系中產(chǎn)生了更多的Cl2等活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)與煤中含硫基團(tuán)反應(yīng)生成可溶性硫化物，從而達(dá)到脫硫效果。因此，在該試驗(yàn)條件下，選擇FeCl3作為電解質(zhì)可以達(dá)到最佳脫硫效果，脫硫率為85.32%.

3 結(jié) 論

采用單因素試驗(yàn)方法，通過超聲波輻照與電化學(xué)處理聯(lián)合作用的方式對(duì)-0.5 mm粒級(jí)肥煤進(jìn)行脫硫試驗(yàn)，以優(yōu)化脫硫工藝，改善脫硫效果，并得到以下結(jié)論：

1) 采用超聲波聯(lián)合電化學(xué)處理進(jìn)行脫硫試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)以NaCl為電解質(zhì)，試驗(yàn)時(shí)間20 min時(shí)，在電化學(xué)處理的同時(shí)進(jìn)行超聲波輻照的處理工藝可以使這兩種手段發(fā)揮出最佳的脫硫效果。

2) 在超聲波輻照聯(lián)合電化學(xué)處理對(duì)肥煤進(jìn)行脫硫時(shí)，以FeCl3為電解質(zhì)脫硫效果最佳，脫硫率可達(dá)85.32%.