有關(guān)氧化鐵基高溫煤氣脫硫劑的發(fā)展研究

嚴(yán)飛鵬 賀娟（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木天元化工有限公司，陜西榆林719319）

有關(guān)氧化鐵基高溫煤氣脫硫劑的發(fā)展研究

嚴(yán)飛鵬 賀娟（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木天元化工有限公司，陜西榆林719319）

隨著社會的發(fā)展，對于煤炭資源的利用需求與日俱增。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電作為燃煤發(fā)電技術(shù)的新趨勢，具有熱效率高和環(huán)保污染低等不可替代的優(yōu)勢。高溫煤氣脫硫是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而脫硫劑的脫硫與再生性能是確保高溫煤氣脫硫效果的核心保障。本文主要以氧化鐵基脫硫劑作為研究對象，探討了國內(nèi)外鐵基脫硫劑的發(fā)展進(jìn)程及思考。

氧化鐵基；高溫煤氣；脫硫劑

能源是社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，我國煤炭資源極為豐富，傳統(tǒng)利用方式不僅造成了對環(huán)境的污染問題，同時能源的轉(zhuǎn)化效率也較為落后，因此提升煤炭資源的利用率勢在必行。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（以下簡稱為IGCC），是目前較為先進(jìn)的煤炭轉(zhuǎn)換技術(shù)。IGCC的原理是煤炭經(jīng)過氣化進(jìn)入凈化環(huán)節(jié)，之后通過燃燒方式進(jìn)而促使燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電。與此同時，排氣所產(chǎn)生了高壓蒸汽會繼續(xù)推動蒸汽機(jī)產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。燃?xì)鈾C(jī)與蒸汽機(jī)的同時工作，最大限度地提升了煤炭資源轉(zhuǎn)化為電能的效率。本文針對研究IGCC中的煤氣凈化階段，由于煤氣化后，會產(chǎn)生大量的污染物質(zhì)，而硫化物作為污染物質(zhì)中的重要危害成分，不僅會對環(huán)境造成危害，而且會腐蝕設(shè)備裝置，因此脫硫凈化成為了IGCC的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)作影響至關(guān)重要。因此，選擇穩(wěn)定、高效和具有再生能力的脫硫劑既是技術(shù)本身的需要，同時也關(guān)乎企業(yè)成本的降低以及經(jīng)濟(jì)效益的提升。

1 對高溫煤氣脫硫劑脫硫原理的闡述

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)在前期需要將煤炭完全氣化，進(jìn)而在高溫(352～1202)℃的狀態(tài)下，利用脫硫劑與硫化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終使硫產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)有效分離。一般來講，煤炭氣化后，其中大部分的硫化物會以硫化氫存在，只有少部分呈現(xiàn)為有機(jī)硫的形式。因此脫硫原理以硫化氫為例，脫硫過程為：金屬氧化物與硫化氫在高溫下反應(yīng)生成金屬硫化物和水，而金屬硫化物經(jīng)過氧化再進(jìn)而生成金屬氧化物和二氧化硫。而二氧化硫是制取硫磺產(chǎn)品的重要輸出原料，其經(jīng)濟(jì)價值極為重要。

2 氧化鐵基高溫煤氣脫硫劑的特點(diǎn)

2.1 氧化鐵基的優(yōu)點(diǎn)

氧化鐵物質(zhì)儲備量大、資源豐富而且在成本方面相對廉價，因此在目前高溫煤氣脫硫中受到了廣泛的應(yīng)用。此外，氧化鐵基脫硫劑還具有脫硫速率高、工藝簡單、高反應(yīng)再生循環(huán)利用能力強(qiáng)、安全可靠以及易于操作等特點(diǎn)，是粗凈化環(huán)節(jié)的首選。

2.2 氧化鐵基的不足

鐵基脫硫劑的脫硫精度較低，對于硫化氫的處理能力較強(qiáng)，而對于有機(jī)硫的脫除能力相對較差，一般脫硫效率僅能達(dá)到75%-85%，而且對于氫氣、水蒸汽和一氧化碳較為敏感，尤其受氧氣和水蒸氣的影響很大，易造成再生過程的晶變粉化現(xiàn)象。此外，長時間高溫循環(huán)后，脫硫效率也會大打折扣。

3 不同高溫煤氣脫硫技術(shù)的比較

3.1 固定床

該工藝對脫硫劑的要求不嚴(yán)，因此適合于脫硫劑顆粒較大的應(yīng)用。然而其反應(yīng)時溫度不易控制，且二氧化硫的穩(wěn)定較差，脫硫劑爆炸的潛在威脅需要引起注意。

3.2 移動床

該工藝的連續(xù)操作性能十分良好，然而要求脫硫劑十分耐磨。同時閥門耐溫和腐蝕問題也不容忽視。目前較為典型的工藝應(yīng)用包括IGC和GE移動床工藝。

3.3 流化床

該工藝的特點(diǎn)是脫硫劑顆粒小，動力反應(yīng)十分迅速，而且接觸性能良好，因此操作處理過程十分便捷和穩(wěn)定。然而其缺點(diǎn)是需要高強(qiáng)度的耐磨脫硫劑，這一方面增加了成本，另一方面對于后續(xù)維護(hù)會帶來一定的難度。

4 氧化鐵基高溫煤氣脫硫劑的發(fā)展衍變

4.1 國外對氧化鐵基脫硫劑的研究

1975年，美國率先研究開發(fā)出氧化鐵脫硫劑，通過高溫固定床試驗(yàn)對硫化氫脫除達(dá)成了將近90%的效率，至此打開了鐵基作為高溫煤氣脫硫劑的開端。而后，鐵基脫硫劑不斷快速發(fā)展升級，美國西弗吉尼亞大學(xué)對鐵脫硫劑進(jìn)行了配比的改良，尤其在還原與硫化動力學(xué)方面又取得了突破性的進(jìn)展，而且提升了高溫狀態(tài)下的脫硫效果。與此同時，日本也抓緊了對氧化鐵脫硫劑的研究，日本Akita大學(xué)和岡山大學(xué)分別采用了鐵基副產(chǎn)品和混合原料法，使得高溫鐵基脫硫劑在降低生產(chǎn)成本的同時，又提高了脫硫的反應(yīng)性能和穩(wěn)定性。而荷蘭Delft大學(xué)運(yùn)用了浸漬法也使得脫硫效率不斷增強(qiáng)。

4.2 國內(nèi)對氧化鐵基脫硫劑的研究

國內(nèi)對氧化鐵脫硫劑的研究進(jìn)步相對晚一些，隨著科技和科研水品的不斷發(fā)展以及國家對煤化產(chǎn)業(yè)的日益重視，近年來，我國對氧化鐵脫硫劑的研究取得了飛躍性地進(jìn)展。首先，華東師范大學(xué)對氧化鐵在高溫脫硫下進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，進(jìn)而得出高溫狀態(tài)下，其還原能力持續(xù)增強(qiáng)，此時高分散的元素鐵是活性硫的主要推動因素，與中低溫完全不同，并且產(chǎn)物為硫化鐵。其次，太原理工大學(xué)煤化所一直專注于對鐵基脫硫劑的研究，其研究重點(diǎn)主要針對于鋼廠赤泥作為脫硫劑的應(yīng)用，研究表明400～600℃的脫硫參數(shù)中，隨著溫度的提升，脫硫效果持續(xù)增強(qiáng)，隨后會趨于平緩和穩(wěn)定，而且在自主產(chǎn)權(quán)專利的研發(fā)中具有極強(qiáng)的代表能力。此外，太原理工大學(xué)盧曉芳等人還設(shè)計(jì)和開發(fā)了有關(guān)鐵錳比的脫硫劑，最終得出氧化錳的還原性高于氧化鐵，尤其是運(yùn)用鐵錳混合脫硫劑中，伴隨著錳比重的增加，還原和脫硫效果會大大增強(qiáng)。

總之，高溫煤氣脫硫劑的選擇不僅僅是氧化鐵，許多金屬氧化物都可以實(shí)現(xiàn)脫硫凈化的目標(biāo)。然而不同脫硫劑都會有各自的利弊，氧化鐵基也是如此。隨著煤化企業(yè)對IGCC的日益重視，鐵基脫硫劑作為脫硫凈化的重要環(huán)節(jié)，也要在技術(shù)上與時俱進(jìn)，不斷開拓創(chuàng)新。而且必須確保脫硫精度以及再生效果的穩(wěn)定，同時不斷提升機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性和脫硫活性，最后還要充分考慮硫回收的效益性。

[1] 樊惠玲.氧化鐵高溫煤氣脫硫行為及助劑影響規(guī)律的研究[D].太原理工大學(xué)博士論文，2004.

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