肥煤在超聲波聯合電化學作用下的脫硫效果研究

李時運

(山西煤炭進出口集團有限公司 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現，但其脫硫效果有限，并且主要是脫除單質硫、硫鐵礦硫等無機硫，對有機硫基本沒有脫除作用。本文在現有理論研究基礎上，采用超聲波與電化學相結合的方式，對產自陜西神木地區的肥煤進行脫硫試驗，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據。

1 樣品及藥劑準備

試驗煤樣為陜西神木地區的-0.5 mm肥煤，煤質基本信息見表1，對樣品進行三級浮沉試驗，對各級樣品的全硫進行測定，見表2.

表1 煤樣基本性質分析結果(空氣干燥基)表

表2 煤樣三級浮沉樣品全硫表

由表1可知，所用煤樣屬于中硫煤，全硫1.39%，其中有機硫為0.58%，無機硫為0.81%. 由表2可知，-1.4 g/cm3密度級樣品的硫分為0.67%，高于樣品中有機硫的含量，這是由于：1) 有機硫主要集中在煤大分子有機結構中，并以共價鍵等形式緊密結合，而無機硫則以獨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密度級樣品的硫分遠低于原煤。2) 部分無機硫組分與煤大分子有機結構的嵌布粒度較細，在重選過程中無法被分離出來，并最終留在輕產物中。這兩方面因素共同作用，導致-1.4 g/cm3密度級樣品硫分雖遠小于原煤樣硫分，但同時也高于有機硫在煤樣中的含量。

以3種不同氯化物作為電解質進行電化學輔助處理，主要試驗藥劑見表3.

表3 主要試驗試劑表

2 試驗分析

采用超聲波及電化學兩種手段聯合進行脫硫試驗。試驗煤樣均使用去離子水配制成濃度為250 g/L的煤泥水，試驗容器容積為200 mL. 試驗過程中，使用攪拌器以160 r/min的恒速攪拌。電解電壓恒定為10 V，電解質使用濃度為0.1 mol/L，電化學處理時間恒定為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后測定其硫分。分別計算其脫硫率η，計算公式見式(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 超聲處理工藝對煤樣脫硫效果的影響

以NaCl為電解質進行超聲聯合電化學處理的脫硫試驗，其中電化學處理條件保持恒定。超聲波處理時間也保持20 min恒定。在不使用超聲處理、電解前進行超聲預處理、電解過程中同時超聲處理以及電解后進行超聲處理4種條件下進行試驗，分別測定試驗后的樣品硫分，結果見圖1.

圖1 不同超聲處理工藝對脫硫效果的影響圖

由圖1可知，脫硫率最高的條件是電解與超聲波輻照同時進行，最高脫硫率達到了66.20%. 單獨電解時的脫硫率為23.18%，說明單獨進行電化學處理也有一定的脫硫作用。相比之下，在電解前后分別進行超聲處理的樣品其脫硫率均高于單獨電化學處理時的脫硫率，但低于電化學與超聲處理同時進行時的脫硫率。這說明電化學與超聲波同時作用下，二者在脫硫方面發生了相互促進的作用，大幅改善了脫硫效果。同時，先超聲再電化學處理后的樣品脫硫率大于先電化學再超聲處理后的樣品脫硫率。根據已有文獻資料可知，超聲波在對煤樣進行脫硫的過程中存在不同的作用機理：1) 通過空化作用等方式沖擊煤巖組分，使其進一步破碎，在這個過程中會有小顆粒的黃鐵礦或單質硫等無機硫組分解離出來，并在后續的電化學作用下反應生成可溶性硫化物，最終在過濾過程中脫除。2) 在空化作用下，沖擊部分弱化學鍵，如某些含硫化學鍵，使其發生斷裂形成可溶性硫化物，從而脫除部分有機硫。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，從而促進其在電化學反應中的活性。綜上所述，當先進行超聲波輻照再電化學處理時，上述3種作用可同時對脫硫發揮積極作用；而如果電化學處理后再進行超聲波輻照，則清潔煤顆粒表面的作用無法發揮，在超聲波沖擊作用下解離出的無機硫也無法轉化為可溶物脫除，因此脫硫效果相對較差。

對超聲波與電化學同時作用后的煤樣進行形態硫分析，數據見4.

表4 樣品脫硫前后形態硫對比表

由表4可知，在超聲波與電化學共同作用下，試驗樣品中的有機硫和無機硫含量均有所降低，其中無機硫脫硫率明顯高于有機硫脫硫率。這一方面可以證明，超聲波與電化學聯合作用既可以轉化溶解掉一部分無機硫，同時也可以對部分含硫化學鍵實施斷鍵；另一方面也說明，這兩種處理手段主要還是針對無機硫起作用，而有機硫中由于部分含硫化學鍵鍵能高，穩定性好，使得這部分有機硫很難在這種較溫和的反應環境下脫除，在根源上限制了脫硫率的進一步提高。

2.2 電解質種類對煤樣脫硫效果的影響

經分析，確定在后續試驗中保持超聲波與電解過程同時作用，作用時間20 min. 試驗先在不使用電解質的條件下進行，再分別選用NaCl，MgCl2和FeCl3作為電解質進行試驗，其它試驗條件保持不變。測定試驗后樣品脫硫率見圖2.

圖2 不同電解質條件下樣品脫硫率圖

由圖2可知，當不使用電解質時，試驗條件仍對樣品產生了一定的脫硫作用。在試驗中觀察發現，雖然未添加電解質，但反應溶液中仍表現出了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，在水流以及機械攪拌等共同作用下，部分導電物質溶于水中，維持了較低強度的電化學反應，產生了一定的脫硫效果。

在所使用的3種電解質中，隨著陽離子價態的升高，脫硫率逐漸增加，以FeCl3為電解質時最佳脫硫率已經達到了85.32%. 造成這種差異的主要原因在于，電解質的不同使得電化學反應的強度不同，進而影響了脫硫效果。由于試驗中始終保持電解質物質的量濃度不變，當電解質陽離子價態升高后，相同體積中存在的呈游離狀態的離子數量增多，導致電流密度增大，陽極反應相應加劇，使反應體系中產生了更多的Cl2等活性基團，這些活性基團與煤中含硫基團反應生成可溶性硫化物，從而達到脫硫效果。因此，在該試驗條件下，選擇FeCl3作為電解質可以達到最佳脫硫效果，脫硫率為85.32%.

3 結 論

采用單因素試驗方法，通過超聲波輻照與電化學處理聯合作用的方式對-0.5 mm粒級肥煤進行脫硫試驗，以優化脫硫工藝，改善脫硫效果，并得到以下結論：

1) 采用超聲波聯合電化學處理進行脫硫試驗時，當以NaCl為電解質，試驗時間20 min時，在電化學處理的同時進行超聲波輻照的處理工藝可以使這兩種手段發揮出最佳的脫硫效果。

2) 在超聲波輻照聯合電化學處理對肥煤進行脫硫時，以FeCl3為電解質脫硫效果最佳，脫硫率可達85.32%.