肥煤在超声波联合电化学作用下的脱硫效果研究

李时运

(山西煤炭进出口集团有限公司 煤炭销售分公司，山西 太原 030000)

目前，煤炭的燃前脱硫主要是通过洗选方法实现，但其脱硫效果有限，并且主要是脱除单质硫、硫铁矿硫等无机硫，对有机硫基本没有脱除作用。本文在现有理论研究基础上，采用超声波与电化学相结合的方式，对产自陕西神木地区的肥煤进行脱硫试验，探索在这两种辅助手段下肥煤的最佳脱硫条件及脱硫效果，为煤炭燃前脱硫研究提供一定的参考数据。

1 样品及药剂准备

试验煤样为陕西神木地区的-0.5 mm肥煤，煤质基本信息见表1，对样品进行三级浮沉试验，对各级样品的全硫进行测定，见表2.

表1 煤样基本性质分析结果(空气干燥基)表

表2 煤样三级浮沉样品全硫表

由表1可知，所用煤样属于中硫煤，全硫1.39%，其中有机硫为0.58%，无机硫为0.81%. 由表2可知，-1.4 g/cm3密度级样品的硫分为0.67%，高于样品中有机硫的含量，这是由于：1) 有机硫主要集中在煤大分子有机结构中，并以共价键等形式紧密结合，而无机硫则以独立颗粒形式与煤颗粒嵌布，可在重选过程中去除，因此-1.4 g/cm3密度级样品的硫分远低于原煤。2) 部分无机硫组分与煤大分子有机结构的嵌布粒度较细，在重选过程中无法被分离出来，并最终留在轻产物中。这两方面因素共同作用，导致-1.4 g/cm3密度级样品硫分虽远小于原煤样硫分，但同时也高于有机硫在煤样中的含量。

以3种不同氯化物作为电解质进行电化学辅助处理，主要试验药剂见表3.

表3 主要试验试剂表

2 试验分析

采用超声波及电化学两种手段联合进行脱硫试验。试验煤样均使用去离子水配制成浓度为250 g/L的煤泥水，试验容器容积为200 mL. 试验过程中，使用搅拌器以160 r/min的恒速搅拌。电解电压恒定为10 V，电解质使用浓度为0.1 mol/L，电化学处理时间恒定为20 min. 超声波频率40 kHZ，功率50 W. 将处理后的煤泥水过滤，滤饼在105 ℃的恒温烘箱中烘至空气干燥状态后测定其硫分。分别计算其脱硫率η，计算公式见式(1):

(1)

式中：

η—脱硫率，%；

S1—原样硫分，%；

S2—脱硫处理后样品硫分，%.

2.1 超声处理工艺对煤样脱硫效果的影响

以NaCl为电解质进行超声联合电化学处理的脱硫试验，其中电化学处理条件保持恒定。超声波处理时间也保持20 min恒定。在不使用超声处理、电解前进行超声预处理、电解过程中同时超声处理以及电解后进行超声处理4种条件下进行试验，分别测定试验后的样品硫分，结果见图1.

图1 不同超声处理工艺对脱硫效果的影响图

由图1可知，脱硫率最高的条件是电解与超声波辐照同时进行，最高脱硫率达到了66.20%. 单独电解时的脱硫率为23.18%，说明单独进行电化学处理也有一定的脱硫作用。相比之下，在电解前后分别进行超声处理的样品其脱硫率均高于单独电化学处理时的脱硫率，但低于电化学与超声处理同时进行时的脱硫率。这说明电化学与超声波同时作用下，二者在脱硫方面发生了相互促进的作用，大幅改善了脱硫效果。同时，先超声再电化学处理后的样品脱硫率大于先电化学再超声处理后的样品脱硫率。根据已有文献资料可知，超声波在对煤样进行脱硫的过程中存在不同的作用机理：1) 通过空化作用等方式冲击煤岩组分，使其进一步破碎，在这个过程中会有小颗粒的黄铁矿或单质硫等无机硫组分解离出来，并在后续的电化学作用下反应生成可溶性硫化物，最终在过滤过程中脱除。2) 在空化作用下，冲击部分弱化学键，如某些含硫化学键，使其发生断裂形成可溶性硫化物，从而脱除部分有机硫。3) 超声波还可以清洗煤颗粒表面，使其裸露出更多的活化区，从而促进其在电化学反应中的活性。综上所述，当先进行超声波辐照再电化学处理时，上述3种作用可同时对脱硫发挥积极作用；而如果电化学处理后再进行超声波辐照，则清洁煤颗粒表面的作用无法发挥，在超声波冲击作用下解离出的无机硫也无法转化为可溶物脱除，因此脱硫效果相对较差。

对超声波与电化学同时作用后的煤样进行形态硫分析，数据见4.

表4 样品脱硫前后形态硫对比表

由表4可知，在超声波与电化学共同作用下，试验样品中的有机硫和无机硫含量均有所降低，其中无机硫脱硫率明显高于有机硫脱硫率。这一方面可以证明，超声波与电化学联合作用既可以转化溶解掉一部分无机硫，同时也可以对部分含硫化学键实施断键；另一方面也说明，这两种处理手段主要还是针对无机硫起作用，而有机硫中由于部分含硫化学键键能高，稳定性好，使得这部分有机硫很难在这种较温和的反应环境下脱除，在根源上限制了脱硫率的进一步提高。

2.2 电解质种类对煤样脱硫效果的影响

经分析，确定在后续试验中保持超声波与电解过程同时作用，作用时间20 min. 试验先在不使用电解质的条件下进行，再分别选用NaCl，MgCl2和FeCl3作为电解质进行试验，其它试验条件保持不变。测定试验后样品脱硫率见图2.

图2 不同电解质条件下样品脱硫率图

由图2可知，当不使用电解质时，试验条件仍对样品产生了一定的脱硫作用。在试验中观察发现，虽然未添加电解质，但反应溶液中仍表现出了0.2～0.4 A的电解电压。这主要是由于煤样在去离子水中润湿以后，在水流以及机械搅拌等共同作用下，部分导电物质溶于水中，维持了较低强度的电化学反应，产生了一定的脱硫效果。

在所使用的3种电解质中，随着阳离子价态的升高，脱硫率逐渐增加，以FeCl3为电解质时最佳脱硫率已经达到了85.32%. 造成这种差异的主要原因在于，电解质的不同使得电化学反应的强度不同，进而影响了脱硫效果。由于试验中始终保持电解质物质的量浓度不变，当电解质阳离子价态升高后，相同体积中存在的呈游离状态的离子数量增多，导致电流密度增大，阳极反应相应加剧，使反应体系中产生了更多的Cl2等活性基团，这些活性基团与煤中含硫基团反应生成可溶性硫化物，从而达到脱硫效果。因此，在该试验条件下，选择FeCl3作为电解质可以达到最佳脱硫效果，脱硫率为85.32%.

3 结 论

采用单因素试验方法，通过超声波辐照与电化学处理联合作用的方式对-0.5 mm粒级肥煤进行脱硫试验，以优化脱硫工艺，改善脱硫效果，并得到以下结论：

1) 采用超声波联合电化学处理进行脱硫试验时，当以NaCl为电解质，试验时间20 min时，在电化学处理的同时进行超声波辐照的处理工艺可以使这两种手段发挥出最佳的脱硫效果。

2) 在超声波辐照联合电化学处理对肥煤进行脱硫时，以FeCl3为电解质脱硫效果最佳，脱硫率可达85.32%.