脫硫脫硝炭原料煤煤質特性研究

方 娜

（太原理工大學，山西 太原 030024）

0 引言

脫硫脫硝炭是一種具有吸附劑和催化劑雙重性能的特殊活性炭。它具有活性炭的特點，吸附和催化性能良好，化學性能穩定，能夠再生，可重復利用；同時，又克服了活性炭價格高、機械強度低、易粉碎的缺點。由于脫硫脫硝炭具有較低的價格，較高的機械強度，較好的吸附性能和催化活性，因此在環境水、氣污染治理領域，尤其能夠對煙氣中含有的SO2、NOx 及重金屬進行聯合脫除。隨著環保要求的日益提高，脫硫脫硝炭煙氣脫硫技術受到越來越多國家的重視。

大同侏羅紀煤屬于弱黏煤，絲炭含量可達14%～35%，低灰、低硫，儲量豐富，是生產煤基活性炭的優質煤種；同時，侏羅紀煤的價格比石炭紀煤的價格便宜。由于前些年的過度開采，大同侏羅紀煤留存狀況令人堪憂。本研究針對大同侏羅紀煤炭資源賦存現狀，研究用于制備性能優良的脫硫脫硝活性焦產品的優質原料煤特征，確定用于制備活性炭的優質原料煤煤種，選定煤源地后以便于保護性開采。

本研究選取大同煤礦集團公司忻州窯、晉華宮、杏兒溝、云岡礦和煤峪口礦2#煤樣作為小試煤樣。

1 脫硫脫硝炭小試實驗裝置

脫硫脫硝炭小試實驗裝置主要包括脫硫脫硝炭制備裝置及產品分析檢測裝置兩部分。

1.1 脫硫脫硝炭制備裝置

脫硫脫硝炭制備工藝主要實驗設備包括破碎機、磨粉機、捏合機、成型機、實驗室用外熱式回轉爐。

1.2 脫硫脫硝炭分析檢測裝置

脫硫脫硝炭主要考察的指標有碘值、硫容、堆積重和強度，其作用見表1。

表1 脫硫脫硝炭主要考察指標

2 脫硫脫硝炭小試實驗過程

根據選定的工藝路線，脫硫脫硝炭小試實驗過程主要包括磨粉、捏合、成型、干燥、炭化、活化6 個工序(見圖1）。由小試試驗得出的脫硫脫硝炭性能指標見表2。

圖1 大同煤制備脫硫脫硝炭工藝流程

表2 脫硫脫硝炭性能指標

3 脫硫脫硝炭原料煤煤質特性

本研究對同煤集團忻州窯、晉華宮、杏兒溝、云岡礦和煤峪口礦2#共5 個煤樣的煤質進行分析。

從表3 中可以看出，5 個小試煤樣的灰分與能否制備出性能良好的活性焦之間沒有明顯的關系，沒有制備出合格活性焦的杏兒溝煤樣的灰分為6.75%，比其他3 個制備出合格活性焦的煤樣（忻州窯、云岡礦和煤峪口礦2#）的灰分略高，比晉華宮礦煤樣的灰分10.23%要低很多。但是原料煤的灰分還是影響活性炭性能的一個重要指標，一般要求用于活性炭生產的原料煤灰分要小于10%。從表3 中還可以看出，沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的水分含量為5.58%，遠遠高于其他4 個制備出合格活性焦的煤樣，因此原料煤的水分是一個影響活性焦性能的重要指標。同時，沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的揮發分為26.90%，雖然比忻州窯、云岡、晉華宮礦3 個煤樣的揮發分高，但卻比煤峪口礦2#煤樣的揮發分29.65%要低，因此原料煤的揮發分也無法作為影響活性焦性能的指標。

表3 小試5 個煤樣工業分析數據與脫硫脫硝炭性能指標

從表4 中可以看出，5 個小試煤樣的碳含量、氫含量、氮含量與能否制備出合格活性焦之間沒有明顯關系，沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的碳含量77.96%，比制備出合格活性焦的忻州窯礦（碳含量為81.77%）、云岡礦（碳含量為80.45%）、煤峪口礦2#（碳含量為81.36%）煤樣的碳含量要低，卻比晉華宮礦煤樣（碳含量為75.13%）的碳含量要高；沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的氫含量為3.64%，比能制備出合格壓塊炭的忻州窯礦（氫含量為4.05%）、云岡礦（氫含量為4.15%）、煤峪口礦2#煤樣（氫含量為4.90%）的氫含量要低，但卻比晉華宮礦煤樣（氫含量為3.63%）的氫含量略高；沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的氮含量為0.68%，比能制備出合格活性焦的晉華宮礦（氮含量為0.71%）、云岡礦（氮含量為0.72%）、煤峪口礦2#煤樣（氮含量為0.83%）的氮含量要低，但卻比忻州窯礦煤樣（氮含量為0.64%）的氮含量高。沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的硫含量為0.25%，均低于其他4 個制備出合格活性焦煤樣的硫含量。硫在活性炭生產中是有害元素，作為生產活性焦的原料煤，硫含量應該是越低越好。從表4 中還可以看出，沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的氧含量為10.72%，比能制備出合格活性焦的忻州窯礦（氧含量為6.05%）、晉華宮礦（氧含量為9.80%）、云岡礦（氧含量為8.60%）、煤峪口礦2# 煤樣（氧含量為7.49%）的氧含量都高，因此原料煤的氧含量是一個影響活性焦性能的重要指標。

表4 小試5 個煤樣元素分析數據與脫硫脫硝炭性能指標

此外，雖然沒有制備出合格活性焦的杏兒溝煤樣的硫含量在5 個小試煤樣中硫含量最低，但由于硫在活性炭生產中屬于有害物質，污染環境，腐蝕設備，影響產品質量，因此原料煤的硫含量也應該作為一個影響活性焦性能的重要指標，應該越低越好。

從表4 中可以看出，在煤樣中（Fe2O3+CaO +MgO+K2O +Na2O）總含量依次為：晉華宮礦50.07%、忻州窯礦46.10%、煤峪口礦2#11.04%、云岡礦8.35%，杏兒溝礦最低、為7.35%。因此，原料煤灰成分中（Fe2O3+CaO+MgO+K2O +Na2O）總含量可以作為能否制備出合格活性焦的一個指標。

從第15 頁表5 中可以看出，原料煤中Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O 等對活化過程都有一定影響，其中Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等堿金屬對水蒸汽活化過程有一定的催化作用，可以催化煤中碳與水蒸汽的反應，加快反應速率，提高活化爐的產量。

表5 小試5 個煤樣灰成分分析數據與脫硫脫硝炭性能指標

從表6 中可以看出，在850℃條件下，沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的α 平均值為9.4%，僅低于制備出合格活性焦的忻州窯礦煤樣（α 平均值為11.75%），而遠遠高于其他3 個制備出合格活性焦煤樣的α 平均值，依次為：煤峪口礦2#5.0，云岡礦4.3，晉華宮礦2.4。因此，原料煤CO2反應活性與能否制備出合格活性焦之間沒有明顯關系。

從表7 中可以看出，原料煤的可磨性、精煤回收率、黏結指數、焦渣特征與能否制備出合格活性焦之間沒有明顯關系。沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的可磨性為62，比制備出合格活性焦的忻州窯礦煤樣（可磨性為64）的略低，但高于晉華宮礦煤樣（可磨性為61）、云岡礦煤樣（可磨性為55）、煤峪口礦2#煤樣（可磨性為44）；沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的精煤回收率為83%，低于煤峪口礦2#煤樣，與晉華宮礦煤樣相當，高于忻州窯和云岡礦煤樣；沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的黏結指數為0，與忻州窯、晉華宮、云岡礦煤樣的相當，低于煤峪口礦2#煤樣；沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的焦渣特征為4，與其他制備出合格活性焦的4 個煤樣相當。

表6 小試5 個煤樣CO2 反應性與脫硫脫硝炭性能指標

表7 小試5 個煤樣可磨性、精煤回收率、粘結指數、焦渣特征

4 結論

通過以上脫硫脫硝炭性能指標與脫硫脫硝炭原料煤煤質特性分析，可以得出以下結論：

①原料煤的水分是決定其能夠制備出合格脫硫脫硝炭的一個重要指標，原料煤的水分應盡量控制在2%左右；

②原料煤的氧含量也是決定其能夠制備出合格脫硫脫硝炭的一個重要指標，原料煤的氧含量最好不要超過10%；

③原料煤灰成分中（Fe2O3+CaO+MgO+K2O +Na2O）總含量也是決定其能否制備出合格脫硫脫硝炭的一個重要指標，總含量應不低于8%；

④原料煤灰分含量高會影響活性炭產品的機械強度，影響活性炭的孔隙結構，降低活性炭的吸附能力，使活性炭產品雜質增加，限制了活性炭產品的應用領域，因此原料煤的灰分越低越好；

⑤硫在活性炭生產中屬于有害物質，因此原料煤的硫含量也是一個重要指標，作為制備脫硫脫硝炭的原料煤，硫含量越低越好。