超聲波聯合助劑脫除煤中硫的試驗研究

曾維晨，陶秀祥,2，蔣 松，許 寧，亢 旭

(1.中國礦業大學化工學院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

超聲波聯合助劑脫除煤中硫的試驗研究

曾維晨1，陶秀祥1,2，蔣 松1，許 寧1，亢 旭1

(1.中國礦業大學化工學院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

在添加助劑CH3COOH和 H2O2的條件下，研究了山西焦煤超聲波聯合化學助劑脫硫的影響因素及其最優條件。采用單因素試驗法分別考察了煤樣粒度、超聲波功率、助劑配比、固液比以及超聲波處理時間等因素對煤炭脫硫效果的影響，并分析確定了最佳脫硫條件。結果表明：在煤樣粒度為0.125～0.074mm，超聲波功率為600 W，CH3COOH和H2O2體積比為1∶1，煤樣與助劑固液比為1∶14.8的條件下處理10min，煤樣的脫硫率達到19.27%，其中有機硫的脫除率達到16.86%。

超聲波；助劑；脫硫

煤炭是我國的主要能源，但在其加工轉化利用過程中產生了嚴重的環境污染。煤炭的脫硫問題一直是人們關注和研究的熱點[1-2]。

近年來國內外學者對煤的溫和脫硫方法進行了初步探索[3-4]。其中，聲化學在煤炭脫硫中的應用引起了同行專家的興趣[5]。超聲波是一種頻率大于20kHz的聲波，Suslick等人[6]研究表明，其高頻震動聲波可在液體中產生較強的空化效應，并伴隨機械效應和熱效應，這種超聲空化作用可使存在于液體中的雜質和微泡核在聲場的作用下經過振動、生長等過程形成空化氣泡，這些蘊含能量的空化氣泡破裂時，可產生局部高達5000 K的溫度，最大壓力500atm[7]，同時伴隨發光、沖擊波的產生，能在水溶液中產生自由基OH+以及在液固表面產生速度高達100m/s的微射流等。在上述作用下，超聲處理的煤炭顆粒表面會被不斷沖洗、腐蝕和更新[8]，具有高的活性，有利于固液傳質[9]，對煤炭脫硫具有一定的效果。為探討超聲波對煉焦煤中有機硫和無機硫的脫除效果，本文以山西焦煤為研究對象，研究超聲波輻照時間、輻照功率、煤炭粒度、助劑混合比以及固液比等因素對煤炭超聲波脫硫效果的影響，并分析確定最佳脫硫條件，探索一條經濟可行的煤炭脫硫途徑。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗煤樣為山西新峪焦煤，原煤樣的工業分析(GB/T 212-2008)及硫的形態分析(GB/T 215-2003)如表1所示。從硫的形態分析結果可知，所選用原煤主要以有機硫為主，采用常規物理分選方法難以脫除其中的硫分。

表1 原煤樣工業分析及硫的形態分布

1.2 試驗方法

采用四分法對原煤樣縮分取樣并分別密封保存，將一部分縮分煤樣破至-0.5mm，并用標準篩分成四個不同粒級：0.5～0.25mm,0.25～0.125mm,0.125～0.074m和-0.074mm。取6g空氣干燥基煤樣置于250mL燒杯中，加入一定量的助劑CH3COOH和H2O2溶液，充分混合，在常溫常壓下將FS-1200N型超聲波處理器探頭伸入混合液中10～20mm，處理一定時間。用真空抽濾機抽濾超聲波處理后的煤與助劑混合液，并用去離子水洗滌至濾液呈中性，將過濾殘余煤樣在105℃下烘干6h并使其達到空氣干燥狀態，測定處理后煤樣的全硫含量St,ad，并計算脫硫率η，見下式。

式中：η為脫硫率，%；Sy為原煤全硫含量，%；Sc為處理后煤樣全硫含量，%。

2 結果與討論

2.1 粒度對脫硫效果的影響

為研究超聲波作用下煤炭粒度對脫硫效果的影響，分別稱取6g不同粒級的煤樣置于250mL燒杯中，加入100mL助劑溶液(VCH3COOH∶VH2O2=1.5∶1.0)，在超聲波功率為500W的條件下處理10min，試驗結果見表2和圖1。

表2 粒度對煤樣脫硫率的影響

由表2可以看出，不同粒級的原煤樣經超聲波處理后硫分均有所下降，其中0.125～0.074mm粒級的煤樣硫分最大降低13.42%；由圖1可知，隨煤樣粒度的減小，經超聲波處理后煤樣脫硫率η由0.5～0.25mm粒級的6.93%迅速增加至粒級為0.25～0.125mm的13.18%，硫分脫除效果顯著，而后脫硫率維持在13.40%左右。說明煤樣粒度的減小有利于超聲波對煤中硫的脫除。這可能是由于粒度減小后煤樣的比表面積增加，在超聲波作用下，一方面助劑與煤樣的接觸反應面積增大，另一方面超聲波在溶液中所產生的空化效應以及局部的高溫高壓等條件，促進了煤中含硫組分與助劑的反應，從而表現出較明顯的降硫效果。本試驗選擇0.125～0.074mm作為最佳脫硫粒級。

2.2 超聲波功率對脫硫效果的影響

在煤樣粒度為0.125～0.074mm，其他條件不變下，調節超聲波發生器功率為0W、120W、240W、360 W、480W、600W、720W、840W、960 W分別處理煤樣和助劑混合液10min，結果如圖2所示。

由圖2可知，無超聲波作用時，在添加助劑CH3COOH和H2O2條件下，煤樣的脫硫率僅有0.36%，隨超聲波功率增加，脫硫率逐漸增大，在600W達到最大值13.77%，之后再增加超聲波功率，煤樣的脫硫率反而呈降低趨勢。這是由于在超聲波功率小于600W時，煤樣與助劑混合液中由超聲波所導致的空化效應增強，產生的高溫、高壓以及微射流等效應更為明顯，同時，煤中含硫組分吸收超聲波能量后其反應活性增強，有利于煤中硫的反應和固液傳質。在上述因素作用下，表現出較高的脫硫率；而超聲波功率超過600W后，一方面高功率時超聲波較強的空化效應使溶液中產生大量的空化氣泡，通過反射、散射等作用使超聲波能量發生較大的傳遞衰減，另一方面，反應過程的生成物不斷增加，固-液傳質過程受到影響，此外，過大的空化氣泡不易在超聲波正相壓內被壓縮崩潰，對煤樣的空化效應減弱[10]，導致脫硫率降低。因此本試驗確定最優超聲波功率為600W。

2.3 助劑配比對脫硫效果的影響

在煤樣粒度0.125～0.074mm，超聲波功率為600W，其他條件不變下，改變助劑CH3COOH和H2O2的配比，考察超聲波對煤中硫的脫除效果。結果見圖3。

由圖3可知，助劑HAC和H2O2配比為1∶1時，超聲波作用下煤樣的脫硫效果最好，脫硫率達到16.0%，VHAC∶VH2O2過大或過小均不利于煤中硫的脫除。這可能是由于H2O2與CH3COOH混合生成了過氧乙酸CH3COOOH主要反應如下(CH3COOH+H2O2→CH3COOOH+H2O，CH3COOH+H+→CH3COOH+OH+，煤中的有機硫+OH+→可溶性的有機硫化物)。在超聲波作用下，CH3COOOH質子化產生OH+，具有比C原子更強的親電性[11]，因此可以與S2-發生選擇性氧化，達到脫除煤中含硫組分的目的。因此本試驗選擇VHAC∶VH2O2=1∶1為最佳助劑配比。

2.4 固液比對脫硫效果的影響

在煤樣粒度為0.125～0.074mm，超聲波功率為600W，助劑CH3COOH和H2O2體積比為1∶1(密度1.48)，其他條件相同下，取6g煤樣，調整煤樣與助劑混合液的固液比，測定超聲波作用下煤樣的脫硫率。試驗結果見圖4。

從圖4中可以看出，固液比為1∶14.8之前，煤樣脫硫率隨固液比減小而增大，在固液比為1∶14.8時有最大脫硫率19.27%，之后隨固液比減小脫硫率下降。助劑過少時，不能與煤中的含硫組分充分接觸，而過多的助劑在同樣功率下會減小超聲強度分布，反而不利于固液傳質及煤中硫組分的脫除，因此本試驗以煤樣與助劑固液比為1∶14.8為佳。

2.5 輻照時間對脫硫效果的影響

在煤樣粒度為0.125～0.074mm，超聲波功率為600W，助劑CH3COOH和H2O2體積比為1∶1，煤樣與助劑固液比為1∶14.8時，其他條件相同下，探討超聲波作用時間對煤樣脫硫效果的影響，結果見圖5。

由圖5可知，在超聲波處理時間為10min時有最好的脫硫效果，煤樣脫硫率達到19.27%，其中有機硫為2.12%；在10min前，煤樣脫硫率增幅較大，超聲波處理10min后，煤樣脫硫率回落至14.91%，延長超聲波作用時間，煤樣的脫硫率維持在15.0%～16.0%之間。這是由于在助劑和長時間的超聲波作用下，煤樣和助劑混合液由于超聲波空化作用而溫度升高促進了助劑CH3COOH和H2O2的分解，助劑的有效利用率降低，從而導致煤樣的脫硫效果減弱，脫硫率減小。本試驗選擇最佳超聲波作用時間為10min。

2.6 超聲波聯合助劑脫硫對煤炭組成的影響

采用Nicoket 380型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)考察超聲波聯合助劑處理煤樣后對煤樣結構性質的影響，如圖6所示。由圖6可知，1400～1100cm-1和1060～1030-1主要是煤中的亞砜S=O鍵伸縮振動引起的，超聲波聯合助劑處理前后，煤樣的結構變化主要體現在730～600cm-1處的C-S鍵，1200～1020cm-1處的C=S雙鍵以及900～700cm-1處的S-O鍵。可以看出，超聲波聯合助劑CH3COOH和H2O2可脫除煤中的有機硫。

圖1 粒度對脫硫效果的影響

圖2 超聲波作用時間對脫硫效果的影響

圖3 助劑配比對脫硫效果的影響

圖4 固液比脫硫率的影響

圖5 超聲波作用時間對脫硫效果的影響

圖6 超聲波聯合助劑處理前后煤樣的紅外光譜圖

3 結論

1)超聲波聯合助劑脫除煤中硫的最佳條件為：煤樣粒度0.125～0.074mm，超聲波功率600W，助劑CH3COOH和H2O2體積比為1∶1，煤樣與助劑固液比為1∶14.8，處理時間10min，可使得到19.27%的脫硫率。

2)FTIR紅外譜圖表明，超聲波聯合助劑CH3COOH和H2O2脫除的主要是煤中的有機含硫組分。

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Experimental study on removal of sulfur in coal under ultrasonic

ZENG Wei-chen1，TAO Xiu-xiang1,2，JIANG Song1，XU Ning1，KANG Xu1

(1.School of Chemical Engineering & Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Key Laboratory of Coal Processing & Efficient Utilization，Ministry of Education，Xuzhou 221116，China)

In this paper，the effective factors and their optimal conditions of Shanxi coking coal desulfurization with ultrasound were studied under the condition of adding additives CH3COOH and H2O2.The effects of coal particle sizes，ultrasonic power，additives ratio，solid-liquid ratio and treating time on the coal desulfurization were investigated.Then the optimum desulfurization conditions were determined.The results showed that：the decrease in desulfurization rate of total and organic sulfur was 19.27% and 16.86% separately under the coal particle size of 0.125～0.074 mm，the ultrasonic power of 600 W，the volume ratio (CH3COOH/H2O2) of 1∶1，the solid-liquid ratio of 1∶14.8 and the treating time of 10min.

ultrasound;additives;desulfurization

2014-05-06

國家自然科學基金項目(51274199)；教育部博士點基金(20130095110008)；中國礦業大學大型儀器設備開放共享基金

曾維晨(1988-)，男，遼寧建平人，碩士研究生，研究方向為潔凈煤技術。

陶秀祥(1957-)，男，江蘇建湖人，教授，主要研究方向為潔凈煤技術。E-mail：taoxx163@163.com。

TQ53

A

1004-4051(2015)03-0119-04