煤的电化学脱硫-自己总结

摘要：综述了煤炭电化学脱硫的原理,借助煤在电解槽阳极发生的电化学氧化反应将煤中的无机硫或有机硫氧化成可溶于水的硫化物,介绍了电解脱硫设备及工艺流程、电化学脱硫技术发展方向及趋势,认为该方法的显著特点是常温常压下操作,工艺简便,能量回收率高,并可联产大量高纯氢气；同时也指出了煤炭电化学脱硫技术中存在的问题。

关键词:煤炭，电化学，脱硫，作用机理

Abstract：This paper describes the principle of the coal electrochemical desulfurization which the organic or inorganic sulfur in the coal can be oxidized into a water-soluble sulphide by way of cell’s electrochemical oxidation. It also introduces the equipment, the development and trend of the electrochemical desulfurization. The distinguishing features of this technology are normal temperature and general pressure operation, simple process, high-energy recovery and a large number of high-purity hydrogen. It also shows the problems in the coal electrochemical desulfurization.

Key words：Coal; Electrochemistry; Desulfurization;Mechanism of action

1、背景

我国是以煤为主要能源的国家，在整个能源构成中煤炭占75%，预计这种状况将持续相当长的时期。我国目前煤炭产量近14亿t，直接用于燃烧的超过80%。由于我国煤炭资源中四分之一以上煤中硫超过2%，而且随着开采深度的增加，煤的硫含量越来越高，因此由煤燃烧生成的SO2对大气造成的环境污染越来越严重。1997年我国二氧化硫排放量达到2266万t，灰尘达到3078万t，其中大部分来自煤。我国大多城市的污染为煤烟型的，出现酸雨次数和酸雨程度都在增加，为了保护环境和满足工业用煤的要求，实现我国国民经济可持续发展，脱硫技术已成为我国二十一世纪最重要的洁净煤技术之一，这也符合世界对环境发展的要求。

在控制燃煤排放二氧化硫的技术中其中煤炭的物理脱硫方法虽然成本低,但脱除有机硫的效果不明显；传统的化学脱硫虽能脱除煤中几乎全部的无机硫及部分有机硫,但需要强酸、强碱和强氧化剂并在高温、高压条件下操作,工艺条件苛刻,操作成本昂贵。因此,以降低反应强度、减少操作成本为目的,寻求高效、低廉、温和的新一代煤脱硫洁净化技术是煤炭脱硫的难点和热点。煤炭的电化学脱

硫是近几年来国内外发展起来的一种新的煤炭脱硫工艺。它能在相当温和的条件下实现煤的脱硫、脱灰,同时联产高纯氢气。该工艺每处理 1t煤联产 384m3的高纯氢气,法拉第电流效率高达 99% ,耗电仅为常规电化学制氢的50%,具有广阔的前景［1］。

2、煤炭电化学脱硫技术的进展

早在20 世纪 60 年代, Sterber 等人对煤的电解还原脱硫进行了研究,但进展不大。70 年代以后, Lalvani等人改变了研究方向,对煤的氧化脱硫等行为进行了研究［2］。70 年代末, Coughglin 和Farooque对煤炭的电化学脱硫进行了开发性的研究,不但克服了传统电化学脱硫高温、高压的缺点,而且可以联产氢气,大大降低了生产成本［3］。国内刘旭光等人对孝义煤进行了电化学脱硫的研究,从电化学还原脱硫行为、碱性体系中的脱硫规律、电解体系等方面进行了研究,取得了较好的结果［4～6］。之后,易平贵、张敬东、王知彩、罗道成等人在各种电解体系下研究了煤的脱硫,考查了电解温度、电解电压、煤浆浓度等因素对电化学脱硫的影响,得到了适宜的电解脱硫条件［3，7～9］。李登新［10～13］等人在电化学脱硫方面作了较为深入的研究,分别从热力学、煤炭的电化学脱硫机理、电化学净化对煤质的影响等方面进行了研究,进一步认识了煤的电化学脱硫机理。原料煤的电化学脱硫之所以能够引起广大科研人员的兴趣,主要是因为电化学脱硫能够在很多方面克服生物法、物理法、化学法等脱硫方法中的缺点,同时能获得较高的脱硫效率。

3、煤炭电化学脱硫的机理［1，12～13］

煤的电化学脱硫是借助煤在电解槽阳极发生的电化学氧化反应将煤中黄铁矿或有机硫化物氧化成水可溶的硫化物,而达到净煤目的。根据所用电解液的不同,可分为碱性和酸性电化学法。

3.1黄铁矿的脱硫机理

3.1.1碱性电化学法脱除无机硫

在碱性介质条件下生成高活性的氢氧自由基(OH·) ,甚至HO2·、O-、HO2-、O2-、O2等。这些高活性自由基作为强氧化剂进攻煤结构中无机物,并将其氧化成水可溶的硫酸盐 ,以便洗涤除去。

阳极：2H2O→ O2 + 4H++ 4e

16OH- + 4FeS2 + 15O2→ 4Fe (OH)3 + 8SO42- + 2H2O

8OH-+ 2FeS2 + 7O2→ 2Fe (OH)2 + 4SO42 -+ 2H2O

在阴极: 2H++ 2e →H2

对于黄铁矿颗粒，若看成球形的，可用图1表示脱硫过程

1—阳极2—黄铁矿3—阳极液 4—未反应黄铁矿5—电解产品

图 1 黄铁矿的电解脱硫过程

3.1.2酸性电化学法脱除无机硫

在酸性介质中:以锰离子为催化剂，发生的主要脱硫反应是阳极液中的氧化反应，由于电解电位的不同，脱硫反应不同:

在阳极表面：Mn2+ → Mn3++e

在阳极液中：2Mn3++ FeS2 →Fe2++ 2S + 2Mn2+

4H2O + S + 6Mn3+→ 8H+ + SO42- + 6Mn2+

8H2O + 15Mn2+ + FeS2→16H+ + Fe3+ + 2SO42- + 15Mn2+

3.2有机硫的脱硫机理

煤中有机硫的脱除机理，许多研究者认为是活性氧或氧化剂氧化煤中硫，但还未见更详细的报道，下面根据酸性和碱性介质条件下煤电化学处理前后表面硫形态的变化及模型化合物电解氧化后官能团分布的不同，提出可能的脱硫机理。

3.2.1在酸性条件下的有机硫脱硫机理:

在阳极表面首先发生Mn2+被氧化为Mn3+离子，后者氧化煤中有机硫为亚砜，亚砜进一步氧化为砜，而砜在热水中水解为可溶的磺酸根或硫酸盐，其脱硫反应步骤如下: