方 娜

（太原理工大學(xué)，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(diǎn)，吸附和催化性能良好，化學(xué)性能穩(wěn)定，能夠再生，可重復(fù)利用；同時(shí)，又克服了活性炭價(jià)格高、機(jī)械強(qiáng)度低、易粉碎的缺點(diǎn)。由于脫硫脫硝炭具有較低的價(jià)格，較高的機(jī)械強(qiáng)度，較好的吸附性能和催化活性，因此在環(huán)境水、氣污染治理領(lǐng)域，尤其能夠?qū)煔庵泻械腟O2、NOx 及重金屬進(jìn)行聯(lián)合脫除。隨著環(huán)保要求的日益提高，脫硫脫硝炭煙氣脫硫技術(shù)受到越來越多國家的重視。

大同侏羅紀(jì)煤屬于弱黏煤，絲炭含量可達(dá)14%～35%，低灰、低硫，儲(chǔ)量豐富，是生產(chǎn)煤基活性炭的優(yōu)質(zhì)煤種；同時(shí)，侏羅紀(jì)煤的價(jià)格比石炭紀(jì)煤的價(jià)格便宜。由于前些年的過度開采，大同侏羅紀(jì)煤留存狀況令人堪憂。本研究針對(duì)大同侏羅紀(jì)煤炭資源賦存現(xiàn)狀，研究用于制備性能優(yōu)良的脫硫脫硝活性焦產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料煤特征，確定用于制備活性炭的優(yōu)質(zhì)原料煤煤種，選定煤源地后以便于保護(hù)性開采。

本研究選取大同煤礦集團(tuán)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(shí)驗(yàn)裝置

脫硫脫硝炭小試實(shí)驗(yàn)裝置主要包括脫硫脫硝炭制備裝置及產(chǎn)品分析檢測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備包括破碎機(jī)、磨粉機(jī)、捏合機(jī)、成型機(jī)、實(shí)驗(yàn)室用外熱式回轉(zhuǎn)爐。

1.2 脫硫脫硝炭分析檢測(cè)裝置

脫硫脫硝炭主要考察的指標(biāo)有碘值、硫容、堆積重和強(qiáng)度，其作用見表1。

表1 脫硫脫硝炭主要考察指標(biāo)

2 脫硫脫硝炭小試實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)選定的工藝路線，脫硫脫硝炭小試實(shí)驗(yàn)過程主要包括磨粉、捏合、成型、干燥、炭化、活化6 個(gè)工序(見圖1）。由小試試驗(yàn)得出的脫硫脫硝炭性能指標(biāo)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(biāo)

3 脫硫脫硝炭原料煤煤質(zhì)特性

本研究對(duì)同煤集團(tuán)忻州窯、晉華宮、杏兒溝、云岡礦和煤峪口礦2#共5 個(gè)煤樣的煤質(zhì)進(jìn)行分析。

從表3 中可以看出，5 個(gè)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(guān)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(gè)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(gè)重要指標(biāo)，一般要求用于活性炭生產(chǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他4 個(gè)制備出合格活性焦的煤樣，因此原料煤的水分是一個(gè)影響活性焦性能的重要指標(biāo)。同時(shí)，沒有制備出合格活性焦的杏兒溝礦煤樣的揮發(fā)分為26.90%，雖然比忻州窯、云岡、晉華宮礦3 個(gè)煤樣的揮發(fā)分高，但卻比煤峪口礦2#煤樣的揮發(fā)分29.65%要低，因此原料煤的揮發(fā)分也無法作為影響活性焦性能的指標(biāo)。

表3 小試5 個(gè)煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)與脫硫脫硝炭性能指標(biāo)

從表4 中可以看出，5 個(gè)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(guān)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(gè)制備出合格活性焦煤樣的硫含量。硫在活性炭生產(chǎn)中是有害元素，作為生產(chǎn)活性焦的原料煤，硫含量應(yīng)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(gè)影響活性焦性能的重要指標(biāo)。

表4 小試5 個(gè)煤樣元素分析數(shù)據(jù)與脫硫脫硝炭性能指標(biāo)

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(gè)小試煤樣中硫含量最低，但由于硫在活性炭生產(chǎn)中屬于有害物質(zhì)，污染環(huán)境，腐蝕設(shè)備，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此原料煤的硫含量也應(yīng)該作為一個(gè)影響活性焦性能的重要指標(biāo)，應(yīng)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(gè)指標(biāo)。

從第15 頁表5 中可以看出，原料煤中Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O 等對(duì)活化過程都有一定影響，其中Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等堿金屬對(duì)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(yīng)，加快反應(yīng)速率，提高活化爐的產(chǎn)量。

表5 小試5 個(gè)煤樣灰成分分析數(shù)據(jù)與脫硫脫硝炭性能指標(biāo)

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(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他3 個(gè)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(yīng)活性與能否制備出合格活性焦之間沒有明顯關(guān)系。

從表7 中可以看出，原料煤的可磨性、精煤回收率、黏結(jié)指數(shù)、焦渣特征與能否制備出合格活性焦之間沒有明顯關(guān)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(dāng)，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(jié)指數(shù)為0，與忻州窯、晉華宮、云岡礦煤樣的相當(dāng)，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(gè)煤樣相當(dāng)。

表6 小試5 個(gè)煤樣CO2 反應(yīng)性與脫硫脫硝炭性能指標(biāo)

表7 小試5 個(gè)煤樣可磨性、精煤回收率、粘結(jié)指數(shù)、焦渣特征

4 結(jié)論

通過以上脫硫脫硝炭性能指標(biāo)與脫硫脫硝炭原料煤煤質(zhì)特性分析，可以得出以下結(jié)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(gè)重要指標(biāo)，原料煤的水分應(yīng)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(gè)重要指標(biāo)，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(gè)重要指標(biāo)，總含量應(yīng)不低于8%；

④原料煤灰分含量高會(huì)影響活性炭產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度，影響活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，降低活性炭的吸附能力，使活性炭產(chǎn)品雜質(zhì)增加，限制了活性炭產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，因此原料煤的灰分越低越好；

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