磁选技术在煤炭脱硫中的应用.pdf

2 0 0 4年 第 1期 煤炭加工与综合利用 C O A L P R O C E S S I N G＆C O M P R E l l E N S I V E U 3 1 1 J Z A 3 “ 1O N No． 1， 2 0 0 4 磁 选技术在 燥炭 脱硫中 的应用 朱复海 ， 孟 娟 ， 朱 申红 青 岛建 筑工 程学 院 环境 与市 政工 程学 院 ， 山东 青 岛2 6 6 5 2 0 摘 要 介 绍 了磁选 技术在煤炭脱硫 中的应用和发展现状 ， 分析 了磁选脱硫的优势和 阻碍其发 展的原 因， 对 磁选脱硫机理和影响脱硫 效率的因素进 行 了探讨， 指 出随着高新技术 的发展 ， 磁选脱硫的应用前景是广 阔的。 关 键 词 煤炭 ； 脱 硫 ； 磁 选 ； 效 率 中图分类号 T D 9 4 4 ． 1 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 5 ． 8 3 9 7 2 0 0 4 O 1 ． 0 0 5 3 0 3 在我 国的能源构成 中， 煤炭储 量丰 富 ， 石 油和 天然气 储量较少 ， 这决定了我国 的能源结 构以煤 为主 ， 燃煤 占世 界煤 炭消费总量 的 2 5 ％以上 ， 是 世界 上唯一 以煤 炭 为主 的能源消费大 国⋯。煤 中通 常 含 0 ． 2 5 ％ 一4 ％的 硫和 大 量灰分 ， 在燃烧过程 中会 产生较 多的污 染物 ， 尤其 是向大 气中排放的大量 S O 2 ， 是引发酸雨的 主要原 因。酸 雨的覆 盖面杉 】 约 占国土面积的 3 0 ％ ， 并呈 现明显 的区域特征 ， 多 集中在经 济比较发达的 华北 、 华东 、 华 中地区 。我 国酸雨 的化学特征是 p H值 低 ， 硫酸根 S O , 一 、 铵 N r 和钙离 子 C a 浓 度远远 高于欧 美 。因此 ， 我 国的酸 雨 是 硫雨 型的 ， 主 要是 由人为排放 S O s 造成的 。图 1 为我国酸性降 水的化学 特征 。要 减少 酸 雨灾 害 ， 在我 国 应优 先 考虑 燃煤中硫的控制 ， 开 发洁净煤技 术。 4 ． 9 ％ 口 C a 2 21 ． 2 ％ 它 6 ％ ’ l 6． 0 ％ 图 1中国酸性降雨的化学特征 由于环境污 染和 生态 破坏 带来 的压 力 ， 国 内外 对燃 煤脱硫的研究 正在逐 步深 入 ， 并使 防 止污 染 同有效 利用 硫资源结合起来 ， 开 发了上百 种 『 艺方 法 ， 既 有成 熟的 已 用于工业 化生 产 的技 术 ， 也有 尚 处在 实 验阶 段 的 研 究 。 本文主要介绍磁选新技术在煤 炭脱硫 中的 应用和 发展现 收稿日期 2 0 0 3 ． 1 l 一 2 l 作 者简介 朱复海 1 9 7 6 一 ， 男 ， 山东胶 州人 。 青岛建筑 工 程学院环境与市政 工程学院在读 硕士研究 生 ， 研究方向 固体 废弃物综合利用 ， 电话 0 5 3 2 ． 6 8 7 5 7 6 8 。 状 ， 并对影响脱硫效率的 因素进行探讨 。 1 高硫 煤的特点及脱硫方法 1 ． 1煤 中硫 的 存 在 形 态 煤中的硫分按 其存 在形 态可 分 为无机 硫和 有 机硫 。 无机硫主 要以黄铁 矿 为主 以及 少量 的硫酸 盐 硫 ， 在煤 中 以层状 、 块 状结核 、 微 细颗 粒等均 匀或 不均 匀的分 布 ， 约 占总硫量的 6 0 ％ ～7 0 ％。有机 硫则 以二苯噻吩 和硫醇 等 形式存在 ， 约 占 3 0 ％ ～ 4 0 ％ 。 1 ． 2脱 硫 方 法 及 比 较 煤炭脱硫技术 总体 上分 为燃 烧前 脱硫 、 燃 烧 中脱 硫 和燃烧 后脱硫 二 人类 。燃烧 前 脱硫 主 要是通 过重 选 、 浮 选 、 磁 选及 氧化 、 微 生物脱 硫 等技 术减 少硫 分和灰 分 ， 以 降低 S O 2的排 放量 ； 燃 烧 中脱硫 主 要指 型煤 固硫技 术 和 循环硫化 床 脱硫 技 术 ， 可 脱 除 5 0 ％ ～6 0 ％的 硫 ， 效 率 不 高 ， 并 存在 易结 渣 、 磨 损和 堵塞 等难题 ； 燃 烧 后脱硫 又称 烟气脱硫技术 ， 属末端 冶理 ， 尽管脱 硫率 可 高达 9 o ％， 但 其设备及 运行 费用极 其昂 贵 ， 特别 是 废液 二次 处理 问题 突出 ， 多在美 、 目、 德 等一些发达国家应用 。 对于我国这样 经 济相 对落 后的 发展 中 国家来 说 ， 煤 的燃烧 前脱硫 ， 尤其 是通 过选 煤 来降 低煤 中硫 的含量 具 有非常重 要 的意 义。选煤 是 洁净煤 的 源头 技术 ， 既能 脱 硫又能除灰 ， 同时还 可以提高热 能利用 效率 ， 并且选 煤的 费用又远 低于燃烧 中及 燃烧后脱 硫。燃烧 前脱硫 又分为 物理法 、 化学 法和 生物 法三 种， 而真 正大规 模应用 于生产 实际的只有物 理法 。物理法 脱硫是 依据煤 炭颗粒 与含硫 物的密度 、 磁性 、 导电性及 _u 『 浮性差 异而 去除 煤 中无机硫 的方法。我国 的高硫 煤 一般 以 美铁矿 硫为 主 ， 与灰 分有 较好 的相 关 性 ， 故大 部 分可 采用物 理法 脱除 。磁选 脱硫 能耗 低 、 工 艺设 备简 单 ， 已逐渐 受 到各 国的重 视， 国外有 关专家认为 ， 磁 选将 是 未来 儿年 燃煤 脱硫 的主 要工 艺之 维普资讯 5 4 煤炭加工与综舍利用 2 0 0 4年第 1 期 2 磁选脱硫技术 磁选是利用磁 力和机械 力对不 同磁性 颗粒的不 同作 用而实现的 ， 含硫 的磁性颗粒 在磁 力的作用 下与煤 分离 ， 从而达到脱 硫 的 目的。近年 来 ， 科研 人 员对磁 选脱 硫 的 研究 日益深入 ， 形成了较为完善的理论和工艺方 法。 2 l 干 法 高 梯 度磁 选 脱 硫 HGMS 采用高梯度磁选 脱除 煤中无机 硫和矿 物灰分 的研 究 始于 2 0世纪 7 0年代 ， 试验研 究主要集 中于西 方几个 发达 国家， 如美国麻省理工学院国家磁流体实验室、 英国萨拉 磁公 司、 美国 A u b u rn大学及 荷兰 F D O ． H O L E C公司等 。目 前我 国在这 方面 的研 究工作较少。 1 应用原 理 煤 中的碳氢化合物是 逆磁性 的 ， 而 无机硫 主要是 黄 铁矿 和其他矿物杂质则是顺 磁性 的 ， 它 们的比磁 化系数 因成煤过程 不同而有所 差异 。干 法高梯 度磁选适 合处理 微细粒的 煤粉 ， 这 是由 它的 特殊 结构 所 决定的 。其 主 要 分选原理是在均 匀 的强 磁场 中放 置磁 性介 质 ， 经磁 化后 就在磁性介质 周 围产生 很大 的磁 场梯 度 ， 这样 煤粉 中 的 黄铁矿等 磁性 颗 粒 由于 在 梯度 磁 场 中两 个 磁极 受 力 不 等 ， 而在综合力的作用下移 向磁性介 质并粘附 在上 面 ， 与 煤粉分离 。 磁性 颗粒 在磁场 中所受的磁力 F 可 用下式表示 F．X VH dH／ dX 其中 X为磁 性物质 的磁 化率 ； V为颗 粒的体 积 ； Ⅳ为磁 场 强度 ； d H ／ d X为磁 场梯度。 从上式 可以看 出 ， 脱硫 效率 与矿 物 的磁 化率 、 粒度 、 磁场强度及梯度 等因素 有关。 2 主 要装置 该工艺 的主 要装 置是 高梯 度磁 分离 器 ， 梯度 磁 场通 过在磁场空 间内填 充 高导磁 率 的不锈 钢毛 获得 ， 其 强弱 取决于材质的磁化强度、 形状及填装率。当磨细的煤粉 以一定的速度通过磁分离器时。 黄铁矿等磁性颗粒便会 吸附在填充的 不锈钢 毛 滤网 上 ， 而逆 磁性 的煤 粉则 顺利 通过分 离器 ， 吸附 在滤 网上 的 黄铁矿 等 颗粒 离开磁 场 区 时由鼓风机 吹 出收 集 ， 进 行 综合 利用 或安 全处 置。高梯 度磁分 离器在运 行中因磁 滞产生 的高温 可引入 冷却水进 行降温 。 3 脱 硫效果 资料表 明 ， 采用高梯度磁 选机分 选微米级 煤 ， 无机硫 的脱除 率在 8 0 ％以上 ， 灰分可降低 5 0 ％ ～6 0 ％， 发热量的 回收率超过 9 0 ％ ， 分选效果优于 传统 设 备 ， 但处理 量相对 较低 ， 因此制约了其应用 ] 。 4 影响因素 根据磁性物质在磁场中的受力及实际运行情况分 析 ， 磁 场强度 、 煤粉粒度和 煤粉通过 磁场 的速度是 影响脱 硫效 率的三个 主 要因素 。实 践证 明 ， 梯度 磁 场强 度越 高 ， 脱硫效率越高 ， 但能耗相应 增加 ； 煤粉粒 度越小 ， 脱硫 效果越好 ， 但会提高预处理 成本 ； 煤粉通 过不锈 钢毛 网层 的流动则是复杂的多向流 。上述 三个 因素的确 定需从实 际 出发 ， 根据处理 量 、 脱硫 效 率的要 求及经 济技术 分析 ， 确定具体工艺的最优组合 。 2 ． 2半 焦 化 和 干 式磁 选 脱硫 H G MS 只能脱除 黄铁矿 硫和少 量顺磁 性的灰分 ， 而不 能脱除 有机硫 。为提 高脱 硫和 除灰 效 率 ， 国外有 关研 究 人员采用半焦 化和 干式 磁 选联 合作 用 ， 极大 地提 高 了硫 分 包括黄铁矿 硫和 部分 有机 硫 和 灰分 的去 除率 ， 取 得 了令人鼓舞的效果 。 1 主要装置 半焦化处理也 称低 温 炭化 ， 反应 装置 为 圆桶 形蒸馏 器 ， 它是在 5 0 0～7 0 0 o C温度 范 围内进行 的 。根据有关 研 究结论 ， 磁选脱 硫半焦化 的最 佳反应条件是 温度 6 0 0 o C， 反应时间为 1 5 r a i n ” 。磁选作业 采用 稀土磁辊式磁选机 ， 磁辊由相对较薄的一组磁铁盘和 导磁性 的软 铁盘交替迭 加而成 。尽管它 是开 放型 的 ， 但 由于铁 盘尺 寸相 对较 小 而磁 化强度高 ， 所以仍具 有较 高的磁场 梯度 。同时 ， 该机 没有空气隙 ， 可 处理较粗矿 粒。 2 应用原理 如前所述， 煤中的有机物质为逆磁性的， 而大多数无 机物 如粘土 、 页岩和 含铁 矿物 包括 黄铁矿 都是 顺磁性 的。 在理论上 ， 只要有足够强的磁场 强度 ， 即可取 得 良好 的分 选效果 ， 但在实际应用 中却 有一定 难度 ， 因为 硫分和 灰分 基本上均 以 不同 的 宏观 晶 形与 煤 系 共存 ， 且 磁 性 较弱 。 低温 炭化 在预 处理 中发挥 了关 键作 用 ， 它不 仅提 高 了无 机硫和灰分的磁化系数。 使之易在磁场中被捕获， 而且对 有机硫同样起作用 ， 还可脱除 易挥 发物 中的硫。 低 等级煤在适 当的温度 下进行 半焦化 处理不仅 活化 黄铁矿 硫 。 同时 也活化 了 有机 硫。应 用干式 永磁 辊式 磁 选机可以高效的 将磁 性颗 粒收 集到 尾矿 中 ， 实现 脱硫 和 除灰。据报道 ， 采用该 工艺 处理一 种英 国的煤 ， 粒度 为 一 1 0 0 ra i n ， 结果 黄铁矿硫的去除率 高达 9 9 ％， 灰分脱除 率达 7 0 ％， 用 土 耳 其 的 A s k a I e褐 煤 试 验 也 获 得 比 较 好 的 效果 。 2． 3超 导磁 选 脱硫 常规的高梯度磁选机 受铁磁 性物质 磁饱和极 限 1 ． 2 T 的限制 ， 它们 的磁 感应 强 度 一般 不超 过 2 T 。另外 ， 产 生强磁场 需要大 电流通 过 励磁 线 圈， 这 样在 线 圈上就 要 产生很 大的热 损 耗 ， 必 须配 备大规模 的 冷却 系统 。近几 年来 ， 随着 高新技术 的发展和新材 料的 出现 ， 新型超 导磁 选机 的发展取 得 了很 大的 进步 ， 但 目前 为止 都是 低温 超 导磁选机 。超 导材料必须在 它 的临界 参数 临界 转变 温 度 、 临界磁场和 临界 电流 密度 以下 才能 维持超 导 状态 ， 维普资讯 2 0 0 4年 第 1 期 朱 复海 ， 等 磁 选技 术在煤 炭脱 硫 中的应 用 5 5 早期超导体的这 三个 临 界参数 都很 低 ， 特 别是 临界转 变 温 度极低 ， 需 要用 液氦冷 却 ， 维持 其超导 状态 费用 昂贵 ， 使得低温超导磁选机 的应 用受 到限 制。 目前， 超导专家 已将 高温 超 导材料 的临 界转 变 温度 提高到 1 0 0 K以上 ， 进入 了液 氮区 7 7 K 。据有 关资料说 明 ， 日本 等发 达 国 家 甚 至 在常 温 F研 制 成 功 了超 导 材 料 。这表明超导材料 的普及 应用是指 目可待 的 。当前 的高温超导材料 大 多 是稀土 元素 的氧 化物 陶瓷 ， 还 不能 象低温超导材 料那 样 用金属 工艺 成材 ， 制 约 了其进 一步 应用。当然 ， 一旦高温超导材 料的成 材工艺 得 以突 破 ， 必 将 引起超导磁选 脱硫技 术的飞跃 。 超 导磁 选机 在分 选 原理 上与 常规 磁选机 相 同 ， 但 产 生磁场 的方式 不 同。由于超 导材 料 的零 电阻 特性 ， 所 以 超 导磁 选的优势是巨大的 ， 主要表现在 以下 几个方面 1 磁 场强度高 。超导磁选机可 产生 2 ． 51 5 T的超 强磁 场 ， 使弱磁性颗粒受到较 大的磁 力 ， 同时磁 力作 用深 度也随 之增 强 ， 极大地提 高了分选效果和处理量 。 2 能 耗低 、 经济 效益 高。超 导磁选 机基本 没有热损 耗 ， 勋磁 电能 几乎全部转换 成磁能 ， 超 导磁体比常 规 导磁 体节能 9 o ％以上 ， 且无需运转 庞大的冷却系统 。 3 设备体积小 、 重量轻 。用超 导线圈励磁 不需 要笨 重的轭铁和包铁 ， 设 备的体 积和重 量大 大减 小 。 从上述分析不 难 看出 ， 超 导磁选 机无 论在 分选 效 果 还是经济效益上都是很有发展前途的 。 2． 4磁 流 体 分 选 脱 硫 磁流体分选是一种重 力分 选和磁 力分选联 合作 用的 分选过程 ， 煤的 各 种组分 在似 加重 介 质中按 密度 差 异分 离 ， 在磁场 中按磁 性 差异分 离 。这 样不 仅可 以分 离磁性 物质和非磁 性 物 质 ， 还可 以使 非磁 性 物 质按 密 度 分离 。 由于煤中各组分间的磁性 差异小 ， 而密 度差异较 大 ， 采用 磁流体分选可以有效地进行分离 。 一 当前普遍采 用磁 铁矿作 选煤 用 重悬 浮液 的加 重 质 ， 因为它具有较高 的密 裒和机 械 强 嘘 ， 且磁铁 矿 具有 的强 磁性使之可用弱磁选机进行悬浮液 的净化 回收 。 ● ◆● ◆ ●H ● ◆ ◆ ● ◆ - ◆●。●● ●◆ ● 从理 论上讲 ， 磁流体分选 可以达 到较高 的精度 ， 脱硫 除灰较为 彻底 ， 还 可 以回收 各种 有价 矿物 。但 磁 流体分 选设备 复杂 、 处理 量小 ， 重悬 浮液 配制 比较困 难 ， 磁性介 质的净化回收 难度大 ， 悬浮 液的二 次污染严重 ， 在实际应 用中受到限 制。 3磁选脱硫的制约 因素 由于燃煤 中逆磁 性 有机 硫的 存在 ， 磁 选脱 硫 率一 般 在 5 5 ％ 8 0 ％， 不 可能 再高 。磁选 还可脱 除 3 0 ％左右 的煤系矿物质 ， 它们 主要 存在于 矸石 中， 或 以细分散 形式 夹杂于煤 基质中 ， 脱 灰 率主要 由磁 选方 法和 咏石 成分 决 定 。磁选脱硫 率的高 低除 决定 于磁 选 工艺外 ， 还 与煤 的 矿物 组成密切相 关 ， 因 为不 同宏观 晶形 的矿 物和 煤 系黄 铁矿 的质 量磁 化 率有 一 定 差别 。研 究 表明 煤 系黄铁 矿 质量磁化率比矿 物黄 铁矿 高近 半个数 量级 ， 而相 同煤 种 的不同煤层组分磁化率相差不大 。 磁选工艺的确定必须结 合燃煤 的矿物组 成和无机 硫 含量 ， 只有这样 才能达 到较 高的脱 硫 、 除灰 率 ， 创造 良好 的环境效益和经济效益 。 参考文献 [ 1 ] 陈 五一， 等 ． 燃煤脱硫技术概述 ． 贵州电力技术， 2 0 0 1 ， 4 1 5 一 l 7． [ 2 ] 郝 吉明 ． 等． 燃煤二氧化硫污染控制技术 手册 ． 北京 化学工 业 出版社 ． 2 0 0 1 ． 5 1 9 1 ． [ 3 ] 王建 龙 ． 等 ． 现 代 环 境生 物技 术 ． 北 京 清 华 大学 出版 社 ， 2 0 0 1， 1 0 3l 83 2 8． [ 4 ] 安征 ， 等． 煤及黄铁矿磁化率的研究及煤中矿物 质按磁化 率的 分类 ． 国 外金属矿选矿 ， 1 9 9 5 ， 8 2 52 9 ． [ 5 ] 吴 士彬 ， 等 ． 干 法煤 粉 磁 选 脱 硫的 试 验 研 究 ． 环 境 科 学 ， 1 9 8 9 ． 6 2 5 2 8 ． [ 6 ] 赵爱武 ． 超导磁选机在选煤 中的应用 前景 ． 中国煤 炭， 1 9 9 7 ． 2 2 2 42 5． [ 7 ] 伊尔德里姆 ， 等． 乖 Ij 用煤的半焦化和干式磁选 技术对低等级 褐煤脱硫 ． 国外金属矿选矿 ， 1 9 9 9 。 1 2 32 6 ． ●●◆”◆’ ● ◆_ ●d ● ◆ ● ● ●u ●●● ● ● ● ◆ ◆ ◆ 拊煤矿建设 裸裂矿 幽 山东新 汶矿业集团孙村煤矿依托科技进步， 走洁净蝶生产之路， 加快环境综合整治步伐 ， 取得 了良好的社会效益、 经济效益和环境效益。 孙村矿是年产原煤 1 3 0多万 t 的大型矿 井， 这个矿投资 1 7 0 0多万元采用重介 选煤技 术革新选煤X - 艺． 生产的精煤质量达到 了“ 双八” 友 分 8 ％． 硫 分0 ． 8 ％ ， 减轻 了因煤炭含硫 高对大气的污染 ， 使 “ 双八 ” 品牌优 质冶炼精煤享誉华 东大地。这个矿 2 0 0 2年投 资 2 0 0万元建成年产 8万 t 的水煤浆厂 ， 采 用 目前国内第一条单用浮选精煤制造水蝶浆 的工艺， 每年 可实现产值 1 5 0 0万元， 销 售利润 4 8 0万元 ． 不仅解决 了浮选 精蝶销路难的问题 ， 而且煤泥 转化为水煤浆后燃烧效率大大提 高。 提 高了能源利 用率． 减轻 了对 大气的污染。2 0 0 3年 4月． 谊矿又新上煤 泥 滤饼深加．1 2 项 目， 采 用热风滚 筒干燥 工艺把压滤蝶泥加X - 成为电厂燃渫锅 炉发电供 热用渫 ， 年 生产 能力 1 2万 t ， 可创利润 2 0 0万元 ， 彻底 解 决 了煤泥运销过程 中的环境 污染。另外 ， 还针对职工群众比较敏 感的工业设施噪 声污染严重 的问题 ． 积极与科研 院所合作 ． 应 用移动式压 风机 ， 顺利将供 风系统 转移到 井下 ， 实现 了矿井供风方式的重犬突破 ． 不仅每年节 电价值 1 0 5 ． 1 万元 。 并且解决 了多年来噪 声超 标扰 民问题 。 周峰 ． 刁林波 维普资讯