Способ обработки угля с высоким содержанием серы

Изобретение относится к угольной промышленности и может использоваться для предварительной обработки угля перед сжиганием с целью уменьшения выбросов серы и серосодержащих соединений в окружающую среду. Способ обработки включает в себя измельчение и увлажнение угля. Затем измельченный и увлажненный уголь нагревают до температуры плавления серы и осуществляют осаждение серы на стальные электроды, помещенные в уголь, на которые одновременно подают постоянный ток. Воздействие напряжения на влажный уголь в воздушно-водной среде при температуре плавления серы (119,4°С) в течение периода времени достаточно для того, чтобы сера, имеющая полярную электроотрицательность, перешла на железный электрод анода. Способ позволяет упростить процесс обработки угля при сохранении достаточно высокой степени извлечения из угля серы и серосодержащих соединений (до 90%). 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к угольной промышленности и может использоваться для предварительной обработки угля перед сжиганием с целью уменьшения выбросов серы и серосодержащих соединений в окружающую среду.

Уголь представляет собой один из наиболее распространенных источников топлива в мире. Уголь, как правило, добывают в виде материала, сходного с графитом, цветом от темно-коричневого до черного, который формируется из окаменевшего растительного материала. Уголь содержит аморфный углерод, объединенный с некоторыми органическими и неорганическими соединениями. Марки углей изменяются от высококачественного антрацита (уголь, имеющий высокое содержание углерода с малым количеством летучих примесей и горение с ясным пламенем) до битумного (угли с высоким процентом летучих примесей, сгораемые с дымным пламенем) и до лигнита (угли более мягкие, чем битумный, содержащие растительный материал, не полностью преобразованный в углерод, сгораемые с дымным пламенем). Уголь сжигают в угольных тепловых электростанциях по всему миру для получения энергии в форме электричества и тепла. В течение ряда лет было известно, что определенные примеси в угле могут оказывать значительное влияние на типы выбросов, производимых во время горения угля. Особенно много проблем доставляет такая примесь, как сера. Общее содержание серы в углях может достигать 10-12%. При сжигании углей содержащаяся в них сера превращается в сернистый газ (в виде сернистого ангидрида SO₂), который действует на здоровье человека, особенно на респираторные органы. При попадании ангидрида в атмосферу он продолжает окисляться до триоксида серы (SO₃) и, соединяясь с дождевой водой, образует серную кислоту, которая вместе с дождем проливается на землю.

В США на угольные электростанции приходится около двух третей общего выброса сернистого газа (SO₂). Сернистый газ реагирует с атмосферной влагой, вызывая кислотные дожди, и вносит вклад в загрязнение воздуха твердыми частицами, чем обусловлены тысячи преждевременных смертей от легочных заболеваний.

Сера может присутствовать в угле от очень малых количеств 0,001% до 12% и находиться в различных формах, например, как органическая, так и неорганическая: пиритная или сульфатная сера.

В Российской Федерации, Соединенных Штатах Америки установлены стандарты для углей, которые ограничивают выбросы SO₂ от угольных тепловых электростанций.

Хотя в Российской Федерации и Соединенных Штатах уголь добывают во многих регионах страны, большая часть его добывается открытым способом, часто содержит высокое содержание серы, что приводит к увеличению выбросов SO₂ в газах горения больших, чем это позволено ЕРА. Таким образом, угольные тепловые электростанции часто должны покупать уголь более высокого качества из месторождений, которые могут быть расположены на больших расстояниях от электростанций, и несут значительные транспортные и другие расходы. Со временем было разработано значительное количество технологий для понижения количества SO₂ в газах горения, возникающих от горения углей с высоким содержанием серы. Эти технологии включают в себя различные виды обработки угля перед горением, во время горения и после горения. Однако такие обработки, как правило, не достигают удовлетворительного сочетания эффективности при понижении выбросов SO₂ и экономической доступности при применении.

Известен способ обработки угля с высоким содержанием серы и серосодержащих соединений из угля, основанный на биотехнологическом методе с использованием тионовых бактерий, Бедрань Н.Г. Обогащение углей. Москва, Недра, 1988 г., с.131. Однако данный метод длителен по времени. Обработка одной партии угля происходит в течение 1-2х суток.

Известен способ извлечения серы и серосодержащих соединений из углей мелких классов на концентрационных столах, имеет низкую производительность и высокую трудоемкость, описан в том же источнике на с.130.

Известен способ извлечения серы и серосодержащих соединений из углей в трехпродуктовых тяжелосредных гидроциклонах, где процесс низко продуктивен и неэкономичен, описан в том же источнике на с.130.

Ближайшим аналогом является способ обработки угля с высоким содержанием серы по патенту РФ №2280677, в котором для уменьшения выбросов двуокиси серы при сжигании угля его помещают в среду пониженного давления, достаточного для трещинообразования в части угля, путем извлечения атмосферных флюидов, захваченных внутри угля. Затем приводят содержащий трещины уголь в контакт с водной композицией коллоидной окиси кремния, перенасыщенной карбонатом кальция, и удаляют большую часть водной композиции из контакта с углем. После чего воздействуют высоким давлением на уголь, обработанный водной композицией, в среде двуокиси углерода, в течение периода времени, достаточного для проникновения карбоната кальция в трещины в угле, полученные на первой стадии. Однако данный способ достаточно сложен и трудоемок, т.к. связан с созданием пониженного и повышенного давления, необходимого для «раскрытия угля».

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в упрощении процесса обработки угля при сохранении достаточно высокого извлечения серы из угля.

Новый технический результат обеспечивается за счет того, что в способе обработки угля с высоким содержанием серы, включающем измельчение угля и увлажнение, после увлажнения уголь нагревают до температуры плавления серы, затем осуществляют осаждение серы и серосодержащих соединений на стальные электроды, помещенные в уголь, на которые одновременно подают постоянный ток.

Воздействие напряжения на влажный уголь в воздушно-водной среде при повышенной температуре до температуры плавления серы (119, 4°С) в течение периода времени достаточно для того, чтобы сера, имеющая полярную электроотрицательность, перешла на железный электрод анода. Это дало возможность исключить операции, связанные с созданием пониженного и повышенного давления, и тем самым удалось значительно упростить способ обработки угля. При этом обеспечивается высокая степень извлечения из угля серы и серосодержащих соединений (до 90%).

Для повышения электроотрицательности серы и увеличения электропроводности водоугольного состава увлажнение осуществляют водным раствором NaCl.

Осаждение осуществляют при перемешивании для ускорения процесса извлечения серы из угля.

Измельчение угля осуществляют до крупности частиц менее 2 мм для создания наиболее плотной среды в реакторе с целью наибольшего раскрытия угля. Увлажнение угля осуществляют до 15-20% для создания среды, способной осуществить электролитический процесс.

На стальные электроды подают напряжение до 60 вольт для того, чтобы использовать серу в переходе ее на железный электрод.

Способ осуществляют следующим образом. Измельченный до крупности менее 2 мм уголь помещают в реактор, в котором установлены стальные электроды. Уголь увлажняют водой до влажности 15-20% либо в реакторе, либо загружают в реактор уже увлажненный уголь. После этого уголь нагревают до температуры плавления серы 120°С и одновременно подают на стальные электроды постоянный ток с напряжением до 60 вольт. Для ускорения процесса одновременно массу угля перемешивают.

Пример 1

Были проведены опыты по обработке угля. Опыты проводились в марте месяце 2007 г. в лаборатории ОТК ОАО «Разрез Тугнуйский», расположенной в п.Саган-Нур, республики Бурятия, в следующей последовательности: в навеске угля крупностью 0,02 мм определялась влажность, которая составила 15%. Процентное содержание серы в навеске определялось на приборе фирмы "Lecco" и составило 2,58%. Далее навеска помещалась на фаянсовую пластину, обильно смачивалась артезианской водой, далее в угольный слой поместили два стальных электрода и поместили уголь в муфельную печь с температурой 120°С на 10 минут, одновременно подавая на электроды напряжение постоянного тока 12 В. После остывания проба доводилась до первоначальной влажности, определялось процентное содержание серы, которое составило 1,78%. При диффузионном проникновении и размешивании через определенное время сера органического и неорганического остатка оседает на железный электрод.

Пример 2

В июле месяце 2007 г. в условиях химической лаборатории ООО «Касьяновская ОФ», расположенной в г.Черемхово, Иркутской обл., эксперименты были усложнены: навеска угля крупностью 0,02 мм с содержанием серы в угле 2,81% и влажностью 15% помещалась в термостойкий стакан, по краям которого крепились железные электроды. Стакан помещался в муфельную печь, температура в которой поднималась 120°C, а на электроды одновременно подавалось напряжение 60 В с током до 1А, время воздействия 5 мин.

После остывания проба доводилась до первоначальной влажности, процентное содержание серы в угле составило 0,28% и на положительном электроде наблюдался характерный желтый налет серы.

Приборы, используемые при эксперименте:

Мельница - истиратель пальчиковый ИПС-2×4 мелкого помола, электронные лабораторные весы, прибор для определения содержания серы фирмы «Lecco», источник постоянного тока ВСА-110, анализатор серы и углерода Leco SC-144DR.

При диффузионном проникновении и размешивании через определенное время сера органического и неорганического остатка оседает на железный электрод.

В настоящее время угли с высоким содержанием серы находятся в забалансовых запасах и месторождения таких углей не принимаются к разработке. Предлагаемый способ обработки угля позволит обеспечить снижение серы и серосодержащих элементов в угле на 90%, что в свою очередь позволит внести в разработку угольные месторождения порядка 500 млн т только по России.

1. Способ обработки угля с высоким содержанием серы, включающий измельчение угля и увлажнение, отличающийся тем, что после увлажнения уголь нагревают до температуры плавления серы, затем осуществляют осаждение серы на стальные электроды, помещенные в уголь, на которые одновременно подают постоянный ток.

2. Способ обработки угля с высоким содержанием серы по п.1, отличающийся тем, что увлажнение угля осуществляют водным раствором NaCl.

3. Способ обработки угля с высоким содержанием серы по п.1, отличающийся тем, что осаждение осуществляют при перемешивании угля.

4. Способ обработки угля с высоким содержанием серы по п.1, отличающийся тем, что измельчение угля осуществляют до крупности частиц менее 2 мм.

5. Способ обработки угля с высоким содержанием серы по п.1, отличающийся тем, что увлажнение угля осуществляют до 15-20%.

6. Способ обработки угля с высоким содержанием серы по п.1, отличающийся тем, что на стальные электроды подают напряжение до 60 В.