一種煤炭脫硫並回收單質硫的系統及方法與流程

2024-04-03 12:15:05 1

本發明屬於煤炭清潔化技術領域，涉及一種煤炭脫硫並回收生產單質硫的系統及方法。

背景技術：

我國煤炭資源豐富，煤炭中硫含量平均為1.72％，其中高硫煤(s含量≥2.0％，包括高硫煤和中硫煤)探明儲量約佔煤炭總儲量的1/3，佔原煤生產的16.67％，具有巨大的潛在應用價值。

高硫煤中蘊藏著巨大的硫資源，2016年我國原煤產量共計33.64噸，按煤中s含量為2.0％計算，高硫煤所含的s含量在1121萬噸；2016年我國硫磺產量僅為516萬噸，進口硫磺為1196.1萬噸，對外依存度超過50％，而我國目前高硫煤的使用及硫回收水平低，從煤中回收的硫磺數量很少。此外，高硫煤不經過任何處理直接進行燃燒會造成大量so2排放，對環境造成嚴重汙染，因此急需開發一種經濟可行的高硫煤脫硫及硫資源化回收的技術和方法。

利用微波脫硫是近年來高硫煤脫硫的新方法，微波是頻率在0.3-300ghz，波長在1mm-100cm的電磁波，煤中的黃鐵礦等無機硫在微波下分解，主要釋放出h2s，h2s與少量的so2在煤表面生成單質硫，黃鐵礦在高溫的作用下轉變為磁性黃鐵礦，這種方法可以脫除煤中約50％的硫。us4076607最早提出了這一方法，cn206051972a(一種用於高硫煤脫硫的微波預處理裝置)、cn102816623a(一種微波低溫脫水及脫硫的煤炭提質裝置)及cn105623775a(一種利用微波熱解脫除煤矸石中汞、硫、氮的方法)等均採用了微波輻射對煤炭/煤矸石中的硫進行脫除，但上述方法只考慮了煤炭中硫的釋放方法，普遍忽略了對反應後逸出氣體的收集和硫的回收，受限於反應器類型，已有的專利或未能實現連續生產，或未考慮微波處理過程溫度、微波洩漏等安全問題。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種煤炭脫硫並回收單質硫的系統及方法，該系統及方法能夠同時對煤炭中的硫進行脫除和回收，使煤中總含硫量控制在2.0％以下，硫單質總回收率不低於40％，安全節能，適用於各種煤質高硫煤脫硫及硫的回收。

為達此目的，本發明採用以下技術方案：

本發明的目的之一在於提供一種煤炭脫硫並回收單質硫的系統，包括微波脫硫單元，還包括：

原煤烘乾單元，用於含有so2的燃煤煙氣對煤炭的烘乾，得到乾燥的煤炭並排出換熱後的燃煤煙氣；

廢氣收集單元，用於收集微波脫硫單元產生的含有h2s的氣體；

單質硫反應單元，用於所述含有h2s的氣體與所述換熱後的燃煤煙氣之間的反應，產生單質硫；

其中，所述原煤烘乾單元的出料口與微波脫硫單元的進料口相連，所述廢氣收集單元設置於所述微波脫硫單元的出氣口處，單質硫反應單元的進氣口分別與原煤烘乾單元的出氣口和廢氣收集單元的出氣口相連。

原煤烘乾單元利用燃煤煙氣(煤炭燃燒產生的高溫煙氣)的餘熱烘乾的，一般情況下燃煤煙氣的溫度為160-340℃，利用其熱量烘乾原煤能夠降低能耗，並且不消耗微波脫硫單元中微波的能耗，起到節能的作用。

所述煤炭脫硫並回收單質硫的系統不但能夠將原煤中的硫脫除，還能夠回收單質硫產品，並且能夠同時對燃煤煙氣脫硫。

所述系統還包括原煤破碎單元，所述原煤破碎單元與原煤烘乾單元的進料口相連，或所述原煤烘乾單元通過原煤破碎單元與微波脫硫單元相連。

優選地，所述原煤破碎單元包括破碎機，所述破碎機優選為環錘式破碎機和/或錘式破碎機。

優選地，所述原煤烘乾單元包括烘乾器。燃煤煙氣可通過第一引風機引入所述烘乾器中。

將原煤粉碎並烘乾後再進行微波脫硫能夠大大降低微波的能量損耗和原煤溫度。

優選地，所述微波反應單元包括微波反應器，所述微波反應器內設置有與集中控制系統分別相連的紅外測溫探頭、溼度傳感器和壓力傳感器，以控制微波反應器中原煤的溫度，防止煤在微波反應器中燃燒。

優選地，所述微波脫硫單元還包括微波洩漏抑制裝置，所述微波洩漏抑制裝置設置於微波脫硫單元的底部和/或兩側；所述微波洩漏抑制裝置設置在微波脫硫單元的微波可洩漏位置，防止微波的洩漏。

優選地，所述微波洩漏抑制裝置由石墨和/或合金製成。所述微波洩漏抑制裝置也可由其它的吸波材料製成，只要其能夠防止微波脫硫單元中微波的洩漏即可。

所述系統還包括除塵單元，所述廢氣收集單元的出氣口通過所述除塵單元與單質硫反應單元的進氣口相連；所述除塵單元能夠將集氣罩收集的含有h2s的氣體中的粉塵去除70-90％。

優選地，所述除塵單元包括旋風除塵器、靜電除塵器或布袋式除塵器中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如旋風除塵器與靜電除塵器，靜電除塵器與布袋除塵器等。

優選地，所述廢氣收集單元包括集氣罩，所述集氣罩頂部設置流量調節閥和氣體組分傳感器。

優選地，所述集氣罩為密閉式集氣罩或半密閉式集氣罩，通過側吸或者頂吸的方式對逸散的氣體進行收集，為避免氣流對進出料的影響，所述集氣罩與微波脫硫單元的連接處設置活動側擋板，側擋板底部設計有斜氣流分布孔，利於氣流的向上抬升。

優選地，所述單質硫反應單元包括硫反應器，所述硫反應器中設置催化劑層，所述催化劑層包括經過預處理的al2o3基觸媒催化劑和/或經過預處理的tio2基觸媒催化劑，預處理方法包括氧化還原處理和/或焙燒處理，預處理時間為1-5h，如1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h或4.5h等，預處理溫度為300-600℃，如320℃、330℃、350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、500℃、550℃或580℃等，以提高催化劑的孔隙度和催化活性。所述氧化還原處理只要能夠使得所述催化劑發生氧化還原反應即可。

所述含有h2s的氣體與燃煤煙氣在觸媒的作用下，煙氣中so2和h2s發生克勞斯反應(so2+2h2s→3s+2h2o+615kj/mol)，生成單質硫蒸氣，單質硫蒸氣經過多級冷凝最後形成硫磺副產品，實現單質硫的高效回收。

優選地，所述單質硫反應單元還包括預熱裝置，所述廢氣收集單元的出氣口和原煤烘乾單元的出氣口通過所述預熱裝置與硫反應器的進氣口相連；所述預熱單元用於加熱反應氣體，使其溫度達到反應溫度。所述含有h2s的氣體與燃煤煙氣中的so2進行反應的溫度為200-400℃。

優選地，所述預熱裝置包括換熱器。

所述系統還包括冷凝單元，所述冷凝單元的進料口與單質硫反應單元的出料口相連；所述冷凝單元用於將單質硫反應單元生產的硫單質冷卻，便於儲存。

優選地，所述冷凝單元包括多級增效冷凝器，冷凝器管路內設置尖刺螺紋結構，促進低濃度硫蒸氣冷凝；

優選地，所述系統還包括引風單元，所述引風單元連接於所述單質硫反應單元的出氣口處；所述引風單元能夠將單質硫反應單元中的剩餘氣體引出，排入大氣或通過煙囪排入大氣。

優選地，所述引風單元包括第二引風機。

本發明的目的之二在於提供一種煤炭脫硫並回收單質硫的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)採用含有so2的燃煤煙氣將原煤烘乾，得到乾燥的原煤和換熱後的燃煤煙氣；乾燥的原煤進行微波脫硫，得到含有h2s的氣體；

(2)含有h2s的氣體與換熱後的燃煤煙氣進行反應，生成單質硫。

步驟(1)所述原煤經破碎後再進行烘乾或烘乾後先破碎再進行微波脫硫。

優選地，破碎後的原煤的粒徑為0.1-50cm，如0.5cm、1cm、5cm、10cm、20cm、30cm、35cm、40cm或45cm等。

優選地，步驟(1)所述乾燥的原煤中水的質量百分含量為5％以下，如1％、2％、3％、4％或4.5％等。

將原煤破碎及烘乾後再進行微波脫硫能夠大大降低微波的能量損失。

優選地，步驟(1)所述微波脫硫使用的微波頻率為2500-2600mhz，如2510mhz、2530mhz、2560mhz、2570mhz或2590mhz等，微波功率為300-500w，如320w、350w、380w、400w、430w、450w或480w等，微波脫硫時間為1-5min，如2min、3min、4min或4.5min等。

步驟(2)所述含有h2s的氣體先除塵再與換熱後的燃煤煙氣進行反應。

優選地，所述除塵效率不低於95％，如96％、97％、98％或99％等。

步驟(2)所述反應的溫度為200-400℃，如220℃、250℃、280℃、300℃、320℃、350℃或380℃等。

優選地，步驟(2)所述反應在經過預處理的al2o3基觸媒催化劑和/或經過預處理的tio2基觸媒催化劑的催化下進行，預處理方法包括氧化還原處理和/或焙燒處理，預處理時間為1-5h，如1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h或4.5h等，預處理的溫度為300-600℃，如320℃、330℃、350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、500℃、550℃或580℃等，以提高催化劑的孔隙度和催化活性。所述氧化還原處理只要能夠使得所述催化劑發生氧化還原反應即可。

作為優優選的技術方案，所述煤炭脫硫並回收單質硫的方法包括如下步驟：

(1)將原煤破碎至0.1-50cm後，利用含有so2的燃煤煙氣與破碎後的原煤換熱，得到水的質量百分含量為5％以下的乾燥原煤和換熱後的燃煤煙氣；乾燥原煤進行微波脫硫，微波的頻率為2500-2600mhz，微波功率為300-500w，微波脫硫時間為1-5min，得到含有h2s的氣體；

(2)換熱後的燃煤煙氣與含有h2s的氣體在200-400℃條件下進行催化反應，催化劑為經過預處理的al2o3基觸媒催化劑和/或經過預處理的tio2基觸媒催化劑，預處理方法包括氧化還原處理和/或焙燒處理，預處理時間為1-5h，預處理溫度為300-600℃，得到單質硫產品。

本發明提供的煤脫硫並生產單質硫的方法，不但節約能耗，而且能夠同時處理煤脫硫產生的廢氣和燃煤煙氣，其具有廣闊的工業應用前景。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

1、本發明提供的煤炭脫硫並回收單質硫的系統及方法，工藝設計合理，可操作性性強，適用範圍廣，系統安全穩定，能同時對煤炭中硫進行脫除和回收，處理後的煤炭總含硫量在2.0％以下，硫單質總回收率不低於40％。

2、本發明提供的煤炭脫硫並回收單質硫的系統及方法，工藝流程緊湊，佔地面積小，可適用於燃煤電廠燃燒前煤炭脫硫，利用燃煤鍋爐煙氣餘熱對原煤中水分進行預脫除，降低了水分對微波能量的消耗，實現全系統的優化和節能。

3、本發明提供的煤炭脫硫並回收單質硫的系統及方法，通過觸媒催化高硫煤熱解釋放的h2s和燃煤煙氣中的so2，省去了傳統硫回收工藝中h2s的部分氧化燃燒工序，生成的硫單質經過提純後可作為副產品出售，具有良好的環境經濟效益。

4、本發明提供的煤炭脫硫並回收單質硫的系統及方法微波脫硫過程採用紅外測溫，安裝微波洩漏抑制裝置，保障系統運行的安全，微波反應器在負壓下操作，避免汙染物逸散。

附圖說明

圖1為實施例1提供的煤炭脫硫並回收單質硫的系統的結構示意圖。

其中，1-破碎機；2-烘乾器；3-第一引風機；4-紅外測溫探頭；5-微波反應器；6-微波洩漏抑制裝置；7-集氣罩；8-除塵器；9-換熱器；10-硫反應器；11-冷凝器；12-第二引風機；13-煙囪。

另外，圖1中的實線表示物料流向，虛線表示氣體流向。

具體實施方式

下面結合附圖並通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

實施例1

一種高硫煤炭脫硫並回收單質硫的系統，如圖1所示，所述系統包括：

原煤破碎單元，用於破碎原煤，包括破碎機1，所述破碎機1優選為環錘式破碎機1和/或錘式破碎機1；

原煤烘乾單元，用於烘乾原煤，包括烘乾器2；

微波脫硫單元，用於煤的微波脫硫，包括微波反應器5，所述微波反應器5內設置有與控制系統相連的紅外測溫探頭4、溼度傳感器和壓力傳感器；所述微波脫硫單元還包括微波洩漏抑制裝置6，所述微波洩漏抑制裝置6由石墨和/或合金製成，所述微波洩漏抑制裝置6設置於微波脫硫單元的底部和/或兩側；

廢氣收集單元，用於收集微波脫硫單元產生的含有h2s的氣體，包括集氣罩7，所述集氣罩7頂部設置流量調節閥和氣體組分傳感器，所述集氣罩7為密閉式集氣罩或半密閉式集氣罩；所述集氣罩7與微波反應器5的連接處設置活動側擋板，側擋板底部設置有斜氣流分布孔；

除塵單元，用於對含有h2s的氣體除塵，包括旋風除塵器8、靜電除塵器8或布袋式除塵器8中的任意一種或至少兩種的組合；

單質硫反應單元，用於所述含有h2s的氣體與所述含有so2的燃煤煙氣之間的反應，產生單質硫，包括硫反應器10和換熱器9，所述硫反應器10中設置催化劑層，所述催化劑層包括經過預處理的al2o3基觸媒催化劑和/或經過預處理的tio2基觸媒催化劑，預處理方法包括氧化還原處理和/或焙燒處理，預處理時間為1-5h，如1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h或4.5h等，預處理溫度為300-600℃，如320℃、330℃、350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、500℃、550℃或580℃等；

冷凝單元，用於冷凝硫單質硫反應單元產生的高溫單質硫，包括冷凝器11，所述冷凝器11為多級冷凝器，如2級冷凝器、3級冷凝器、5級冷凝器或10級冷凝器等，冷凝器管路內設置尖刺螺紋結構；

引風單元，用於將單質硫反應單元中未反應的氣體引出，包括第二引風機12；

所述燃煤煙氣通過第一引風機3引入所述烘乾器2中；

其中，破碎機1、烘乾器2和微波反應器5依次相連，集氣罩7設置於所述微波反應器5的出氣口處，集氣罩7的出氣口通過除塵器8和換熱器9與硫反應器10的進氣口相連，燃煤爐的出氣口通過烘乾器2和換熱器9與硫反應器10的進氣口相連，冷凝器11的進料口與硫反應器10的出料口相連；第二引風機12設置於硫反應器10和煙囪13之間。

一種高硫煤脫硫並生產單質硫的工藝流程如下：由儲煤倉輸送過來的原煤進入破碎機1，將原煤破碎為0.1-50cm的粒徑，破碎後的原煤進入烘乾器2由熱燃煤煙氣烘乾脫水，使原煤中水分降低至5％以下，烘乾後的原煤由連續輸送帶輸送至微波反應器5，在2500-2600mhz，功率300-500w的微波中輻照1-5min，脫硫後的原煤去磨煤機磨粉後噴入鍋爐燃燒；

原煤經微波熱解生成的含塵、h2s、so2煙氣被集氣罩7收集後進入除塵器8，除塵器8將粉塵捕集下來，粉塵捕集效率不低於95％，所捕集下來的除塵灰輸送至煤粉倉回用；除塵後的煙氣與經烘乾器2後的熱煙氣混合，經過換熱器9升溫後進入硫反應器10，在觸媒的催化作用下生成硫單質蒸氣，反應溫度在200-400℃，單質硫蒸氣經過多級冷凝最後形成硫磺副產品，實現單質硫的高效回收。

實施例2

利用實施例1所述系統，採用實施例1的高硫煤脫硫並生產單質硫的方法，進行高硫煤脫硫試驗。具體如下：在1000mw燃煤電廠，耗煤量為360t/h，高硫原煤中硫份含量為3.56％，水分含量為6.11％，經過破碎機破碎為20-35cm的粒徑，引風機將240℃鍋爐煙氣引入烘乾機前端，煙氣中so2含量為2000mg/nm3，o2含量為6％，煙氣流量為15×104nm3/h，烘乾後的原煤水分含量降低為4.23％，出口煙氣溫度降至180℃，烘乾後的原煤進入輸送帶，輸送帶輸送量為50t/h，原煤進入微波反應器，在2540mhz，功率300w的微波中輻照3min，脫硫後煤中硫份降至1.44％，總脫硫效率(本發明如無特殊說明所述總脫硫效率是指硫分前後降低的比值)為59.5％。

微波輻照及原煤輸送過程產生的粉塵、h2s等汙染物由集氣罩收集，集氣罩氣體流速為8m/s，氣體流量為15×104m3/h，o2含量為20％，h2s濃度為708mg/m3，氣體溫度為120℃，該煙氣與鍋爐煙氣混合經過換熱後升溫至340℃，在催化劑的作用下發生反應，硫單質轉化率為95％，總硫回收率為56.5％，生成硫單質2.85t/h。

實施例3

利用實施例1所述系統，採用實施例1的高硫煤脫硫並生產單質硫的方法，進行高硫煤脫硫試驗。具體如下：在500mw燃煤電廠，耗煤量為200t/h，高硫原煤中硫份含量為6.24％，水分含量為7.21％，經過破碎機破碎為15-30cm的粒徑，引風機將280℃鍋爐煙氣引入烘乾機前端，煙氣中so2含量為4000mg/nm3，o2含量為6％，煙氣流量為10×104nm3/h，烘乾後的原煤水分含量降低為4.61％，出口煙氣溫度降至160℃，烘乾後的原煤進入輸送帶，輸送帶輸送量為30t/h，原煤進入微波反應器，在2540mhz，功率500w的微波中輻照5min，脫硫後煤中硫份降至1.52％，總脫硫效率為75.6％。

微波輻照及原煤輸送過程產生的粉塵、h2s等汙染物由集氣罩收集，集氣罩氣體流速為10m/s，氣體流量為8×104m3/h，o2含量為18％，h2s濃度為17708mg/m3，氣體溫度為130℃，該煙氣與鍋爐煙氣混合經過換熱後升溫至400℃，在催化劑的作用下發生反應，硫單質轉化率為96％，總硫回收率為72.6％，生成硫單質3.84t/h。

實施例4

利用實施例1所述系統，採用實施例1的高硫煤脫硫並生產單質硫的方法，進行高硫煤脫硫試驗。具體如下：在300mw燃煤電廠，耗煤量為150t/h，高硫原煤中硫份含量為3.15％，水分含量為5.12％，經過破碎機破碎為40-50cm的粒徑，引風機將260℃鍋爐煙氣引入烘乾機前端，煙氣中so2含量為1500mg/nm3，o2含量為6％，煙氣流量為5×104nm3/h，烘乾後的原煤水分含量降低為2.58％，出口煙氣溫度降至160℃，烘乾後的原煤進入輸送帶，輸送帶輸送量為30t/h，原煤進入微波反應器，在2500mhz，功率300w的微波中輻照2min，脫硫後煤中硫份降至1.38％，總脫硫效率為56.2％。

微波輻照及原煤輸送過程產生的粉塵、h2s等汙染物由集氣罩收集，集氣罩氣體流速為10m/s，氣體流量為5×104m3/h，o2含量為18％，h2s濃度為5312mg/m3，氣體溫度為140℃，該煙氣與鍋爐煙氣混合經過換熱後升溫至200℃，在催化劑的作用下發生反應，硫單質轉化率為92％，總硫回收率為51.7％，生成硫單質0.69t/h。

實施例5

利用實施例1所述系統，採用實施例1的高硫煤脫硫並生產單質硫的方法，進行高硫煤脫硫試驗。具體如下：在600mw燃煤電廠，耗煤量為250t/h，高硫原煤中硫份含量為2.65％，水分含量為5.17％，經過破碎機破碎為10-50mm的粒徑，引風機將300℃鍋爐煙氣引入烘乾機前端，煙氣中so2含量為1000mg/nm3，o2含量為6％，煙氣流量為8×104nm3/h，烘乾後的原煤水分含量降低為2.80％，出口煙氣溫度降至150℃，烘乾後的原煤進入輸送帶，輸送帶輸送量為30t/h，原煤進入微波反應器，在2600mhz，功率400w的微波中輻照2min，脫硫後煤中硫份降至1.51％，總脫硫效率為43.0％。

微波輻照及原煤輸送過程產生的粉塵、h2s等汙染物由集氣罩收集，集氣罩氣體流速為10m/s，氣體流量為5×104m3/h，o2含量為18％，h2s濃度為5666mg/m3，氣體溫度為120℃，該煙氣與鍋爐煙氣混合經過換熱後升溫至300℃，在催化劑的作用下發生反應，硫單質轉化率為95％，總硫回收率為40.85％，生成硫單質0.76t/h。

實施例2-5中的催化劑選自經過預處理的al2o3基觸媒催化劑，所述預處理為焙燒處理，焙燒時間為3h，焙燒溫度為500℃。

實施例2-5中的催化劑還可選自上述催化劑之外的經過預處理的al2o3基觸媒催化劑和/或經過預處理的tio2基觸媒催化劑，預處理方法包括氧化還原處理和/或焙燒處理，預處理時間為1-5h，如1.5h、2h、2.5h、3.5h、4h或4.5h等，預處理的溫度為300-600℃，如320℃、330℃、350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、550℃或580℃等。

申請人聲明，以上所述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，所屬技術領域的技術人員應該明了，任何屬於本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。