CC BY
56
УДК 622.791:622.333
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ДЕСУЛЬФУРАЦИЯ УГЛЯ
Кирнарский А. С., Гаевой В.В.
Национальная горная академия Украины (г. Днепропетровск)
Нестеренко А.Ф.
Институт общей и неорганической химии (г. Киев)
Рудницкий А. Г.
Украинский государственный химико-технологический университет
(г. Днепропетровск)
В настоящее время в технологиях обогащения, применяемых на углеобогатительных фабриках Украины, десульфурация угля является процессом, осуществляемым попутно с обогащением по золе, при этом его эффективность резко снижается при наличии соединений серы в виде органической составляющей или тонковкрапленных в угольное вещество зерен пирита. В этом случае необходимо применение химических методов десульфурации с использованием активных агентов-окислителей, позволяющих переводить сернистые соединения в растворимые соли или инертные соединения. Как свидетельствуют данные патентной и научно-технической литературы, наиболее часто применяют химические методы, предусматривающие окисление серы угля в атмосфере кислорода, насыщенного водяного пара или в растворе перекиси водорода. Однако, первые два требуют для своей реализации высоких давлений, для последнего необходимо использовать свежие растворы, вследствие низкого времени существования перекисных соединений, что связано с определенными трудностями.
В предлагаемой работе представлены результаты исследований метода электрохимической десульфурации угля в водной среде при воздействии тлеющего разряда с образованием активной перекиси водорода, способной эффективно окислять пиритную составляющую серы. Ниже мы остановимся на теоретических и практических аспектах данного метода.
Как известно [1], тлеющий электрический разряд представляет собой разновидность газового разряда с падающей характеристикой, когда один из электродов (анод) находится в газовой фазе, а другой электрод (катод) погружен в жидкость на некоторую глубину. Для инициирования тлеющего разряда в модельной ячейке реактора создается разрежение порядка 0,01 МПа и на электроды накладывается необходимая разность потенциалов (3000 - 4000 В). Здесь следует отметить, что необходимым условием существования традиционного тлеющего разряда, реализуемого между электродами, находящимися в газовой фазе, является довольно низкое давление газа (порядка 10 Па). Процессы, необходимые для существования тлеющего разряда реализуются в прикатодной зоне в области катодного падения потенциала, при этом функции катода выполняет узкий поверхностный слой жидкости. В этих условиях протяженность области катодного падения потенциала уменьшается до значений, при которых напряженность поля в ней возрастает до106 В. Так как область катодного падения потенциала расположена в непосредственной близости от поверхности жидкости, то вполне естественно предположить, что причиной эмиссии электронов из жидкой фазы является не только бомбардировка поверхности жидкости положительными частицами, образованными в положительном столбе тлеющего разряда, но и явление автоэмиссии, вызванное существованием поля высокой напряженности вблизи жидкой фазы. Таким образом, благодаря испаряющемуся катоду, что приводит к автоэмиссии электронов с поверхности жидкости, возможно существование тлеющего разряда при давлениях выше порядка 10 Па.
При реализации тлеющего разряда в системе газ-жидкость возможно протекание следующих химических реакций [2, 3]:
Активными агентами, инициирующими химические превращения в жидкости являются радикалы, которые образуются в верхнем, довольно узком слое жидкости и диффундируют в основную массу раствора на некоторую глубину.
2Н2О ^ ОН- + Н3О+
(1)
(2)
(3)
ОН- - е- ^ ОН
На основании вышеприведенных положений о химических превращениях в воде при воздействии тлеющего электрического разряда можно предполагать о возможности десульфурации угля в данных условиях. Химические реакции происходящие при этом следующие:
в области прилегающей к катоду
3
Бе82 + 2Н2О2---> Бе(ОН)з + 82;
в поверхностных слоях жидкой фазы
7
Бе82 + Н2О + 2 О2-> Бе8О4 + Н28О4;
2^° + *8° + 2 02 Р^ОДз + Н20.
При проведении экспериментальных исследований использовали питание ГЦ-1000 ЦОФ "Комсомольская", предварительно подвергнутое одностадийному разделению на стендовой установке винтового сепаратора. В результате, при содержании серы в исходном сырье 2,02%, были получены концентрат с содержанием серы 1,92 % и отходы - 2,21%.
Далее полученный концентрат измельчали в агатовой ступке на механическом истирателе до следующих крупностей: -1 мм; -0,63 мм; -0,16 мм; -0,074 мм.
В качестве управляющих факторов были приняты следующие технологические параметры процесса: Я - крупность измельчения, мм; I - сила тока, мА; ? - время обработки, с; к - расстояние от анода до поверхности жидкости, мм.
Уровни варьирования факторов, выбранные на основании данных предварительных экспериментов, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Уровни варьирования факторов
Уровень Фактор
Я, мм I, мА ґ, с к, мм
1 2 3 4 5
1 0,074 80 300 3
продолжение табл. 1
1 2 3 4 5
2 0,160 100 600 5
3 0,630 120 1200 7
4 1,000 140 1800 9
Исследование процесса электрохимической десульфурации каменного угля проводили на лабораторной установке, представленной на рис. 1 по следующей методике. Готовили пульпу с содержанием твердой фазы 250 г/л, которую загру-
Рис. 1. Лабораторная установка десульфурации в тлеющем разряде. жали в реактор. Объем пульпы составлял 30 см3. Технологические параметры процесса устанавливали согласно план-матрице экспериментов (табл. 2). Перед началом каждого из опытов к реактору подавали хладоагент (водопроводная вода) для отвода излишнего тепла и создавали разрежение порядка 0,01 МПа во избежание образования электрической дуги. В процессе обработки было заметно интенсивное выделение пузырьков на катоде, при этом вода приобретала бурою окраску, что свидетельствовало о выделении гидроокисных соединений железа. После истечения времени обработки пульпу подвергали фильтрованию и промывке водопроводной водой.
Таблица 2
План-матрица экспериментов и их результаты
№ п/п Значения факторов Содержание серы после обработки, % Относительное снижение содержания серы после обработки ДБ, %
Я, мм I, мА ґ, с И, мм экспериментальное расчетное
1 0,63 120 300 3 1,76 12,70 14,58
2 0,16 120 1200 3 1,57 22,29 23,00
3 0,16 100 600 3 1,65 18,30 18,41
4 0,074 100 300 9 1,59 21,50 19,69
5 1,00 120 300 7 1,73 14,34 13,28
6 0,074 120 1200 5 1,47 27,35 26,89
7 1,00 80 1800 3 1,76 12,75 12,42
8 0,63 140 300 5 1,70 15,69 16,32
9 1,00 100 1200 9 1,73 14,28 13,88
10 0,63 80 600 7 1,79 11,46 11,84
11 0,16 80 1800 5 1,69 16,40 18,00
12 0,16 140 1200 7 1,53 24,38 25,75
13 0,074 80 600 9 1,64 18,71 18,28
14 0,63 100 600 5 1,72 14,72 13,95
15 0,074 140 1800 7 1,36 32,72 31,72
16 1,00 140 1800 9 1,62 19,73 18,71
Полученные продукты десульфурации подвергали анализу на содержание серы по стандартной методике, результаты которого приведены в табл. 2.
Для получения математической модели процесса использовали метод планирования эксперимента по случайно сбалансированному плану. Критерием применимости составленного плана служила максимальная корреляция между значениями факторов, которая составила 5%.
Как видно из табл. 2, наиболее низкое значение содержания серы в обработанном угле получено в опыте №15 - 1,36% при следующих значениях режимных параметров процесса:
крупность измельчения, Я - 0,074 мм; сила тока, I - 140 мА; время обработки, ? - 1800 с;
расстояние от анода до поверхности жидкости, к - 7 мм.
На основании экспериментальных данных с применением стандартных программ на ПЭВМ была получена следующая математическая модель, связывающая
относительное снижение содержания серы после обработки AS с технологическими параметрами процесса, которая имеет следующий вид:
т 0,7322 > 0,1284
А« = 0Д917 . %.
Анализ графических зависимостей представленных на рис. 2, 3, 4 показывает, что основное влияние на процесс десульфурации оказывает крупность твердой фазы и сила тока в электрохимической цепи, причем основное влияние имеет крупность измельчения. Следует отметить, что исходя данных, представленных на рис. 3 и 4, с ростом силы тока существенно возрастает влияние остальных факторов процесса, в особенности крупности измельчения, что указывает на то, что исходный уголь необходимо либо измельчать перед обработкой, либо подбирать его гранулометрический состав таким образом, чтобы достичь преобладания мелких и тонких классов крупности.
Рис. 2. Зависимость снижения содержания серы от времени обработки и силы тока.
Рис. 3. Зависимость снижения содержания серы от времени обработки и крупности измельчения.
Рис. 4. Зависимость снижения содержания серы от силы тока и крупности измельчения.
Список литературы.
1. Еремин Е.Н. Элементы газовой электрохимии. - М.: Изд-во Московского университета, 1968. - 212 с.
2. Кравченко А.В., Рудницкий А.Г. Исследование явления биполярности в условиях электрохимической неравновесности // Тез. докл. областной научн. техн. конф.: "Химия, химическая технология, химическое машиностроение". - Днепропетровск. - 1991.
3. Кравченко А.В., Нестеренко А.Ф., Кублановский В. С. О некоторых реакциях, протекающих при люминесцентном электролизе // Доповіді НАН України. -1996. - № 7. - С. 115-120.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
«Комсомольская»,
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
КИН_2
в:\По работе в универе\2002\Папки 2002^1аЬ8_02 С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат1^\М1сго80й\ШаблоныШогта1Ло1т При проведении экспериментов использовали питание ГЦ-1000 ЦОФ предварительно подвергнутое одностадийной мокрой винто-вой сепарации
Андрей
24.07.2002 16:13:00 2
24.07.2002 16:13:00 Гитис Л.Х.
0 мин.
28.11.2008 18:58:00
7
1 381 (прибл.) 7 874 (прибл.)
