能源是社会发展的重要基础, 我国煤炭资源极为丰富, 传统利用方式不仅造成了对环境的污染问题, 同时能源的转化效率也较为落后, 因此提升煤炭资源的利用率势在必行。整体煤气化联合循环发电技术 (以下简称为IGCC) , 是目前较为先进的煤炭转换技术。IGCC的原理是煤炭经过气化进入净化环节, 之后通过燃烧方式进而促使燃气机发电。与此同时, 排气所产生了高压蒸汽会继续推动蒸汽机产生运转发电。燃气机与蒸汽机的同时工作, 最大限度地提升了煤炭资源转化为电能的效率。本文针对研究IGCC中的煤气净化阶段, 由于煤气化后, 会产生大量的污染物质, 而硫化物作为污染物质中的重要危害成分, 不仅会对环境造成危害, 而且会腐蚀设备装置, 因此脱硫净化成为了IGCC的关键环节, 对于发电系统的高效运作影响至关重要。因此, 选择稳定、高效和具有再生能力的脱硫剂既是技术本身的需要, 同时也关乎企业成本的降低以及经济效益的提升。
整体煤气化联合循环发电技术在前期需要将煤炭完全气化, 进而在高温 (352~1202) ℃的状态下, 利用脱硫剂与硫化物进行化学反应, 最终使硫产物实现有效分离。一般来讲, 煤炭气化后, 其中大部分的硫化物会以硫化氢存在, 只有少部分呈现为有机硫的形式。因此脱硫原理以硫化氢为例, 脱硫过程为:金属氧化物与硫化氢在高温下反应生成金属硫化物和水, 而金属硫化物经过氧化再进而生成金属氧化物和二氧化硫。而二氧化硫是制取硫磺产品的重要输出原料, 其经济价值极为重要。
氧化铁物质储备量大、资源丰富而且在成本方面相对廉价, 因此在目前高温煤气脱硫中受到了广泛的应用。此外, 氧化铁基脱硫剂还具有脱硫速率高、工艺简单、高反应再生循环利用能力强、安全可靠以及易于操作等特点, 是粗净化环节的首选。
铁基脱硫剂的脱硫精度较低, 对于硫化氢的处理能力较强, 而对于有机硫的脱除能力相对较差, 一般脱硫效率仅能达到75%-85%, 而且对于氢气、水蒸汽和一氧化碳较为敏感, 尤其受氧气和水蒸气的影响很大, 易造成再生过程的晶变粉化现象。此外, 长时间高温循环后, 脱硫效率也会大打折扣。
该工艺对脱硫剂的要求不严, 因此适合于脱硫剂颗粒较大的应用。然而其反应时温度不易控制, 且二氧化硫的稳定较差, 脱硫剂爆炸的潜在威胁需要引起注意。
该工艺的连续操作性能十分良好, 然而要求脱硫剂十分耐磨。同时阀门耐温和腐蚀问题也不容忽视。目前较为典型的工艺应用包括IGC和GE移动床工艺。
该工艺的特点是脱硫剂颗粒小, 动力反应十分迅速, 而且接触性能良好, 因此操作处理过程十分便捷和稳定。然而其缺点是需要高强度的耐磨脱硫剂, 这一方面增加了成本, 另一方面对于后续维护会带来一定的难度。
1975年, 美国率先研究开发出氧化铁脱硫剂, 通过高温固定床试验对硫化氢脱除达成了将近90%的效率, 至此打开了铁基作为高温煤气脱硫剂的开端。而后, 铁基脱硫剂不断快速发展升级, 美国西弗吉尼亚大学对铁脱硫剂进行了配比的改良, 尤其在还原与硫化动力学方面又取得了突破性的进展, 而且提升了高温状态下的脱硫效果。与此同时, 日本也抓紧了对氧化铁脱硫剂的研究, 日本Akita大学和冈山大学分别采用了铁基副产品和混合原料法, 使得高温铁基脱硫剂在降低生产成本的同时, 又提高了脱硫的反应性能和稳定性。而荷兰Delft大学运用了浸渍法也使得脱硫效率不断增强。
国内对氧化铁脱硫剂的研究进步相对晚一些, 随着科技和科研水品的不断发展以及国家对煤化产业的日益重视, 近年来, 我国对氧化铁脱硫剂的研究取得了飞跃性地进展。首先, 华东师范大学对氧化铁在高温脱硫下进行了跟踪调查, 进而得出高温状态下, 其还原能力持续增强, 此时高分散的元素铁是活性硫的主要推动因素, 与中低温完全不同, 并且产物为硫化铁。其次, 太原理工大学煤化所一直专注于对铁基脱硫剂的研究, 其研究重点主要针对于钢厂赤泥作为脱硫剂的应用, 研究表明400~600℃的脱硫参数中, 随着温度的提升, 脱硫效果持续增强, 随后会趋于平缓和稳定, 而且在自主产权专利的研发中具有极强的代表能力。此外, 太原理工大学卢晓芳等人还设计和开发了有关铁锰比的脱硫剂, 最终得出氧化锰的还原性高于氧化铁, 尤其是运用铁锰混合脱硫剂中, 伴随着锰比重的增加, 还原和脱硫效果会大大增强。
总之, 高温煤气脱硫剂的选择不仅仅是氧化铁, 许多金属氧化物都可以实现脱硫净化的目标。然而不同脱硫剂都会有各自的利弊, 氧化铁基也是如此。随着煤化企业对IGCC的日益重视, 铁基脱硫剂作为脱硫净化的重要环节, 也要在技术上与时俱进, 不断开拓创新。而且必须确保脱硫精度以及再生效果的稳定, 同时不断提升机械强度、稳定性和脱硫活性, 最后还要充分考虑硫回收的效益性。
摘要：随着社会的发展, 对于煤炭资源的利用需求与日俱增。整体煤气化联合循环发电作为燃煤发电技术的新趋势, 具有热效率高和环保污染低等不可替代的优势。高温煤气脱硫是整体煤气化联合循环发电技术的关键环节, 而脱硫剂的脱硫与再生性能是确保高温煤气脱硫效果的核心保障。本文主要以氧化铁基脱硫剂作为研究对象, 探讨了国内外铁基脱硫剂的发展进程及思考。
关键词：氧化铁基,高温煤气,脱硫剂
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