CN102517098A - 适用于流化体系可再生锰系高温煤气脱硫剂的制备方法 - Google Patents

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曾兵
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Abstract

本发明涉及一种可再生的适用于流化体系的高温煤气脱硫剂的制备方法,属于脱硫剂的制备领域。该脱硫剂采用浸渍法制备,由锰氧化物43~68wt%,氧化铝22~57wt%组成,即将拟薄水铝石置于转盘造粒机中,添加铝溶胶溶液作为粘结剂成型,然后经老化、干燥、煅烧等工序制得一定粒度的氧化铝载体;以上述制备方法制备的氧化铝作为载体,采用醋酸锰溶液浸渍,经干燥、焙烧、控制浸渍次数就可得到不同Mn含量的脱硫剂。通过上述制备方法制备出的脱硫剂具有脱硫性能好、可再生、高温下能保持较好的机械强度等特点,适用于高温下的流化体系,可用于800°C~900°C的高温煤气脱硫。

Description

适用于流化体系可再生锰系高温煤气脱硫剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于高温煤气脱硫的可再生脱硫剂的制备方法,适用于发电、化工等领域高温煤气的干法净化。
背景技术
   我国是一个煤炭大国,煤炭消耗约占一次能源消耗的75%左右,其中很大一部分煤用在发电行业中。目前传统的火力发电效率仅有30%~40%,我国的煤炭发电技术仍较落后,发电效率仅有30%左右,且污染物排放严重,存在严重的环境污染。
整体煤气化联合循环发电技术即IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)技术,由于其潜在的对环境友好性、经济性及高效性,在世界范围内被广泛采用。所谓IGCC是指煤在气化炉内高温下用氧气或空气进行气化生成高温煤气,生成的粗煤气经过净化工艺后进入燃气室进行高温燃烧推动燃气轮机发电,燃气轮机的高温乏气加热锅炉产生蒸汽,蒸汽推动蒸汽透平实现的联合发电方式。典型的煤气化炉操作温度高于1000℃,出口温度在800℃~900℃,通常含有0.5%~1.5%的硫化氢,粗煤气在进入燃气轮机前必须进行净化,以免腐蚀高温操作的燃气轮机。传统的湿法脱硫是将高温煤气先冷却,再用溶剂吸收脱除硫化氢,然后再将煤气加热利用。湿法脱硫技术较为成熟,但需在常温下进行,浪费了煤气显热,还需增设热交换设备,增加了设备投资,降低了煤气的经济效益。与湿法脱硫相比,高温煤气脱硫可回收煤气中约15%~20%的显热,发电效率提高2%以上,并省去了换热设备,减少了设备投资。
  我国是钢铁大国,对如海绵铁等铁源的需求量很大。如果采用煤气竖炉生产海绵铁最低吨铁能耗可以降到425 kg标准煤,与高炉铁水相比降低20%。竖炉还原煤气进口温度要求为850°C ,为了满足竖炉还原气的组成要求,煤气化操作应在1400~1500°C,经出口热能回收后,出口温度在800°C~900°C,热煤气含0.1%~1.5%的硫化氢。因此,只能使用可再生的吸附脱硫工艺,脱硫温度最好在850°C左右。可再生高温脱硫技术不仅可以避免热能损失,同时也回收硫得到可贵的硫资源。
高温煤气脱硫净化主要是借助于一些可再生的单一或复合金属氧化物与硫化氢或其他硫化物发生反应而达到去除的目的。目前世界上运行的几套IGCC示范电站及竖炉冶炼海绵铁,仍沿用低温脱硫。究其原因,并非高温脱硫剂的硫容和脱硫效率不达标,而是脱硫剂在高温使用过程的粉化及煤气中的粉尘堵塞等工程问题,这严重影响了脱硫剂的再生,还会引起脱硫剂的损耗和煤气含尘量的增加,严重制约了高温煤气脱硫过程的稳定进行。脱硫剂粉化是复杂的工程现象,包括晶变粉化、机械粉化、热粉化、化学粉化,寻求一种高硫容、高效率、高脱硫温度(850℃)、高强度、抗粉化的脱硫剂一直是大家所关心热点问题。
   很多金属氧化物具有脱硫活性,脱硫温度和脱硫精度变化很大。铁酸锌、钛酸锌、铜基吸附剂等脱硫剂在中温范围内具有很好的脱硫再生性能,我国太原理工大学在铁系、钛酸锌系列脱硫剂研究方面已经有很成功的经验。但Zn、Fe等金属氧化物系列脱硫剂在850°C高温还原气体中不稳定,如铁氧化物将被还原成单质铁,而直接影响它们的机械强度和吸附硫容。CN1317548公开了一种采用压片机压制成片状主要成分为铁酸锌的高温可再生脱硫剂,脱硫温度500℃,具有较好的脱硫精度,强度高,抗粉化能力强。CN101440313公开了一种采用共沉淀法制备的主要成分为铁酸锌的高温脱硫剂,然后经挤条得到柱状脱硫剂,使用温度400℃,具有良好的脱硫性能和机械强度。但是,在850℃的高温煤气中,氧化铁,氧化锌等脱硫剂将被还原成单质铁,单质锌而挥发,且易高温粉化,直接影响了他们的机械强度和脱硫性能。
  Mn系氧化物脱硫剂可在800~1000℃的高温环境中使用,具有较好的高温脱硫性能和稳定性。但是,单纯的MnO2做脱硫剂时,产物Mn-S不能再生。荷兰Delft大学采用r-Al2O3负载的方法解决了Mn脱硫剂的再生问题。CN102021046A采用挤压成型得到了柱状锰铜高温煤气脱硫剂,脱硫温度为800℃,具有良好的脱硫性能,抗粉化性能强,但是未见再生实验研究。CN102039086A公布了一种采用干法挤压成型的铁锰高温脱硫剂,机械强度高达100N/cm,具有良好的脱硫性能。以上两份专利公布的含锰脱硫剂虽有较高的机械强度和脱硫性能,但据Bin Liang等人的报道,无负载的硫化锰是不能再生的。
 
发明内容
   本发明高温煤气脱硫剂及制备的目的在于解决高温煤气脱硫脱硫剂使用中脱硫活性、再生、机械强度等问题,公开一种以氧化锰为活性组分、氧化铝为载体及Clause催化剂,添加特种粘结剂成球的一种硫容高、易再生、脱硫效率高、抗压碎强度、耐磨强度等机械强度较好且能有效抗粉化的适用于流化脱硫再生体系脱硫剂的制造方法。
  本发明高温煤气脱硫剂,主要活性组分为氧化锰和氧化铝。主活性组分是氧化锰,850℃下具有较高的脱硫精度和脱硫效率;氧化铝作为主活性组分氧化锰的载体,同时还是Clause反应的催化剂。成 1-3mm球形,堆密度0.9-1.3g/cm3,比表面积18-61m2/g,其特征在于氧化铝球作为载体,通过多次浸渍,Mn均匀负载,经过高温焙烧后形成彼此分布良好的尖晶石结构,再生后,氧化铝呈骨架分散氧化锰,Mn的负载量最大可达47.2%,硫容可达27.5%。新鲜脱硫剂抗压碎强度>200N/cm,经六次循环后抗压碎强度稳定且>105N/cm,磨损率<1%。
   本发明涉及高温煤气脱硫剂的制备方法,其特征为:其一,采用转盘造粒机成型拟薄水铝石作为高温脱硫剂的载体,该法是将拟薄水铝石置于转盘造粒机中,添加铝溶胶溶液作为粘结剂,控制铝溶胶溶液PH值2-4、重量百分数6%,加液量17%,圆盘倾角55°,停留时间4h,成型后的拟薄水铝石小球经110℃干燥,700℃焙烧便制得平均强度180N/cm的氧化铝载体小球;其二,制备出的氧化铝载体小球,采用2mol/L的乙酸锰溶液浸渍,控制浸渍次数就可得到不同Mn含量的脱硫剂。
   本发明制备过程如下:将高纯拟薄水铝石细粉放于高速剪切制粒机中,以3%硝酸溶液作为粘结剂制得0.2-0.5mm母球,之后将制得的母球置于间隙式转盘造粒机中,铝溶胶溶液作为粘结剂,模拟工业转盘造粒机的连续生产过程,通过分样筛对高纯拟薄水铝石进料的同时,不断用小型喷雾器喷入液体粘结剂,液量比为17%,调节圆盘倾角55°,经4h停留时间得到1-3mm小球,在干燥箱中110℃干燥24h,700℃下焙烧6h,便制得高强度的氧化铝球形载体。用2mol/L的乙酸锰溶液浸渍氧化铝球形载体,浸渍时间12h,并于850℃(脱硫再生温度850℃)下煅烧6h,通过控制浸渍次数便可得到不同Mn含量的脱硫剂。
  脱硫剂活性测试在固定床石英反应器内进行。反应器内径18mm,脱硫剂装填量15g,脱硫剂粒径1.5-2.0mm,理论硫容23.2,空速2000h-1,常压,反应温度850℃,反应气体组成(体积比)为:N280%,H219%,H2S1%,评价指标为脱硫剂的硫容、脱硫效率及机械强度。经过六次硫化再生循环后有效硫容为21.9,脱硫效率达到95%以上,机械强度稳定在105N/cm。
   本发明的高温煤气脱硫剂可用于整体煤气化联合循环(IGCC)及海绵铁冶炼(DRI)技术的精脱硫,其活性高且稳定、反应速度快、硫容高、净化效率高、脱硫饱和和易再生、机械强度好、能有效抵抗脱硫剂粉化。
具体实施方式
   实施例1:分别称取100g0.2-0.5mm拟薄水铝石母球和1.5kg高纯拟薄水铝石粉,母球置于直径0.4m的转盘造粒机中,采用分样筛缓慢向圆盘中加拟薄水铝石粉的同时通过小型喷雾器按一定速率喷入质量分数6%的铝溶胶溶液,铝溶胶溶液PH保持在2-4之间,待小球长大到要求大小后停止加料和喷液并保持停留时间4h。筛选1.5-2mm拟薄水铝石小球在110℃下干燥24h,700℃焙烧6h,得到活性氧化铝载体小球。
   实施例2:采用2mol/L的乙酸锰溶液对上述制得的活性氧化铝球形载体浸渍12h,微波干燥20min,850℃焙烧活化。通过控制不同的浸渍次数,得到Mn含量分别为21.62%、30.12%、37.31%、42.03%的四种脱硫剂样品。测试其在固定床中的脱硫性能如表1所示。
表1 脱硫剂的Mn含量、穿透时间、硫容及脱硫效率
Figure 2012100009721100002DEST_PATH_IMAGE001
操作条件:温度850℃,空速2000h-1,循环次数6次
可见,脱硫剂有较好的脱硫效率。
   实施例3:本发明制造的脱硫剂其显著特点是在保证有良好硫容及脱硫效率条件下,有稳定的机械强度。为此,对实施例2中3#样品进行六次脱硫再生循环的机械强度进行了多次测试,见表2。由此可知,经六次再生循环后脱硫剂机械强度虽有下降,但仍旧保持在较高值,且六次循环后机械强度稳定。
表2 3#脱硫剂六次脱硫再生循环后机械强度变化
一次循环 二次循环 三次循环 四次循环 五次循环 六次循环
106N/cm 105.5 N/cm 106.5 N/cm 107 N/cm 107 N/cm 107.5 N/cm
 [0017]   实施例4:称取六次脱硫再生循环后的实施例2中3#样品50.3362g,置于内径60mm有机玻璃流化床中,空气作为流化气体、气速2m/s、常压,流化100h后取出脱硫剂称重为49.8532g,得脱硫剂磨损率为0.96%。可见,脱硫剂具有较好的抗磨损强度。

Claims (9)

1.一种可再生高温煤气脱硫剂及其制备方法,脱硫剂特征在于其可以应用于高达800C-900C的高温煤气脱硫,硫容高,机械强度好,可再生使用。
2.根据权利要求1,高温煤气是指煤气化得到的高温煤气,通常温度在800°C -900°C之间,硫含量在0-1%之间,高温煤气中主要含有CO、H2、CO2、H2S、N2等气体。
3.根据权利要求1,脱硫是指脱除高温煤气中的H2S组分,脱硫剂的化学组成主要为锰、铝为主的复合氧化物,利用脱硫剂与H2S反应生成硫化物的形式,将S固定在脱硫剂中,从而从煤气中除去。
4.根据权利要求1,可再生是指脱硫剂与H2S反应后,生成了硫化态化合物,该硫化态化合物可以通过与空气、水蒸气、SO2等含氧气体反应转化为氧化态的化合物而得到再生,再生过程中释放出的硫以SO2、H2S、S的形式回收并资源化利用,再生后的脱硫剂可以继续用于煤气脱硫。
5.根据权利要求1,脱硫剂的机械强度好是指脱硫剂能克服在高温流化体系使用过程的粉化、破碎问题,脱硫剂粉化或破碎会严重影响脱硫剂的再生,还会引起脱硫剂的损耗和煤气含尘量的增加,制约了高温煤气脱硫过程的稳定进行。
6.权利要求1中所述高温煤气脱硫剂的制备方法,其特征在于采用转盘造粒机成型拟薄水铝石作为高温脱硫剂的载体,该法是将拟薄水铝石置于转盘造粒机中,添加铝溶胶溶液作为粘结剂成型,然后经老化、干燥、煅烧等工序制得一定粒度的氧化铝载体。
7.权利要求1中所述高温煤气脱硫剂的制备方法,其特征是采用浸渍法制备均匀分散的锰铝复合氧化物,具体步骤为采用权利6所述制备方法制备的氧化铝作为载体、醋酸锰溶液作为浸渍液,通过多次浸渍得到不同锰含量的脱硫剂,经过干燥和煅烧等工序制备出具有高活性的可再生脱硫剂。
8.权利要求6中所述氧化铝载体制备方法,其特征在于采用转盘造粒机成型,将拟薄水铝石置于转盘造粒机中,添加铝溶胶溶液作为粘结剂,控制铝溶胶溶液PH值2-4、重量百分数6%,加液量17%,圆盘倾角55°,停留时间4h,成型后的拟薄水铝石小球经110℃干燥12h,850℃焙烧6h便制得平均强度180N/cm的氧化铝载体小球。
9.权利要求7中所述脱硫剂制备方法,其特征在于选取根据权利要求6所述制备方法制备出的2mm氧化铝载体小球,采用2mol/L的醋酸锰溶液浸渍,然后经120℃干燥12h,850℃焙烧6h,控制浸渍次数就可得到不同Mn含量的脱硫剂,同时Mn的负载量会引起脱硫剂强度和活性之间的交互作用,通过优化可确定最佳Mn负载量。
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