CN110903881B - 一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，包括陶瓷加热器、铁套筒、刚玉坩埚、石棉和套筒盖，铁套筒套接在陶瓷加热器内，刚玉坩埚放置在铁套筒内，套筒盖抵接在铁套筒顶部端口处，石棉固连在套筒盖上，其中，陶瓷加热器外设有若干组太阳能聚光器，陶瓷加热器一侧插接有正极棒和负极棒，正极棒和负极棒一端均伸入刚玉坩埚内，正极棒与负极棒另一端均伸出陶瓷加热器外且分别套接有正极线和负极线，正极线与负极线末端连接有光伏发电板，本发明具有通过同时利用太阳能光‑热与太阳能光‑电过程驱动煤发生转化的同时，使无机硫与有机硫发生化学反应，进而转化为稳定的硫酸根，以达到对煤净化的优点。

Description

一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备

技术领域

本发明涉及化石能源清洁处理技术领域，尤其涉及一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备。

背景技术

传统的化石能源在发展过程中，不可避免的伴随着环境问题，并且传统能源的不可再生性使化石能源在开采与利用过程中受到很大的制约，这些问题已经受到全世界的关注，这也是我国在经济发展进程中急需解决的问题。我国能源结构是以煤、石油等化石能源为主，其中石油资源随着过度开采，资源已经出现匮乏。但目前煤炭资源丰富，占我国一次能源的75％左右，在未来一段时间内，煤炭仍将是我国能源消费的主要对象。伴随煤的燃烧，排放出大量的二氧化硫、粉尘等大气污染物，这些污染物会直接对空气进行污染，造成酸雨、雾霾等恶性后果，并直接危害人类的生存环境与健康。所以我们需要对煤炭资源进行重新审视，转变煤炭资源单一的利用方式，寻求新的高效的、清洁的煤利用新模式。

目前，已经工业化的煤化工技术均需要较为苛刻的反应条件，反应过程中需要很高的温度与压力，在生产出燃料与化学品的同时会消耗大量的能量，且反应过程中，无法去除煤中的硫、灰分等有害物质，仍会对环境造成污染。就目前煤化工技术而言，仍然无法达到高效、清洁的理想要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的煤炭脱硫对环境产生污染的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，包括陶瓷加热器、铁套筒、刚玉坩埚、石棉和套筒盖，铁套筒套接在陶瓷加热器内，刚玉坩埚放置在铁套筒内，套筒盖抵接在铁套筒顶部端口处，石棉固连在套筒盖上，其中，陶瓷加热器外设有若干组太阳能聚光器，陶瓷加热器一侧插接有正极棒和负极棒，正极棒和负极棒一端均伸入刚玉坩埚内，正极棒与负极棒另一端均伸出陶瓷加热器外且分别套接有正极线和负极线，正极线与负极线末端连接有光伏发电板。

通过采用上述技术方案，将在刚玉坩埚内放入粉碎后的原煤物料，并向刚玉坩埚内注入氢氧化钠固体，此时向正极棒或负极棒通电，同陶瓷加热器对刚玉坩埚进行加热，使原煤粉末物料处于高温电解环境下进行氧化，实现脱硫；利用太阳能STEP理论模型与煤电化学氧化的结合，一方面可以根本解决煤转化过程中能量来源的问题；另一方面可以明显提高煤转化效率，升高电解反应温度，促进电化学反应的进行，减少反应产物的过度氧化，从而提高目标产物的选择性，实现了太阳能混合化石能源转化为化学能，提高了化石能源的品位。

作为对本发明的进一步说明，优选地，正极棒与正极线、负极棒与负极线相交端外螺纹连接有线套管。

通过采用上述技术方案，可使正极棒与负极棒分别与正极线和负极线分离，便于后续将刚玉坩埚提出陶瓷加热器外。

作为对本发明的进一步说明，优选地，石棉顶部固连有进料管，进料管顶部端口伸出石棉外，进料管底部端口穿过套筒盖伸入刚玉坩埚内。

通过采用上述技术方案，方便向密闭的刚玉坩埚内添加煤粉和氢氧化钠固体颗粒。

作为对本发明的进一步说明，优选地，石棉顶端面两侧分别开设有螺纹孔，螺纹孔内分别螺纹连接有进气管和出气管，进气管和出气管底部端口均伸入陶瓷加热器内。

通过采用上述技术方案，设置螺纹孔不仅方便安装进气管和出气管，并且还能起到稳定固定进气管和出气管的作用。

作为对本发明的进一步说明，优选地，套筒盖位于进气管和出气管处开设有通孔，所述通孔的孔壁光滑且口径比进气管和出气管的外径大2～4mm。

通过采用上述技术方案，避免旋入进气管和出气管时出现锁死的问题，保障进气管和出气管能顺利插入陶瓷加热器内，还可起到一定的限位作用，防止进气管和出气管过度摇摆。

作为对本发明的进一步说明，优选地，刚玉坩埚顶部端口两侧固连有套环，套环位于螺纹孔的正下方。

通过采用上述技术方案，当煤粉反应完毕后，卸下进气管和出气管，随后利用天车上的钢绳挂钩穿过螺纹孔后，钩挂在套环上，同时再由额外的钢绳挂钩勾住石棉上的拉环，最后将钢绳挂钩收起，起到将刚玉坩埚取出的作用，便于取料。

作为对本发明的进一步说明，优选地，套环长度方向与刚玉坩埚轴线方向的夹角介于60°～80°之间。

通过采用上述技术方案，在吊钩刚玉坩埚时，可将拉力均匀分布在刚玉坩埚的端口处，有效降低套环在吊钩时出现断裂的风险。

作为对本发明的进一步说明，优选地，套环底部长度方向与顶部长度方向不同，套环底部长度方向与刚玉坩埚长度方向夹角大于120°。

通过采用上述技术方案，可将钢绳挂钩的拉力更多地分散到刚玉坩埚上，提高套环的结构强度，进一步避免套环被拉断。

作为对本发明的进一步说明，优选地，刚玉坩埚外侧壁上贴有温度传感器，温度传感器外连接有连接线，连接线与温控器相连，所述温控器与太阳能聚光器相连。

通过采用上述技术方案，可实现自动控温的效果，保障刚玉坩埚内的温度恒定。

作为对本发明的进一步说明，优选地，太阳能聚光器为凹型球面金属板，太阳能聚光器顶部滑动连接有集热器，若干个集热器均与陶瓷加热器外壁抵接。

通过采用上述技术方案，实现利用太阳能为原煤脱硫提供热能，避免燃烧化石能源或大量消耗电力，使脱硫工作更为清洁环保。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明通过太阳能光-热、光-电转化过程将热能与电能同时作用于煤的化学转化过程，使煤在较高温度下发生电化学反应，进而达到煤转化利用的目的，该过程中全部的能量均来源于太阳能，转化过程中能量输入端为清洁的太阳能，在反应过程中可以将潜在污染物硫元素脱除，形成一个节能绿色环保的过程。

附图说明

图1是本发明的总装效果图；

图2是本发明的剖面图；

图3是本发明的太阳能聚光器结构图；

图4是本发明的光伏发电板的结构图；

图5是本发明的低温区不同温度下的脱硫率；

图6是本发明的中温区不同温度下的脱硫率；

图7是本发明的高温区不同温度下的脱硫率；

图8是本发明的220℃下不同电势条件下脱硫率变化曲线；

图9是本发明的320℃下不同电势条件下脱硫率变化曲线。

图中：1、陶瓷加热器；11、正极棒；12、负极棒；13、线套管；14、正极线；15、负极线；16、温度传感器；17、连接线；2、铁套筒；21、筒沿；3、刚玉坩埚；31、套环；4、石棉；41、进料管；42、螺纹孔；43、进气管；44、出气管；45、拉环；5、套筒盖；6、太阳能聚光器；61、集热器；7、光伏发电板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，结合图1、图2，包括陶瓷加热器1、铁套筒2、刚玉坩埚3、石棉4和套筒盖5，铁套筒2套接在陶瓷加热器1内，刚玉坩埚3放置在铁套筒2内，套筒盖5抵接在铁套筒2顶部端口处，以使铁套筒2内部封闭，石棉4固连在套筒盖5上。

结合图1、图3，陶瓷加热器1为圆柱筒状的电阻式陶瓷加热套，陶瓷加热器1外设有多组太阳能聚光器6，太阳能聚光器6为凹型球面金属板，太阳能聚光器6顶部滑动连接有集热器61，若干个集热器61均与陶瓷加热器1外壁抵接，太阳能聚光器6将照射在面板上的太阳光汇聚到集热器61处，则热量均汇聚到集热器61处，使集热器61产生高温，并且利用抵接的方式，将高温热量传递到陶瓷加热器1处，也可通过增大太阳能聚光器6的体积，进而增大单一集热器61与陶瓷加热器61的接触面积，使陶瓷加热器1受热均匀。

结合图2、图3，刚玉坩埚3外侧壁上贴有温度传感器16，温度传感器16为K型热电偶，温度传感器16外连接有连接线17，连接线17与温控器相连，所述温控器与太阳能聚光器6相连；利用太阳能聚光器6和集热器61实现利用太阳能为原煤脱硫提供热能，避免燃烧化石能源或大量消耗电力，使脱硫工作更为清洁环保；并且借助温控器调节温度，控温范围在(-50℃至1000℃)，测量精度为0.2级，对于K型热电偶其分辨率可达0.1℃，可实现自动控温的效果，保障刚玉坩埚内的温度恒定；且配合集热器61的移动，调整聚焦焦点的位置来改变为刚玉坩埚3所提供的热能，进一步控制刚玉坩埚3内不同的温度，调温方式简单方便。

结合图1、图2，铁套筒2为不锈钢材质制成的筒体，铁套筒2顶部端口外固连有筒沿21，筒沿21表面水平且伸出陶瓷加热器1外，套筒盖5抵接在筒沿21上，不仅能起到固定铁套筒2位置的作用，还可通过吊钩筒沿21的方式将铁套筒2从陶瓷加热器1内取出，便于清洗维护；陶瓷加热器1一侧插接有正极棒11和负极棒12，正极棒11和负极棒12一端穿过铁套筒2伸入刚玉坩埚3内，正极棒11和负极棒12均采用镍制成，正极棒11和负极棒12外还套有陶瓷套，不仅可防止在电解过程中铁套筒2接触到正极棒11和负极棒12发生短路，另一方面是为了防止熔融电解质对于正极棒11和负极棒12的腐蚀而影响电化学转化的效果；正极棒11与负极棒12另一端均伸出陶瓷加热器1外且分别套接有正极线14和负极线15，结合图4，正极线14与负极线15末端连接有光伏发电板7，利用光伏发电板7将太阳能转化为电能为脱硫工作进行供电，避免过度消耗电厂的电力，节省能源消耗，且产能清洁。

结合图1、图2，套筒盖5与筒沿21之间通过机械密封，并且实验时会在缝隙处涂抹耐高温密封胶，确保体系密封性；石棉4顶部固连有进料管41，进料管41顶部端口伸出石棉4外，进料管41底部端口穿过套筒盖5伸入刚玉坩埚3内，设置石棉4可提高升温速率，防止热量通过热传导以及热辐射进行损失，设置进料管41方便向密闭的刚玉坩埚3内添加煤粉、氢氧化钠和氢氧化钾的固体颗粒，设置刚玉坩埚3用于承载高温熔融的电解质，并且可以将电极与铁套筒2隔开，以免发生短路，刚玉坩埚3需要在使用前进行干燥处理，防止使用过程中炸裂；氢氧化钠和氢氧化钾的混合固体颗粒则作为电解质，向正极棒11或负极棒12通电后，同时陶瓷加热器1对刚玉坩埚3进行加热，使原煤粉末物料处于高温电解环境下进行氧化，产生硫化物与煤分离，实现脱硫。

为验证温度能够影响脱硫效率，则需要进行温度实验，此时将20℃～80℃设为低温区，220℃～280℃设为中温区，320℃～380℃设为高温区，随后对不同温区进行实验测试，其中，

煤粉量均为200kg，低温区内的电解质选择为氢氧化钠的水溶液，氢氧化钠的浓度为1mol/L；在中温区内电解质选择为固体氢氧化钠与氢氧化钾的混合物，当NaOH在混合熔盐中摩尔比为0.5时，NaOH与KOH的混熔点达到最低200℃左右；对于高温区，选择固体氢氧化钠作为电解质，318℃时氢氧化钠便可以熔融，并且能够提供较好的导电性；之后对低温区、中温区和高温区通入200V的电解电压进行4h电解，分别得出图5、图6和图7的结果。

结合图5、图6和图7，在低温区内，太阳能STEP煤转化脱硫过程主要脱除的是无机硫，单纯的在低温区内升高温度并不能很明显的改善脱硫过程对于有机硫的脱除。虽然说低温区内的煤脱硫反应可以脱除大部分的无机硫，但是相对于总脱硫率来说并不是很高，脱硫率仍有很大的提升空间；经过对低温区与中温区内太阳能STEP煤转化脱硫效果的研究，可以发现在中温区内无机硫已经反应殆尽，所以总脱硫的提升并不是很明显，有机硫的脱除有了很好的改善，但是有机硫的脱除率仍处于一个较低的水平，无法达到最终的脱除率要求，从低温区到中温区可以看出，升高温度可以有效提高有机硫的脱除率；在高温区，有机硫的脱除率继续随着温度的升高而升高，并且升高的速度有了更大的改善，无机硫的脱除率几乎没有再变化，说明无机硫已经达到脱除的瓶颈，没有再继续提升的空间，而总脱硫率伴随着有机硫脱除率的升高也保持着一定的上升态势；因此在实际生产中，因尽量提升温度，使电极的表面会产生更多的活性氧，这些活性氧会提供更好的氧化效果，并且升高温度可以促进吸热反应的进行，提高反应的反应速率。

为验证本发明通过电解加高温的方式能够实现高效脱硫，则对不同温度下的不同电势对煤粉的脱硫效果进行实验，结合图8和图9，可以发现在较低电位时，主要是无机硫进行脱除，无机硫的脱除率增长要快于有机硫，而当电位较高时，呈现相反的规律，有机硫的脱除率增长速度要高于无机硫。由此分析可得，无机硫与有机硫在发生电化学反应的时候，所需要的电解电势是不同的，有机硫发生电化学氧化的电解电势要高于无机硫，在高温区内对于无机硫与有机硫的脱除所需要的电能更少。

综上所述，本发明可在较高温度和电解电势下能使总体脱硫率达到80％以上，且完全依靠太阳能这种清洁能源进行能量供给，促进电化学反应的进行，减少反应产物的过度氧化，从而提高目标产物的选择性，实现了太阳能混合化石能源转化为化学能，提高了化石能源的品位。

结合图1、图2，石棉4顶端面两侧分别开设有螺纹孔42，螺纹孔42内分别螺纹连接有进气管43和出气管44，套筒盖5位于进气管43和出气管44处开设有通孔，所述通孔的孔壁光滑且口径比进气管43和出气管44的外径大2～4mm，进气管43和出气管44底部端口均通过所述通孔伸入陶瓷加热器1内，设置进气管43和出气管44以方便后续实验对于气体产物进行分析与定量；设置螺纹孔42不仅方便安装进气管43和出气管44，并且还能起到稳定固定进气管43和出气管44的作用，设置通孔避免旋入进气管43和出气管44时出现锁死的问题，保障进气管43和出气管44能顺利插入陶瓷加热器1内，还可起到一定的限位作用，防止进气管43和出气管44过度摇摆。

结合图1、图2，刚玉坩埚3顶部端口两侧固连有套环31，石棉4顶端面两侧固连有拉环45，套环31位于螺纹孔42的正下方，套环31长度方向与刚玉坩埚3轴线方向的夹角介于60°～80°之间，套环31底部长度方向与顶部长度方向不同，套环31底部长度方向与刚玉坩埚3长度方向夹角大于120°；当煤粉反应完毕后，卸下进气管43和出气管44，随后利用天车上的钢绳挂钩穿过螺纹孔42后，钩挂在套环31上，同时再由额外的钢绳挂钩勾住石棉4上的拉环45，最后将钢绳挂钩收起，起到将刚玉坩锅3取出的作用，便于取料；设置套环31在吊钩刚玉坩埚3时，可将拉力均匀分布在刚玉坩埚3的端口处，有效降低套环31在吊钩时出现断裂的风险，并且可将钢绳挂钩的拉力更多地分散到刚玉坩埚3上，提高套环31的结构强度，进一步避免套环31被拉断。

结合图1、图2，正极棒11与正极线14、负极棒12与负极线15相交端外也套有陶瓷套，所述陶瓷套外螺纹连接有线套管13，可使正极棒11与负极棒12分别与正极线14和负极线15分离，在需要取出刚玉坩埚3时，可将正极棒11和负极棒12外露段推入陶瓷加热器1内，便于后续将刚玉坩埚3提出陶瓷加热器1外；后续可先将刚玉坩埚3放置原位后，再通过人工手动插入的方式安装正极棒11和负极棒12，不仅避免刚玉坩埚3在移动时与正极棒11和负极棒12产生干涉，同时还能调节正极棒11和负极棒12在刚玉坩埚3的位置，以保证正极棒11和负极棒12通电后能完全电解煤粉。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，其特征在于：包括陶瓷加热器(1)、铁套筒(2)、刚玉坩埚(3)、石棉(4)和套筒盖(5)，铁套筒(2)套接在陶瓷加热器(1)内，刚玉坩埚(3)放置在铁套筒(2)内，套筒盖(5)抵接在铁套筒(2)顶部端口处，石棉(4)固连在套筒盖(5)上，石棉(4)顶端面两侧分别开设有螺纹孔(42)，螺纹孔(42)内分别螺纹连接有进气管(43)和出气管(44)，进气管(43)和出气管(44)底部端口均伸入陶瓷加热器(1)内，其中，

陶瓷加热器(1)外设有若干组太阳能聚光器(6)，陶瓷加热器(1)一侧插接有正极棒(11)和负极棒(12)，正极棒(11)和负极棒(12)一端均伸入刚玉坩埚(3)内，正极棒(11)与负极棒(12)另一端均伸出陶瓷加热器(1)外且分别套接有正极线(14)和负极线(15)，正极线(14)与负极线(15)末端连接有光伏发电板(7)；刚玉坩埚(3)顶部端口两侧固连有套环(31)，套环(31)位于螺纹孔(42)的正下方；套环(31)长度方向与刚玉坩埚(3)轴线方向的夹角介于60°～80°之间；套环(31)底部长度方向与顶部长度方向不同，套环(31)底部长度方向与刚玉坩埚(3)长度方向夹角大于120°。

2.根据权利要求1所述的一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，其特征在于：正极棒(11)与正极线(14)、负极棒(12)与负极线(15)相交端外螺纹连接有线套管(13)。

3.根据权利要求1所述的一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，其特征在于：石棉(4)顶部固连有进料管(41)，进料管(41)顶部端口伸出石棉(4)外，进料管(41)底部端口穿过套筒盖(5)伸入刚玉坩埚(3)内。

4.根据权利要求1所述的一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，其特征在于：套筒盖(5)位于进气管(43)和出气管(44)处开设有通孔，所述通孔的孔壁光滑且口径比进气管(43)和出气管(44)的外径大2～4mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，其特征在于：刚玉坩埚(3)外侧壁上贴有温度传感器(16)，温度传感器(16)外连接有连接线(17)，连接线(17)与温控器相连，所述温控器与太阳能聚光器(6)相连。

6.根据权利要求5所述的一种用于对煤炭进行高温脱硫的设备，其特征在于：太阳能聚光器(6)为凹型球面金属板，太阳能聚光器(6)顶部滑动连接有集热器(61)，若干个集热器(61)均与陶瓷加热器(1)外壁抵接。

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