Обессеривание углей

ОБЕССЕРИВАНИЕ УГЛЕЙ (а. соal desulphurization; н. Kohleentschwefelung; ф. dessoufrage des charbons, desulfuration des charbons; и. desulfuracion de carbones) — процесс (или совокупность процессов), способствующий снижению содержания серы в углях.

Иногда под обессериванием углей понимают процессы образования газообразных соединений серы при термообработке (коксовании, сжигании, газификации и т.д.) углей. Повышенные содержания серы в углях ухудшают их качество, обусловливают при энергетическом использовании значительное увеличение расходов и опасность загрязнения среды токсичными оксидами серы, а при коксовании — ухудшение качества кокса и увеличение его расхода при выплавке чугуна. Например, увеличение сернистости угля на 0,1% приводит к снижению производительности доменной печи и росту расхода кокса (на 1,8%). С другой стороны, угли представляют один из главных потенциальных сырьевых источников серы. Обессеривание углей рассматривается как способ решения этих двух задач.

Эффективность обессеривания углей определяется составом и распределением соединений серы в углях. В угле присутствуют неорганическая (в основном дисульфиды железа — пирит, марказит, с небольшим количеством сульфатов), иногда элементарная сера и органические соединения. Соотношения между неорганической (пиритной) и органической серой зависят от содержания общей серы. Угли классифицируют в зависимости от содержания общей серы на низкосернистые (до 1,5%), среднесернистые (1,5-2,5%), сернистые (2,5-4%) и высокосернистые (свыше 4%). При содержании серы в пределах этих групп соотношения между неорганической и органической серой примерно постоянны для углей одного месторождения. В малосернистых углях преобладает сера органическая.

При термообработке углей сера распределяется между твёрдыми (жидкими) и газообразными продуктами. При газификации и сжигании углей основное количество содержащейся в них серы переходит в газообразные соединения (соответственно Н₂S или SC₂ с небольшой примесью SO₃). Полукоксование и коксование характеризуются меньшей степенью удаления серы в виде газообразных продуктов (до 35-45% от исходного количества).

Для обессеривания углей применяют разделение на фракции, отличающиеся по плотности, магнитным, электростатическим, флотационным свойствам (физические методы), химическую обработку, бактериальное выщелачивание, а также сочетание этих методов. Физические методы обеспечивают снижение содержания серы на 10-60% в концентратах преимущественно за счёт удаления пиритной серы. Эффективность физических методов обессеривания углей при обогащении определяется природой соединений серы в угле (соотношением органических и неорганических соединений серы, размером пиритных включений и др.), уровнем техники и технологии, применяемых на обогатительных фабриках (глубиной дробления, точностью разделения, аппаратурным оформлением и т.д.).

Если в угле сера сосредоточена в виде крупных конкреций пирита (например, угли некоторых месторождений Подмосковного угольного бассейна), то разделением по плотности (сепараторы с магнетитовой суспензией, пневматические сепараторы и др.) достигается существенное (до 60%) снижение содержания серы (по средней с исходной) в концентрате (плотность < 1800 кг/м³). При этом в тяжёлой фракции (плотность 2200-2400 кг/м³) содержание серы составляет 35-40% и её используют как пиритный концентрат в химической промышленности при производстве серной кислоты, а также в металлургии как серосодержащую добавку при переработке окисленных никелевых руд. Углесодержащая глинистая фракция (плотность 1800-2200 кг/м³) представляет собой эффективное топливно-минеральное сырьё для производства строительных материалов (кирпич, пористые заполнители и др.). Это определяет возможность комплексного использования всей горной массы, добываемой на месторождениях сернистых (высокосернистых) углей, в которых основное количество серы содержится в виде крупных пиритных включений. В углях большинства месторождений, например Донбасса, преобладающее количество пирита представлено зёрнами размером 10-15 мк. Поэтому при обогащении подобных углей физическими методами, используемыми в промышленном масштабе (отсадка, тяжелосредные сепараторы, гидроциклоны, противоточная сепарация и др.), снижение содержания серы в концентратах невелико (от 4 до 22% по отношению к содержанию серы в исходном угле). Особенно низка степень обессеривания углей мелких классов, для повышения которой используют комбинирование нескольких типов сепараторов, например тяжелосредних гидроциклонов и концентрации столов. Обычно при флотации содержание серы в концентрате либо снижается не более чем на 11-22%, либо остаётся равным содержанию серы в исходном угле. Более эффективное обессеривание углей достигается при сепарации в центробежном поле в средах с плотностью, большей 1000 кг/м³ (органические жидкости, растворы солей).

Пиритные включения имеют низкую магнитную восприимчивость, которая может резко увеличиваться при температурной обработке и окислении в результате структурных изменений и образований новых соединений (FeSl+х). Для выделения из углей тонких включений пирита применяют высокоградиентную магнитную сепарацию, а также предварительно проводят "магнетизирующий" обжиг (скоростная паровоздушная термообработка, нагрев в ВЧ и СВЧ-полях, обработка газообразным пентакарбонилом железа и др.).

Химические методы, основанные на действии окислительных и реже восстановительных агентов, приводят к переводу серы в газообразные или растворимые в водных средах продукты. Например, паровоздушная обработка при 200-350°С углей Донбасса переводит 55% исходного количества серы в SO₂ с примесью SO₃. Под действием водных растворов окислителей (например, азотная кислота) из угля извлекается практически всё количество неорганических и свыше 70% органических соединений серы. Перспективное использование раствора сульфата железа, что позволяет организовать замкнутый, практически безреагентный процесс обессеривания углей. Для углей некоторых месторождений заметная степень обессеривания углей достигается при бактериологическом выщелачивании сероокисляющими хемоавтотрофными микроорганизмами (до 90% пиритной серы).