酸浸法去除烟气脱硫活性焦中酸溶性矿物的研究

孟园，王涛，熊超，王连升，安良，石零

酸浸法去除烟气脱硫活性焦中酸溶性矿物的研究

孟园，王涛，熊超，王连升，安良*，石零*

（江汉大学 工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，湖北 武汉 430056）

活性焦中的酸溶性矿物在烟气脱硫过程中会溶解，污染脱硫产物。本研究尝试采用酸浸法去除活性焦中的酸溶性矿物，系统研究了搅拌速率、酸浸时间、盐酸浓度、固液比例对除灰效果的影响。结果表明：盐酸可以有效浸出活性焦中的酸溶性矿物，酸浸处理的最佳工艺条件为：搅拌速率200 r/min、酸浸时间12 h、盐酸浓度10%wt、固液比例30∶100。

活性焦； 烟气脱硫 ； 矿物； 灰分； 酸解

活性焦是煤炭干馏的产物之一，它具有活性炭的碳含量高、存在内部孔道结构等特点[1]。虽然活性焦的比表面积远小于活性炭，但其表面活性基团更为丰富，且市场价格更为低廉，因此可以替代活性炭，用于烟气脱硫[1]。活性焦的主要原料是灰成分含量较高的煤炭，导致活性焦中一般含有5%~20%的无机矿物（灰分）[2]。无机矿物主要包含黏土类矿物、硫化物、碳酸盐及氧化物等，其中硫化物、碳酸盐和部分氧化物均不耐酸腐蚀[3]。由于烟气中含有水蒸气，活性焦脱硫过程中会生成H2SO4，因此活性焦表面会形成高温酸性环境，导致活性焦中的部分无机矿物溶解。溶解的矿物会污染脱硫产物，降低脱硫产物的价值。本研究尝试对烟气脱硫活性焦进行酸浸处理，以期在活性焦使用之前除去酸溶性矿物，避免对脱硫产物造成污染。

1 实验部分

1.1 实验原料

浓盐酸为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。活性焦为烟气脱硫专用9 mm柱状活性焦，购于河南省平顶山市某炭业公司。将购得的活性焦粉碎至80目以下，然后采用《焦炭工业分析测定方法(GB/T 2001-2013)》对活性焦粉末进行工业分析。分析结果中水分含量为9.8%，灰分含量为15.51%，挥发分含量为19.78%，固定碳含量为54.91%。

1.2 酸浸实验

酸浸除灰处理的具体流程如下： 将浓盐酸稀释，配制一定浓度稀盐酸。称取一定质量活性焦粉末，加入一定体积稀盐酸，然后磁力搅拌。酸浸时间达到后，采用抽滤的方式进行固液分离。收集黑色固体，用纯水洗涤，直至洗涤液达到中性为止。最后将固体置于烘箱中，120oC条件下干燥12 h，获得除灰后的活性焦粉末。采用《焦炭工业分析测定方法(GB/T 2001-2013)》测定酸浸处理后的活性焦粉末的灰分，并计算其灰分去除率。本研究中重点探究了搅拌速率、酸浸时间、盐酸浓度、固液比例四个影响因素。

2 结果与讨论

2.1 搅拌速率的影响

在无机矿物的酸性浸出处理过程中，搅拌与否以及搅拌的快慢往往会影响酸溶性矿物浸出的速率和浸出率。因此，本研究首先探究了搅拌速率对活性焦灰分和灰分去除率的影响，实验过程中固定酸浸时间为8 h，盐酸浓度为5%wt，固液比例为20∶100，改变搅拌速率，实验结果如图1所示。可以观察到，酸浸过程中不施加搅拌，处理后的活性焦残余灰分最高，灰分去除率最低，分别为12.22%和21.21%。随后，随着搅拌速率的升高，残余灰分呈现先减小后增加的趋势，而灰分去除率则呈现先增大后减小的趋势，搅拌速率为200 r/min时，酸浸效果最佳。在合适的搅拌速率下，盐酸溶液中的活性焦颗粒会保持悬浮状态，并迅速运动。因此，固液可以充分接触，确保酸溶性矿物与盐酸迅速反应，并快速浸出[4]。但在实验过程中还观察到，当搅拌速率过快时，会有部分活性焦颗粒附着于烧杯内壁上部，该部分活性焦无法与盐酸接触，因此酸溶性矿物难以有效浸出，并最终导致整体活性焦样品的灰分较高，灰分去除率较低。

图1 搅拌速率对活性焦灰分和灰分去除率的影响

2.2 酸浸时间的影响

从本质上讲，活性焦中酸溶性矿物的浸出过程属于化学反应过程，因此酸浸时间（即反应时间）是必要考虑的因素。实验过程中固定搅拌速率为400 r/min，盐酸浓度为5%wt，固液比例为20∶100，改变酸浸时间，实验结果如图2所示。

图2 酸浸时间对活性焦灰分和灰分去除率的影响

酸浸时间为2 h时，处理后的活性焦残余灰分和灰分去除率分别为12.08%和22.11%，此后随着酸浸时间的延长，残余灰分呈现逐渐降低的趋势，而灰分去除率则呈现逐渐升高的趋势。当酸浸时间达到48 h，活性焦残余灰分和灰分去除率分别达到11.75%和24.24%，此时活性焦中的酸溶性矿物的去除效果最佳。分析以上数据可以发现，延长酸浸时间确实可以增强酸溶性矿物的去除效果，但增强的幅度有限。若仅从脱除效果角度考虑，可以尽量延长酸浸时间；但若考虑到生产效率，则可以适当缩短酸浸时间。

2.3 盐酸浓度的影响

酸浸法的原理是活性焦中的部分酸溶性矿物与H+反应，然后以离子形态溶出，因此反应体系中H+的浓度会显著影响矿物的浸出效果[5]。反应体系中H+的浓度高低既可以直接用pH值度量，也可以采用盐酸的浓度衡量。实验过程中固定搅拌速率为400 r/min，酸浸时间为8 h，固液比例为20∶100，改变盐酸初始浓度，实验结果如图3所示。

图3 盐酸浓度对活性焦灰分和灰分去除率的影响

当盐酸初始浓度为1%wt时，处理后的活性焦残余灰分为12.44%，而灰分去除率仅为19.79%。此后，随着盐酸浓度的逐步升高，灰分逐渐降低，灰分去除率则逐渐升高。当盐酸初始浓度达到20%wt时，两项指标均达到极值，此时灰分和灰分去除率分别为11.66%和24.82%。显然，在固定其他因素的前提下，提高盐酸初始浓度可以有效提升酸溶性矿物的去除效果。但是需要注意的是，不能盲目提高盐酸初始浓度，一方面高浓度盐酸易挥发产生酸雾，不仅会浪费盐酸，还会污染环境、腐蚀设备[6]；另一方面，盐酸浓度过高也会增大处理后的活性焦后期清洗的难度。

2.4 固液比例的影响

在酸浸处理活性焦的过程中，固液比例会影响处理后活性焦的灰分去除率，同时还会影响活性焦除灰过程的生产效率。实验过程中固定搅拌速率为400 r/min，酸浸时间为8 h，盐酸浓度为5%wt，改变固液比例，实验结果如图4所示。图中可以观察到，随着固液比例的升高，灰分曲线呈现“平台—上升”的变化趋势，而灰分去除率曲线则呈现“平台—下降”的变化趋势。当固液比例达到60∶100，活性焦除灰效果最差。此时，处理后的活性焦样品灰分高达12.64%，灰分去除率仅为18.50%。分析图中灰分和灰分去除率各自对应曲线的变化规律，可知固液比例选择30∶100更为合适。

图4 固液比例对活性焦灰分和灰分去除率的影响

3 结 论

（1）采用盐酸浸泡（酸浸）的方法可以有效除去活性焦中的部分无机矿物，搅拌速率、酸浸时间、盐酸浓度和固液比例四个因素均会影响酸浸处理的效果。

（2）活性焦酸浸处理的最佳工艺条件为：搅拌速率200 r/min、酸浸时间12 h、盐酸浓度10%wt、固液比例30∶100。

（3）在烟气脱硫之前，预先对活性焦进行酸浸处理可以有效降低酸溶性矿物的含量，也将有效提高脱硫产物硫酸或硫酸盐的质量。

［1］Li J, Kobayashi N, Hu Y. The activated coke preparation for SO2adsorption by using flue gas from coal power plant[J]., 2008, 47(1): 118-127.

［2］肖勇, 刘振宇, 刘清雅, 等. 化学吸附方法表征V2O5在活性焦上的分散性[J]. 燃料化学学报, 2008, 36 (3): 257-260.

［3］吴强, 彭同江, 孙红娟, 等. 四川广元石煤提钒工艺矿物学特征及含钒矿物分析[J]. 矿物学报, 2018, 38 (3): 329-335.

［4］孙文瀚, 代淑娟, 罗娜, 等. 基于矿石溶解性差异的菱镁矿酸浸脱钙[J]. 中国有色金属学报, 2019, 29 (08): 1733-1739.

［5］黄欢, 张国范, 刘德志, 等. 硫化镍精矿-软锰矿在酸性条件下的协同浸出[J]. 有色金属工程, 2019, 9 (6): 55-60.

［6］王小云, 李坚, 王艳磊, 等. 改性粉煤灰在酸雾治理方面的研究[J]. 环境工程学报, 2008, 2 (5): 675-678.

Removal of Acid-soluble Minerals From Activated Coke for Flue Gas Desulfuration With Acid Leaching Method

,,,,,

（Hubei Key Laboratory of Industrial Fume and Dust Pollution Control, Jianghan University, Hubei Wuhan 430056, China）

Acid-soluble minerals in activated coke can be dissolved out and pollute the products in flue gas desulfurization process. In this research, the acid leaching method was applied to remove acid-soluble minerals from activated coke, and the influences of stirring rate, acid leaching time, concentration of HCl, and solid-liquid ratio on the removal efficiency of acid-soluble minerals were studied systematically. The results showed that the optimum conditions for acid leaching process were as follows: the stirring rate 200 r/min, the acid leaching time 12 h, the concentration of HCl 10%(wt), and the solid-liquid ratio 30∶100.

activated coke; flue gas desulfurization; minerals; ash; acidolysis

沈阳工业大学科研成果介绍

高浓难降解有机废水预处理集成装备

适用范围：制药、农药、颜料、焦化等行业高浓度难降解有机废水。

参照标准：一般厌氧生化处理技术进水要求。

技术优势：

设备集合电催化氧化、两级微电解、混凝工艺优势，适宜于多种行业高浓度难降解有机废水处理，处理效率高；集装箱式集成化设计，便于运输、移动；设备中不同容器水力停留时间可调节，适应水质水量变化。

联系人：梁吉艳 电话：024-25497158，E-mail：liangjiyan2005@126.com

X701.3

A

1004-0935（2020）04-0334-03

2019年湖北省技术创新专项重大项目，项目号：2019ACA160。

2019-1-8

孟园（1998-），男，河南省固始县人，江汉大学化学工程与工艺专业本科生。

安良（1989-），男，讲师，研究方向：化工污染防治；石零（1968-），男，教授，研究方向：大气污染控制。