綠色化的煤炭生物脫硫技術及其應用
摘要：綠色化學是從源頭解決污染問題的一門環境無害化學技術。其基本思想與煤炭洗選加工和潔凈煤技術是一致的。本文強調了綠色化的生物選礦技術在煤炭加工領域應用的重要性, 通過對綠色化的煤炭生物脫硫選礦技術現狀及特點的分析, 認為建立在綠色化學基礎上的綠色煤炭生物加工技術將會在煤炭加工與綜合利用以及煤礦環境與生態保護等方面發揮更大的作用。
關鍵詞：綠色化學,煤炭加工,生物學,脫硫
1 綠色化學的興起及其生物學研究范疇
綠色化學包括了所有可以降低對人類健康和對環境產生負面影響的化學方法與技術。其本質是從源頭上徹底阻止污染的產生。同時, 綠色化學追求高選擇性反應過程, 極少副產品, 甚至能達到原子經濟性、實現零排放。因此, 綠色化學不僅可以防止環境污染, 而且還可提高資源利用率, 增加經濟效益。
綠色化學與其它相關學科有著密切的聯系。這些相關學科包括生命科學中的一些學科, 如生物學、生理學和生物化學等, 以及物理學、計算機科學、材料學、地質學和工程學等等。從生物化學的角度來說, 利用生物體內某種生物酶來抑制有害微生物的生長或者有害物質的產生, 或者是利用微生物對某種礦物質的選擇性作用來生產無害和潔凈礦物質的生物選礦技術等, 如煤炭生物加工技術應該屬于綠色化學的范疇, 因為其加工過程是生物化學過程。
2 綠色化的煤炭生物加工技術及其應用
傳統的煤炭加工過程是在相對嚴格的工藝條件下進行。具有流程復雜, 能耗高等特點。不僅如此, 在煤炭加工過程的同時, 往往伴隨有毒有害物質的產生, 不僅會造成嚴重的污染, 而且會造成煤炭資源浪費等問題。因此, 當前迫切需要采用環境友好的礦物加工新技術、新方法來替代或改造傳統的礦物加工方法。選煤界目前對綠色化學在煤炭加工領域應用的重要性已有了更深的認識。
2.1 綠色化的煤炭生物脫硫選礦技術
煤炭是重要的工業能源, 但煤炭工業中一直存在著一個急切需要解決的一難題, 即由于煤中含硫 (有機硫和無機硫) 過高, 用作燃料在燃燒過程中要釋放出高濃度的二氧化硫等有害氣體和塵埃, 對人體健康和動植物的生長都有影響, 并造成金屬腐蝕。
為了保護環境, 1998 年國家環保部門會同有關部門劃定了酸雨和SO2 污染控制區, 制定了兩控區內煤炭、電力等重點行業SO2 污染的控制規劃。由此, 煤炭生產企業和煤炭加工利用行業都千方百計地降低煤的含硫量, 以減少污染。同時, 由于煤炭中硫每上升0.1 % , 焦比要升高1.2 %～210 % , 生鐵產量要降低2 % , 為此, 國家有關部門規定, 煉焦和發電廠用煤的含硫量必須在1 %以下, 一般用煤含硫量必須在1.5 %以下。
目前煤炭脫硫有燃前脫硫、燃中固硫和燃后煙氣脫硫等三種方法。其中, 目前常用生物脫硫方法是浸出法和表面氧化法。
(1) 生物浸出脫硫
生物浸出法就是利用微生物的氧化作用將黃鐵礦氧化分解成鐵離子和硫酸, 硫酸溶于水后將其從煤炭中排除的一種脫硫方法。
該法優點是裝置簡單, 只需在煤堆上撒上含有微生物的水, 通過水浸透, 在煤中實現微生物脫硫, 生成的硫酸在煤堆底部收集, 從而達到脫硫的目的。為提高浸出率, 開發了用于生物浸出的反應器(空氣攪拌式、管道式、水平轉筒式等) 。該法研究歷史較長, 技術較成熟。由于是將煤中硫直接代謝轉化, 當采用合適的微生物時, 還能同時處理煤中無機和有機硫, 理論上有很大應用價值。其缺點是處理時間較長(數周) 。原因是所用的硫桿菌屬于自養型微生物, 生長速度慢。
(2) 表面處理法
這是一種將微生物技術與選煤技術結合起來, 開發出的一種微生物浮選脫硫技術, 即微生物表面處理法。該法是把煤粉碎成微粒, 與水混合, 在其懸浮液下通入微細氣泡, 使煤和黃鐵礦表面均附著氣泡, 在空氣和浮力作用下, 煤和黃鐵礦會一起浮到水面。但是, 如果將微生物加入懸浮液中, 由于微生物附在黃鐵礦表面, 使黃鐵礦表面由疏水性變成親水性。與此同時微生物卻難以附著在煤粒表面, 所以煤表面仍保持疏水性。這樣煤粒上浮, 而黃鐵礦則下沉從而把煤和黃鐵礦分離, 達到煤炭中脫除黃鐵礦的目的。
該法優點是處理時間短, 當采用對黃鐵礦有很強專一性的微生物(如氧化亞鐵硫桿菌) 時, 能在數秒種之后就起作用, 抑制黃鐵礦上浮, 整個過程幾分鐘就完成, 脫硫率較高。該法與浸入法相比, 煤炭回收率較低。
2.2 煤炭生物脫硫存在問題
利用微生物脫除煤中硫的方法目前存在幾個主要問題: ①如何獲得更好更多的微生物菌株, 特別是篩選到脫除煤中有機硫的菌株。②穩定的脫硫作用。據報道有幾個菌株能用于脫除煤中有機硫, 但脫除有機硫的穩定性不高, 結果的重視性很差。③ 有機硫的測定方法。目前最通用的方法是美國檢測材料學會(ASTM) 編號為D2492 的方法。該法采用化學法分析煤炭樣品, 測定總硫、硫酸鹽和二硫化鐵(從中計算二硫化鐵中的硫含量) 從總硫含量中減去硫酸鹽和二硫化鐵的含量, 間接得到有機硫的含量。
2.3 進一步研究
目前, 有人開始將煤炭微生物技術與非生物乳化技術相結合, 提出了煤炭脫硫的生物—非生物綜合新技術, 這樣可大大縮短脫硫反應時間。近年來美國能源署一直提供資金資助煤炭有機硫的脫除研究。最近又集中資助采用遺傳工程方法, 研究開發能夠更快更完全脫除煤炭有機硫的微生物菌種。盡管煤炭生物脫硫還處于試驗階段, 但它在經濟上很有競爭力, 是一種很有前途的煤炭燃前脫硫方法。
3 結束語
我國對綠色化學方面的研究工作, 遠不如國外開展的廣泛和深入。國際上還建立許多與綠色化學有關的網站。而國內綠色化學方面的資料不多, 特別是綠色化學在煤炭加工和資源二次回收利用方面的應用研究的論文很少。隨著我國對綠色煤炭生物加工技術重視和研究工作的不斷深入, 建立在綠色化學基礎上的綠色選煤技術也會在煤炭加工與綜合利用以及煤礦環境與生態保護等方面發揮更大的作用。
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