氣化爐排灰用于焦化廢水處理的研究

第34卷第2期煤炭轉化Vol.34 No, 22011年4月COAL CONVERSIONApr. 2011氣化爐排灰用于焦化廢水處理的研究張繼柱”張永奇2) 王洋3)摘要利用預處理后的氣化爐排灰對焦化廢水進(jìn)行了深度處理,通過(guò)吸附實(shí)驗研究了處理焦化廢水的工藝條件,并對其吸附原理進(jìn)行了初步探討.研究結果表明,通過(guò)篩分和浮沉實(shí)驗能夠有效分離出灰分,富集排灰中的富含碳灰渣,其含碳量可達到80%;富含碳灰渣具有較快的吸附速率,在2h左右達到吸附飽和;富含碳灰渣用量為30 g/L時(shí)COD。去除率可達到88% ; F reundlich吸附等溫式能較好地描述吸附過(guò)程.富含碳灰渣具有較大比例的中孔結構,有利于吸附處理焦化廢水,吸附速率大. .關(guān)鍵詞灰渣,富集,半焦,焦化廢水,吸附中圖分類(lèi)號TQ536. 4灰渣中的灰分和富含碳灰渣(半焦)進(jìn)行分離富集.0引言焦化廢水是在煤制焦炭、煤氣凈化及焦化產(chǎn)品本實(shí)驗采用了先篩分后浮沉實(shí)驗對流化床排灰進(jìn)行回收過(guò)程中產(chǎn)生的有毒有害高濃度廢水,其成分復了分離和富集,然后利用分離富集后富含碳部分(半焦)對焦化廢水進(jìn)行吸附實(shí)驗.雜,含有85%左右的酚類(lèi)化合物、難降解的脂肪族、雜環(huán)類(lèi)以及多環(huán)芳香族化合物等有機物，還包括硫.1實(shí)驗部分化物、氰化物和氨氮等無(wú)機物,屬于較難生化降解的1.1 原料及儀器高濃度有機廢水. [1]焦化廢水多采用生化法進(jìn)行處理,能達到較好的效果,COD。值一般能降到400原料采用某流化床氣化排灰,基本性質(zhì)見(jiàn)表1.表1灰渣的基本性質(zhì)mg/L左右,但遠不能達到國家一級排放標準.隨著(zhù)Table1 Basic properties of slag國家對環(huán)保要求的提高,對焦化廢水進(jìn)行深度處理.Specific suface area/具有重要的意義.煤氣化是潔凈煤技術(shù)中最重要的Proximate analysis/% ,ad. (m2.g-1)Pariclesize/ mm核心技術(shù).流化床氣化技術(shù)由于具有傳熱和傳質(zhì)特_A M V FC SET SMIc SMESO52.83 5.28 4.59 37.3 89.952 27.9<6性好、流通量大、氣化條件溫和、適應煤種寬以及能.Note: SeerBET surface area; Smc-- Micropore surface areas利用碎煤等優(yōu)點(diǎn),是-一個(gè)發(fā)展很快的技術(shù).由于流化SMEsO- Mesopore surface area;%一Percent of weight.床氣化過(guò)程本身固有的缺陷,即排灰中灰和炭完全本實(shí)驗所用的焦化廢水取自太原市某焦化廠(chǎng)二分離困難以及細粉的帶出，使得氣化轉化率低.因.級處理后的廢水.主要水質(zhì)指標COD。值為390此,如何利用排灰中的炭對提高整個(gè)氣化過(guò)程的經(jīng)mg/L~570 mg/L,pH=6. 5.濟性具有重要的意義.灰渣中的含碳部分實(shí)際上就儀器:LAMOTTE水質(zhì)多功能分析儀.吸附柱:是部分氣化后的半焦,具有一定的比表面積,與活性直徑12mm,高度270mm,有效容積為30mL..炭相比,含有較高比例的中孔和大孔及較多的灰分.1.2實(shí)驗方法富含碳灰渣的比表面積低于活性炭,但成本低,硬度高,性質(zhì)與活性炭相近. [41廢水中許多有機物分子較1.2.1灰渣的 預處理大,微孔在吸附過(guò)程中不起作用.的正是由于這些特利用不同孔徑的篩子(1.5 mm和3 mm)對氣點(diǎn),富含碳灰渣在廢水治理過(guò)程中具有廣泛的應用化排灰進(jìn)行篩分篩分后的不同粒徑的灰渣在氯化前景.為有效利用氣化爐排灰中的含碳物質(zhì),必須把鋅(天津市東麗區天大化學(xué)試劑廠(chǎng)生產(chǎn),AR)溶液中中國煤化工.國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目<2007 AA05Z327)和中國科學(xué)院知識創(chuàng )YHC N M H G究員、博士生導師,中1)碩士生,中國科學(xué)院研究生院100049北京;中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所,030001太原收稿日期:2010-11-09;修回日期:2010-12-13第2期張繼柱等氣化爐排灰用于焦化廢水處理的研究87進(jìn)行浮沉實(shí)驗,溶液密度為1.8 g/cm*.處理后的灰以利用這些富含碳灰渣處理焦化廢水.由于密度渣在干燥箱內烘干,烘干后放在干燥器內備用.p>1.8g/cm'的灰渣含碳量較低,比表面積較小，1.2.2靜態(tài)吸附實(shí)驗吸附效果較差,因此選用>1.5 mm,1. 5 mm~室溫下,向100 mL具塞錐形瓶中加人一定量3 mm(p<1.8 g/cm2),<3 mm(p<1.8 g/cmh)三種.的預處理后的灰渣,然后向各個(gè)錐形瓶中加入富含碳灰渣進(jìn)行實(shí)驗.50 mL焦化廢水,再將錐形瓶放在攪拌器上攪拌一2.2pH值對COD。去除率的影響定的時(shí)間,最后進(jìn)行過(guò)濾,測量濾液的COD。值,計算不同條件下COD。的去除率.用稀硫酸(太原化肥準確稱(chēng)量三種不同粒徑的富含碳灰渣1. 0000g, .廠(chǎng)化學(xué)試劑廠(chǎng)生產(chǎn),AR)和氫氧化鈉(天津市東麗區分別置于三個(gè)具塞錐形瓶中,然后分別加入不同天大化學(xué)試劑廠(chǎng)生產(chǎn),AR)溶液調節廢水的pH值.pH值的廢水50 mL,攪拌相同的時(shí)間后過(guò)濾,最后用水質(zhì)多功能分析儀測量濾液的COD。值,考察pH1.2.3 動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗室溫下，廢水以一定的流量通過(guò)裝有高100 mm值對灰渣處理焦化廢水的影響,結果見(jiàn)圖2..預處理后灰渣的吸附柱,測量出水后廢水的COD。濃度,作動(dòng)態(tài)吸附曲線(xiàn).實(shí)驗流程見(jiàn)圖1.0F門(mén)6054567891pFL6圖2 pH 值對COD。去除率的影響Fig.2 Effect of pH on COD。removal rate圖1動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗 流程■-<1.5 mm;●- >3 mm;▲- -1. 5 mm~3 mmFig.1 Flow chart of column adsorption experiment由圖3可以看出,pH值的變化對富含碳灰渣1一Air eylinder;2-- Reducing valve;3-- Water storage吸附處理焦化廢水的結果有很大影響.隨著(zhù)pH值tank;4- Flowmeter;5-- Adsorption column;6- Water quality analyzer增大,富含碳灰渣的吸附效果逐漸降低,在pH=3.5時(shí)粒徑為1.5 mm~3 mm的富含碳灰渣的2結果與討論COD。去除率達到了94%, 處理后廢水濃度為2.1灰渣預處理結 果26 mg/L.在實(shí)驗的pH值范圍內,富含碳灰渣的COD,去除率也都在60%以上,具有很好的吸附效灰渣預處理后的性質(zhì)見(jiàn)表2. .表2預處理后灰渣的碳含量和比表面積的變化果.富含碳灰渣中起吸附作用的物質(zhì)主要是半焦,研Table 2 Changes of the carbon content and specie surface究表明,溶液的pH值對半焦(活性焦)吸附的影響area of slag after pretreatment主要表現在兩個(gè)方面:一是影響半焦的表面電荷;二Size fraction/2/ Carbon content/ Ash content/ Specific surlace是控制溶液中酸性或堿性化合物離解的程度.[6焦nm(g. cm~”)%area/(m2 *g 1)化廢水中含有大量的酚類(lèi)等有機物,這些有機物在<1.562.7036.63較高的pH值時(shí)會(huì )發(fā)生解離,半焦的吸附效果就會(huì )1.5~381. 1813.3319降低.切由于隨著(zhù)pH值的增大COD。去除率會(huì )逐9.1490.13 .2>3<1.879.6316.5812漸降低,吸附過(guò)程可選擇在偏酸環(huán)境下進(jìn)行.83.96由表2可以看出,通過(guò)篩分和浮沉實(shí)驗能夠有2.3吸附時(shí)間對COD。去除率的影響效地富集灰渣中的含碳物質(zhì)即半焦,粒度對富集結準確稱(chēng)量三種不同粒徑的富含碳灰渣1.0000g,.果的影響較小,但密度對富集結果影響很大,這主要分別置于三個(gè)具塞錐形瓶中，然后分別加入廢水是由于煤部分氣化生成半焦后,灰分和半焦密度差50 mL中國煤化工半不同的時(shí)間后異明顯,有利于分選富集.預處理后富含碳灰渣含碳過(guò)濾,均MYHCN MH C縫濾液的COD.量由原來(lái)的約30%富集到60%~80%.其比表面積值,結果見(jiàn)弟88貝則s.和一些工業(yè)制取的活性焦的比表面積相近,因此可由圖3可知,隨著(zhù)吸附接觸時(shí)間的延長(cháng),COD。88煤炭轉化2011年.去除率逐漸增大,吸附速度不斷減小.開(kāi)始吸附速率由圖4可知，隨著(zhù)富含碳灰渣用量的增加較大,30 min左右去除率就達到了40% ~60%,而COD。去除率不斷增加，吸附量不斷減少用量為在120 min以后吸附速率減緩,富含碳灰渣吸附趨0.2g時(shí)COD.去除率已經(jīng)達到了30%~50%左于飽和,故吸附時(shí)間可選擇為2 h.這是由于預處理右,富含碳灰渣用量為1.5g時(shí)去除率基本不再增后的富含碳灰渣中含有大量的半焦,部分氣化后具加.當富含碳灰渣的用量由0.2 g增加到1.5 g時(shí)有較大的比表面積,有較大比例的中孔,中孔可使廢COD。去除率由35% ~50%增加到55% ~88%,其水中的有機物較快到達顆粒表面進(jìn)行吸附.[8]但隨中粒度在1.5mm~3mm的灰渣去除率達到88%，著(zhù)活性位的減少,吸附速率減慢,吸附達到飽和.在這是因為隨著(zhù)富含碳灰渣用量的增加活性位的數量吸附法中,吸附速率是有效處理焦化廢水的重要因和比表面積不斷增加. [0]因此,由圖4a可以看出,本素.由圖3也可以看出,富含碳灰渣能較快吸附焦化實(shí)驗用富含碳灰渣的用量可選為30 g/L,COD.去廢水中的污染物,適合深度處理焦化廢水.除率可以達到88%.2.5吸附等溫線(xiàn)70-取不同濃度的焦化廢水各50 mL,加入具塞錐60f形瓶中,不改變廢水的pH值,分別加入富含碳灰渣1.0000g,攪拌,過(guò)濾,用水質(zhì)多功能分析儀測量濾液的COD值.吸附等溫線(xiàn)見(jiàn)圖5.20.0 051.0 1.52.0 2.53.0 3.54.0 4.s:6廠(chǎng)24-B1圖3吸附時(shí)間對 COD去除率的影響r0上.o0-Fig.3 Efft of adsorption time on COD. removal rate1-<1.5 mm;●一-1.5 mm~3 mm;▲->3 mm1.6-1.4-2.4吸附劑用量對 COD。去除率的影響3.64.04.44.85.25.66.0取焦化廢水各50mL加入具塞錐形瓶中,不改變廢水的pH值,分別加入富含碳灰渣0. 200 0 g,圖5 Freundlich 吸附等溫線(xiàn)0. 500 0 g,1.000 0g,1.5000 g,2.000g攪拌,過(guò)濾,用Fig.5 Freundlich isotherm curves水質(zhì)多功能分析儀測量濾液的COD.值.結果見(jiàn)圖4.■- <1.5 mm;●- - -1.5 mm~3 mm;▲- ->3 mm吸附等溫式是用來(lái)表示- -定溫度下的吸附平衡關(guān)系,以簡(jiǎn)明的形式描述了吸附特征和吸附機理.ofFreundlich吸附等溫式能較好地描述較低濃度液相吸附過(guò)程.[10]因此本實(shí)驗采用Freundlich吸附等溫式進(jìn)行描述.Freundlich吸附等溫式以及對數形式A0.00.40.8121.6 20分別為:Coke donge/g式中:q為吸附容量;c。為平衡濃度;k,1/n為常數.常數k及1/n見(jiàn)第89頁(yè)表3.由圖5和表3可! 35上知,Freundlich吸附等溫式能較好地描述灰渣對焦化廢水的吸附過(guò)程.對于Freundlich吸附等溫式,當直線(xiàn)斜率1/n在0.1~0.5之間，則表示吸附容易0.00.40.81.21.6 20進(jìn)行,超過(guò)2時(shí)表示吸附很難進(jìn)行[2]由表3可以看圖4富含碳灰渣用量對COD.去除率和吸附量的影響出,灰渣對焦化廢水的吸附過(guò)程很容易進(jìn)行.Fig. 4 Effect of carbon-rich slag dose on COD。removal2.中國煤化工rate and adsorption capacityCH.CNM H G,■一<1.5 mm;●- 1.5 mm~3 mm;▲以小處理過(guò)在中，吸附處理過(guò)程是連續a- -COD. removal rate;b- Adsorption capacity的,因此對灰渣處理焦化廢水的動(dòng)態(tài)實(shí)驗研究具有第2期張繼柱等氣化爐 排灰用于焦化廢水處理的研究89表3 Freundlich 吸附等溫式常數理后的灰渣穿透時(shí)間約為100 min,處理廢水的體Table 3 Freundlich isotherm constants積為400 mL,其他粒度的灰渣可能由于孔隙在氣化Size fraction/mm1/m過(guò)程中孔隙被堵塞,效果不是很理想，穿透時(shí)間為<1.50. 504 00. 534 50.912 072 min,處理廢水的體積為288 mL.同時(shí)在實(shí)驗過(guò)1.5~31.570 80.231 50. 996 7程中,可以明顯看出廢水的顏色由深色污濁變?yōu)闊o(wú)>32.31270.30100.959 1重要意義.本研究采用圖1中的裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗，色透明,由此可以看出灰渣對去除廢水中的色度也實(shí)驗條件為:廢水的初始濃度co= 395 mg/L,pH=有較好的效果.6.5,流速為4 mL/min,取出水濃度c.= 100 mg/L3結論為穿透點(diǎn).結果見(jiàn)圖6.1)利用篩分和浮沉實(shí)驗能夠有效富集灰渣中.8廠(chǎng)的含碳物質(zhì),分離富集后富含碳灰渣的含碳量可達.7-.6到80%.2)通過(guò)富含碳灰渣吸附廢水的靜態(tài)實(shí)驗可知:0.4-偏酸性環(huán)境下有利于富含碳灰渣吸附處理焦化廢0.3-02-水;高含碳灰渣能快速吸附廢水中污染物達到平衡，富含碳灰渣用量為30 g/L時(shí),去除率可達到90%.0 40 80120160200240 280 320 3603)Freundlich吸附等溫式能較好地描述吸附過(guò)程.結果表明富含碳灰渣對焦化廢水的吸附很容圖6焦化廢水的穿透曲線(xiàn)易進(jìn)行.Fig.6 Breakthrough curves of coking waste water■-一<1.5mm;●->3mm;▲-1.5 mm~3 mm4)動(dòng)態(tài)實(shí)驗結果表明,富含碳灰渣的穿透時(shí)間在連續的動(dòng)態(tài)實(shí)驗中,隨著(zhù)時(shí)間不斷增加,出水在 100 min左右,穿透時(shí)間較短.這可能是因為富含的COD值逐漸增大，粒度在1.5 mm~3 mm預處碳灰渣中的半焦的孔隱被堵塞,比表面積較小。參考文獻[1]王小英. 焦化廢水的處理技術(shù)[J].山西焦煤科技,2006 ,5(5) :34-37.[2]盛宏至 ,劉典福.魏小林等.煤部分氣化后生戚半焦的特性[J].燃料科學(xué)與技術(shù),2004,10(2);187-191.[3]楊玉芬,陳清如.駱振福.巍態(tài)化技術(shù)干法脫炭的理論分析與試驗研究[].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,32(6):632635.[4]吳建芝 ,李春虎，于淑蘭.炭基材料脫除H2S研究進(jìn)展[J].煤炭轉化，2006,29(4) :89-93.[5]馮治宇. 活性焦制備與應用技術(shù)[M].大連:大連理工大學(xué)出版社，2007;1-17.[6] Hameed B H, Rahman A A. Removal of Phenol from Aqueous Solutions by Adsorption onto Activated Carbon Prepared fromBiomass Material[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007 ,160(2008) :576-581.[7]北川睦夫.活性炭處理水的技術(shù)和管理[M].北京:新時(shí)代出版社,1987:38-47.[8]李全,張永奇,王 洋. 流化床制話(huà)性焦用于水處理的研究[J].煤炭轉化2008312)274-77.[9] Zhang Mohe,Zhao Quanin,Bai Xue et al. Adsorption of Organic Pollutants from Coking Waste Water by Activated Coke[J].Colloids and Surfaces A; Physicochemical and Engineering Aspects, 2010,362:140-146.[10] Bansode R R,Losso J N,Marshall W E et al. Pecan Shel-based Granuler Activated Carbon for Treatment of Chemical Oxy-gen Demand (COD) in Municipal Waste Water[J]. Bioresource Technology ,2004 ,94(2004) :129-135.STUDY ON COKING WASTE WATER TREATMENT BYSLAG AFTER GASIFICA TIONZhang Jizhu' 2 Zhang Yongqi' and Wang Yang'(1. Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, 030001 Taiyuan;2. Graduate University of Chinese Academy中國煤化工ABSTRACT The research on the thorough treatmeTYHCNMHGerhasbeencarried out with slag of gasifier by pretreatment, in which the process condition of treating cokingwaste water was studied and the adsorption principle was preliminarily investigated. The results90煤炭轉化2011年show that carbon containing materials could be concentrated and ash could be separated effective-ly by screening and float-sink test and the content of carbon could reach 80%. The adsorptionprocess had a big adsorption rate and reached adsorption saturation in 2 h. The removal rate ofchemical oxygen demand could reach 88% when the concentration of carbon-rich slag was 30 g/L.The adsorption process could be described well with Freundlich isotherms equation. The charwith the larger proportion mesopore was beneficial to adsorb the coking waste water, which had abigger adsorption rate.KEY WORDS slag, concentration, char, coking waste water, adsorption(上接第85頁(yè))[21] 朱曉茵.改性納米ZSM-5催化劑上生物乙醇脫水制Z烯的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2007.[22] Isao T,Masahiro s, Hiromi M et al. Increase in the Number of Acid Sites of a HZSM-5 Zeolite During the Dehydration ofEthano[C]. Catalysis Lttere2071(3/4):32 85.[23]王志彥,李金來(lái). 改性HZSM-5分子篩催化劑的表征及其MTP(甲醇制丙婚)反應活性研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2008,30<2);135-137.[24]蔣吉力,毛東森.楊為民等. Co/ZSM-5分子篩的表征及其催化合成烷基吡啶的研究[].精細石油化工進(jìn)展,003.4(2;14.4[25] Qian L,Yan Z F. Micropore Modification of Zeolites with Transition Metal Oxides[J]. Colloids and Surface A:Physicochemi-cal and Enginering Aspects,2001,180311-316.[26] Arai H,Take J,Saito Y et al. Ethanol Dehydration on Alumina Catalysts(D):the Thermal Desorption of Surface Compounds[J]. Journal of Catalyis,1967 ,9(2):146-153.CATALYTIC DEHYDRATION OF HYDROUS ETHANOL TOETHYLENE ON USY ZEOLITE MODIFIEDBY TRANSITION METALSWang Guiyun':2 Wen Jian'2 Zhang Ye' and Zhao Liangfu'(1. Laboratoryof Applied Catalysis and Green Chemical Engineering ，Institute of CoalChemistry, Chinese Academy of Sciences, 030001 Taiyuan; 2. College ofChemistry and Chemical Engineering , Graduate Universily ofChinese Academy of Sciences, 100049 Beijing)ABSTRACT USY and transition metal modified USY (M/USY) were used as catalyst to in-vestigate the dehydration of low concentration ethanol to ethylene. The physical and chemicalproperties of the catalysts were characterized by nitrogen adsorption desorption ( BET)，X-raypowder diffraction (XRD) and ammonium temperature programmed desorption (NH; -TPD) tech-niques. The catalytic performance reached the best value when the cobalt concentration as 3% atethanol concentration of 20% (percent of volume), reaction temperature at 250 C and the weighthourly space velocity (WHSV) of 2. 37 h-'. Temperature of reaction had a significant impact onthe ethylene selectivity,and which increased from 24.0% of 220 C to 95. 7% of 250 C. Whentemperature is 280 C, the ethylene selectivity is up to 100%. The catalyst Co/USY has fine stabilityand high activity after reacting 102 h.中國煤化工KEY WORDS low concentration ethanol, ethylene,.MYHCNMHG