微生物技术在煤炭脱硫中的应用

关键词： 火力发电 化工原料 煤炭工业 煤炭

在我国, 煤炭既是主要的矿物燃料, 又是重要的化工原料。火力发电、冶金、化工以至人民生生活等方面都与煤炭紧密相关, 煤炭工业在国民经济中占有相当重要的地位, 煤炭占我国一次能源的3/4, 高硫煤储量约占煤炭总储量的1/3, 随着煤炭开采向西北、西南和深部发展的同时, 高硫煤开采比例也逐年增加。煤炭中一般都含有一定量的硫, 主要为无机硫如黄铁矿硫, 其次为有机硫。煤炭的含硫量依煤的品种而异, 一般在0.5~7.0%之间, 煤中的硫分极大的影响了煤的利用, 同时煤中硫燃烧产生大量的二氧化硫, 严重地影响了生态环境与经济发展, 因此开发经济有效的脱硫技术对提高煤炭品质, 减小对环境的影响都具有重要的现实意义。

目前, 煤炭脱硫的方法主要有三类:即化学方法、物理方法和微生物方法。前二者由于能耗大、成本高, 且造成煤的流失, 难于在工业生产上应用。相比之下, 与现有的物理、化学法相比, 微生物洁净技术具有投资低、操作简便、反应条件温和、不产生新的污染, 并可和现有的物理洗煤过程相结合, 脱除其中的成分, 而煤基本无损失, 且可提高煤的燃值, 因而受到许多国家政府和企业的极大关注, 竞相开发这一技术。

1 煤中硫的存在形态及脱硫微生物

1.1 煤中硫的存在形态

无机硫主要以矿物质形态存在, 按所属化合物类型可分为硫化物硫和硫酸盐硫。硫化物硫主要包括黄铁矿、白铁矿、磁黄铁矿、砷黄铁矿、黄铜矿等, 其中绝大部分是黄铁矿 (FeS2) ;硫酸盐硫包括石膏和重晶石等 (含量低于0.1%, 一般不予考虑) 。有机硫主要以与煤的C原子相结合成的硫醇、噻吩、硫醚等形式存在。此外, 煤中还有硫的另外一种存在形态, 即单质硫, 但比例很低。

1.2 脱硫微生物

目前研究中使用最多的微生物是氧化亚铁硫杆菌 (ThiobaciUus ferrooxi-dans) 和氧化硫硫杆菌 (ThiobaciUus thiooxidans) , 但这两种微生物对有机硫的脱除效果不明显;最有效的菌种为假单胞菌属 (Pseudomonas) 的CB1和硫化叶菌属的S.acidocaldafius。而酸热硫叶菌属 (S.acidocaldarius) 因能同时有效的脱除煤中的无机硫和有机硫, 近年来已成为研究的新热点。同时R.rhodochrous也是一种高效脱除有机硫的微生物。表1列出了几种主要脱硫微生物的基本特性。

2 脱硫的机理

2.1 无机硫的脱除机理

无机硫的脱除机理分为直接机理和间接机理, 通常以微生物对煤中黄铁矿硫的氧化过程表征对无机硫的脱除机理。直接机理认为微生物对FeS2中的硫直接氧化, 将其氧化成为可溶性的硫酸;间接机理认为微生物首先将Fe2+氧化为Fe3+, 再由Fe3+将FeS2中的硫氧化为硫酸。目前对于硫化物的形态转化已经有了比较深入的了解, 对微生物代谢过程的中间产物也有了一定认识, 但对微生物细胞对硫化合物的代谢机理认识得还不够深入。

2.2 有机硫脱除机理

有机硫的脱除机理分为4-S机理和Kodama机理, 一般以二苯噻吩 (DBT) 作为模型化合物来表征微生物对煤中有机硫的作用。4-S机理指微生物选择性氧化DBT中的硫, 不破坏芳环结构, 不降低煤的热值;Kodama机理是指微生物以DBT中碳为碳源, 降解芳环结构, 对DBT中的硫部分氧化甚至不氧化, 通过生成含硫的水溶性化合物, 从而达到脱硫的目的, 但煤的热值受到影响。

微生物氧化有机硫的生化机理也有两种, 一种是芳烃化合物的同系化, 随后转移到细胞内, 它是微生物与典型的不溶性基质 (如苯并芘或DBT) 相互作用;二是芳环在细胞外解离, 转化为可溶性产物进入细胞内, 它要求微生物必须具有某些外酶。DBT的降解并进入细胞与细胞脂质和脂蛋白有关, DBT的氧化可能发生在膜结构上。芳环在细菌细胞中的解离可能通过羟化酶的作用发生羟基化, 起诱导作用的加氧酶可能是细胞素P一450或依赖性黄素。

3 生物浸出脱硫工艺

3.1 生物浸出脱硫工艺

生物浸出脱硫法就是利用微生物的氧化作用将黄铁矿氧化分解成铁离子和硫酸, 将有机硫转化成水溶性产物, 硫酸等可溶性物质溶于水后将其从煤炭中排除的一种脱硫方法。该法不适宜应用于连续处理系统, 但是对于煤矿生产企业、贮煤场、洗煤厂等煤炭贮存期较长的场合, 采用浸出法无疑具有极大的经济性。为了加快脱硫反应速度, 提高浸出率, 开发了用于生物浸出的反应器, 一般采用空气搅拌式浸出反应器, 该反应器提高脱硫效率, 处理时间缩短至半天到一周。

3.2 需要解决的问题

生物脱硫的研究尽管已取得突破性进展, 但将其应用于工业实际还存在着一系列的问题: (1) 微生物繁殖慢, 反应时间长, 难以保证脱硫工艺的稳定性; (2) 杂质对微生物有毒性, 抑制微生物的生长与作用。而培养具有抗毒性的微生物还需要进一步的研究; (3) 当前有机硫的脱除主要是依靠将含硫分子转化为水溶性产物排出, 完全遵循4-s途径的微生物至今尚未发现, 寻找高选择性的有机硫脱硫菌种仍需要一段时间; (4) 尽管成本较其他脱硫方法低, 但是脱硫效率很难达到国家环保要求, 尚不能单独作为一种脱硫的有效手段。

4 结语

煤的微生物浸出脱硫相比生物浮选法虽然耗时, 但能脱除其不能脱除的有机无机硫。且成本优势十分明显, 尽管煤的生物脱硫技术离商业化仍有待时日, 但随着研究的逐步深入, 从长远来看, 生物脱硫技术拥有其他脱硫技术无可比拟的优势, 具有广阔的前景。

摘要：文章介绍了煤的微生物脱硫技术及其研究状况, 阐述浸出法脱硫工艺, 指出存在的问题, 并探讨了其应用前景。

关键词：微生物,脱硫,煤炭,浸出

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