金沙亮

(中國礦業(yè)大學，北京 100000)

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工業(yè)中褐煤的水熱提質(zhì)加工

金沙亮

(中國礦業(yè)大學，北京 100000)

為實現(xiàn)褐煤水熱提質(zhì)的工業(yè)化應用,本文主要分析了水熱提質(zhì)對煤質(zhì)的影響,綜述了水熱提質(zhì)改善水煤漿泵送特性,脫除煤中有害物質(zhì),實現(xiàn)廢水治理等應用現(xiàn)狀，加快實現(xiàn)褐煤水熱提質(zhì)的工業(yè)化步伐。水熱提質(zhì)褐煤可提高褐煤成漿性,有利于褐煤高濃度制漿后用于燃燒及氣化;水熱提質(zhì)還能減少煤中堿金屬和堿土金屬,為新疆高鈉煤的利用提供一條有效途徑。

褐煤水熱提質(zhì)；工業(yè)化；有害物質(zhì)；廢水治理

1 褐煤水熱提質(zhì)加工的依據(jù)

我國褐煤資源豐富，已探明儲量達1300多億噸，褐煤必然是我國未來發(fā)展的重要能源。褐煤水分高，熱值低，利用效率低，特別是儲存過程中具有很高的自燃傾向，導致嚴重的儲存和運輸問題。褐煤自燃性與含氧量高有關，減少和抑制含氧官能團，實現(xiàn)褐煤有效利用非常重要。褐煤提質(zhì)主要有蒸發(fā)脫水和非蒸發(fā)脫水，傳統(tǒng)蒸發(fā)干燥過程能有效脫除褐煤中水分[1]，但不能脫除褐煤中氧，且蒸發(fā)干燥能耗較高。目前，一些蒸發(fā)干燥技術因其工藝和設備問題或經(jīng)濟性不佳處于停產(chǎn)階段。非蒸發(fā)脫水即在高溫、高壓、有水存在條件下進行褐煤水熱提質(zhì)。水熱提質(zhì)過程中水以液態(tài)形式脫除，能耗較低，能有效脫除褐煤中部分含氧官能團，提高褐煤熱值的同時可有效抑制其自燃[2]。

2 水熱提質(zhì)加工現(xiàn)狀

2.1 水熱提質(zhì)可改善水煤漿泵送特性。褐煤因其多孔特性和高氧含量屬于難制漿煤種。一般褐煤制漿濃度小50%，低于高變質(zhì)程度煤的制漿濃度，影響褐煤水煤漿在燃燒及氣化方面的應用。George Favas等研究了水熱提質(zhì)對褐煤制漿特性的影響。發(fā)現(xiàn)溫度變化對煤粒內(nèi)孔特性影響顯著，孔隙率隨溫度升高而減少。增加處理溫度、反應時間，減少入料水煤漿濃度導致廢水中有機物顯著增加，產(chǎn)物元素組成變化明顯。煤特性研究顯示，變質(zhì)程度是水熱提質(zhì)煤的主要影響因素，另一個顯著影響因素是煤巖類型。水熱提質(zhì)煤的經(jīng)濟性隨煤變質(zhì)程度的降低而增加，但低變質(zhì)程度煤經(jīng)水熱提質(zhì)后，其內(nèi)孔隙率仍較高。

2.2 水熱提質(zhì)脫除煤中有害物質(zhì)。煤中有害物質(zhì)會影響甚至阻止煤的有效轉(zhuǎn)化，在煤轉(zhuǎn)化前有效脫除其有害成分意義重大。Timpe等采用超臨界水作為溶劑、反應劑和能源傳輸介質(zhì)用于脫除煤中硫和微量金屬。研究顯示，煤中砷、硒和汞在水熱提質(zhì)下可以脫除。一些煤中硫和特定的痕量金屬在高于水的臨界溫度和低于水的臨界壓力下可脫除50%或更高。一些痕量元素與煤中特定無機物有關，不能完全脫除，但可被濃縮至殘渣中。

2.3 水熱提質(zhì)實現(xiàn)廢水治理。褐煤水熱提質(zhì)過程中，煤中少量有機物溶于水中，造成能源損失和廢水處理困難。針對褐煤水熱提質(zhì)過程有機物溶出問題，研究發(fā)現(xiàn)，300攝氏度下水熱提質(zhì)煤實現(xiàn)脫水提質(zhì)。但原煤中1.5%的碳溶于水中成為水溶性的有機化合物。在350攝氏度、20MPa、液時空速50h-1條件下，廢水中有機物完全被催化轉(zhuǎn)化為富氫氣和甲烷的可燃氣體。催化劑在水熱提質(zhì)過程中活性高，穩(wěn)定性好。該氣化方法不僅對廢水處理有效，與水熱提質(zhì)工藝相結(jié)合時還可作為廢水能源回收工藝[3]。

3 褐煤水熱提質(zhì)加工法研究發(fā)展趨向

褐煤水熱提質(zhì)脫水、脫氧效果好，可消除褐煤自燃問題，但褐煤水熱提質(zhì)仍停留在實驗室研究或間歇式生產(chǎn)階段，未來實現(xiàn)低成本、大規(guī)模、連續(xù)水熱提質(zhì)褐煤是研究重點以及發(fā)展趨向。

Parshetti等進行了褐煤加壓-閃蒸循環(huán)水熱提質(zhì)研究，提出一種超臨界水處理褐煤，使其轉(zhuǎn)化為液體、固體和氣體燃料的新技術。該方法包括水煤漿經(jīng)循環(huán)泵打入管式反應器及煤粒子與轉(zhuǎn)化后產(chǎn)物快速閃蒸2個過程。轉(zhuǎn)化過程中的水蒸發(fā)階段阻止了煤粒子的聚集。390攝氏度、29.0MPa時，冷凝產(chǎn)品獲得最大產(chǎn)率。轉(zhuǎn)化后可燃產(chǎn)物和固體殘渣的高位熱值比原煤高。揮發(fā)性可燃物和冷凝產(chǎn)物中的H/C比比殘渣高。研究證明煤中有機物中的硫以硫化氫形式脫除，脫除率達77.2%，而氮則集中在固體殘渣中(67.2%)。

主要內(nèi)容

研究不同溫度，壓力下褐煤水熱脫水的提質(zhì)效果。

(1)煤樣制備

原煤3kg，磨礦時間1h、1.5h。

測定煤樣粒度(平均粒徑在40-80μm之間)

(2)水熱試驗

溫度：200℃、250℃

壓力：飽和蒸汽壓

煤/水：1/1、1/1.5

保壓時間：1h

攪拌速度：500r/min

1)稱干煤100g，總水100g，加入到反應釜中，充氮氣2Mpa檢漏2h；

2)加熱反應釜；

3)到達指定溫度后，停止加熱，保壓；

4)冷卻反應釜至室溫；

5)取出煤樣，抽濾，105℃真空干燥8h，密封保存。

(3)煤樣檢測。水熱作用對孔隙的改變(孔隙分布、比表面積、孔容)其中的因果關系(壓力、溫度的作用)；

水熱作用脫除含氧官能團(壓力、溫度的作用)可以對比空氣干燥的數(shù)據(jù)。

4 工業(yè)上的意義

褐煤水熱提質(zhì)可同時脫水、脫氧，改變煤質(zhì)特性，提高煤炭轉(zhuǎn)化效率，解決褐煤運輸及自燃問題；水熱提質(zhì)還可脫除煤中潛在的有害元素，這對褐煤潔凈利用意義重大；水熱提質(zhì)褐煤可提高褐煤成漿性，有利于褐煤高濃度制漿后用于燃燒及氣化；水熱提質(zhì)還能減少煤中堿金屬和堿土金屬，為新疆高鈉煤的利用提供一條有效途徑。

[1] 田忠坤.管式氣流干燥器提質(zhì)低階煤理論與技術的研究[D].中國礦業(yè)大學(北京),2009,22～27

[2] 徐振剛,劉隨芹.型煤技術[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001.

[3] 苑衛(wèi)軍.“粉煤—酚水”水煤漿治理煤氣發(fā)生站含酚污水[J].節(jié)能與環(huán)保,2004(6);33-35.

金沙亮(1995-)，男，滿族，遼寧人，本科，研究方向：礦物加工。

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1671-1602(2016)20-0005-01