解松源 黃金鋒 何凡 王靜 李長福

(新疆中泰創(chuàng)新技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

蘭炭所指的是褐煤、泥煤以及一些具有高揮發(fā)性特征的煤煙在低溫環(huán)境下干餾，使處在隔絕空氣環(huán)境之下的煤轉(zhuǎn)變成固體產(chǎn)物。蘭炭粒度一般是在0到60毫米范圍、由于其熱解并不完全，而且內(nèi)部所存在的氫和氧都比較多，因此所具有的孔隙較為發(fā)達(dá)，表面具有較為豐富的結(jié)構(gòu)，在電石領(lǐng)域和鐵合金領(lǐng)域之中一般對(duì)其會(huì)有較為廣泛的應(yīng)用。塊狀蘭炭是固定床氣化過程中必然使用的原料之一，固定床氣化得到的氣化強(qiáng)度和煤炭的轉(zhuǎn)化率往往都與理想效果相距甚遠(yuǎn)，而且含酚廢水處理難度較大。我國一些研究人員嘗試采用蘭炭作為試驗(yàn)原料，氣化劑選擇常見的空氣和副產(chǎn)的水蒸氣，氣化反應(yīng)采取地壓固定床連續(xù)氣化的工藝，該方法的應(yīng)用較之應(yīng)用傳統(tǒng)固定床間接進(jìn)行氣化的工藝手段無論氣化的效率，還是煤炭的轉(zhuǎn)化率都有了一定程度的提升，而且整個(gè)試驗(yàn)過程具有的環(huán)保效果比較理想。但是在使用固定床進(jìn)行氣化操作期間仍然存在一定的問題，當(dāng)前使用蘭炭進(jìn)行水煤漿氣化的領(lǐng)域信息報(bào)道較少。所以，本文嘗試性研究在水煤漿氣化過程之中使用蘭炭的可行性。

1 樣品選擇與試驗(yàn)方法

按照水煤漿氣化要求對(duì)于煤進(jìn)行使用，蘭炭所需要達(dá)到煤質(zhì)條件包括發(fā)熱量為每千克不少于25MJ，煤灰流動(dòng)的溫度處在1200～1300℃的范圍，煤中灰分必須控制在13%以下。另外，對(duì)水炭漿泵送和制備的特征予以考慮，分析蘭炭氣化的效率和反應(yīng)的活性。還要保證蘭炭能夠符合下述條件：有毒害元素和水分的含量需要比較低，固定碳含量和揮發(fā)分需要比較適中。所使用的蘭炭和神木煤煙均為當(dāng)前市場上質(zhì)量最好的產(chǎn)品，性能與水煤漿氣使用原料需求相符。兩種樣品的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

蘭炭灰分含量被控制下13%以下，煤灰流動(dòng)溫度也不超過1300℃，每千克的熱值超過25MJ，所有數(shù)據(jù)都符合水煤漿氣化爐的入料要求。但是，整個(gè)過程揮發(fā)分相對(duì)較低，而且存在的固定碳含量也比較高，實(shí)施氣化反映其間具有很大的難度。因此，使用配煤等手段保證實(shí)際生產(chǎn)的效果。

2 試驗(yàn)方法概述

2.1 蘭炭成漿試驗(yàn)概述

原料和儀器選擇：使用市場常見的萘系分散劑1、2，自行對(duì)DLS分散劑進(jìn)行制備，另外預(yù)先準(zhǔn)備出堿木質(zhì)素作為試驗(yàn)所需原料，使用現(xiàn)下常規(guī)流變儀和水分測定儀。

試驗(yàn)步驟概述：對(duì)蘭炭原料，應(yīng)用破碎機(jī)先對(duì)其進(jìn)行破碎處理，之后再把處理完畢的蘭炭放入到球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行研磨，最后再采取篩分的方法將其制成炭粉。按照干法制漿的方法城區(qū)一定質(zhì)量的炭粉，隨后向炭粉內(nèi)加入自來水和分散劑。按照每分鐘500r的速度持續(xù)6分鐘的攪拌，由此制取出水炭漿。隨后使用流變儀對(duì)表觀粘度進(jìn)行測定，并對(duì)48小時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行觀察。

水煤漿流動(dòng)性按照下述方式設(shè)定，如果處于連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)則定為A，如果是間斷流動(dòng)狀態(tài)則定為B，如果表現(xiàn)為外力作用下的流動(dòng)狀態(tài)則定為C，如果是完全不流動(dòng)的狀態(tài)則將其定為D。另外，對(duì)于水煤漿穩(wěn)定性的設(shè)定為，如果發(fā)現(xiàn)固液具有均勻分布效果，并且不存在析水和軟沉淀狀態(tài)的話則將其設(shè)定為A，如果其中析水情況和軟沉淀情況比較少的話則定為B，如果發(fā)現(xiàn)析水和軟沉淀現(xiàn)象都比較明顯則設(shè)定為C，如果產(chǎn)生的是硬沉淀，而且對(duì)漿體攪拌之后不能恢復(fù)到初始狀態(tài)則將該穩(wěn)定性設(shè)定為D。

2.2 關(guān)于蘭炭反應(yīng)活性測定試驗(yàn)概述

原料與儀器選擇：使用神木煙煤煤粉與蘭炭炭粉材質(zhì)已經(jīng)說明，另外選取具有較高精確度的差熱綜合熱分析儀。

試驗(yàn)步驟概述：稱取一定劑量的蘭炭粉和神木煤粉原料，應(yīng)用分析儀進(jìn)行二氧化碳反應(yīng)活性測試。現(xiàn)在熱天平坩堝之中置放樣品，隨后在二氧化碳環(huán)境之下以每分鐘10℃的速度將溫度升到1200℃，實(shí)時(shí)觀察，并且記錄溫度不斷上升情況之下樣品質(zhì)量的變化情況，在樣品質(zhì)量不發(fā)生變化時(shí)認(rèn)定反應(yīng)完成。

表1 神木煤煙與蘭炭煤質(zhì)分析

2.3 蘭炭氣化反應(yīng)模擬概述

為了充分研究蘭炭能否實(shí)際應(yīng)用到水炭漿的氣化過程。使用模擬軟件，在模擬煤在反應(yīng)器中的熱解過程，將煤分解成各個(gè)不同的組分，分別模擬不同階段氣化爐中所發(fā)生的反應(yīng)類型，并且針對(duì)氣化爐建模提出一定的假設(shè)。比如氣化爐中水煤漿在瞬間和氣化劑完成混合，則認(rèn)為沒有參與到反應(yīng)的物質(zhì)屬于一種惰性物質(zhì)。模擬過程煤具有比較均勻的顆粒溫度，而且并沒有溫度梯度的現(xiàn)象存在。

3 試驗(yàn)結(jié)果概述

3.1 關(guān)于蘭炭反應(yīng)活性測試結(jié)果概述

神木煤煙和蘭炭的熱重分析測試結(jié)果如圖1中所示。

圖1 神木煤煙和蘭炭的熱重分析測試結(jié)果

蘭炭和神木煙煤處在100℃到600℃環(huán)境的時(shí)候，發(fā)生失重的速度相對(duì)比較慢，而且會(huì)散失一些水分和揮發(fā)分。溫度逐漸升高的情況之下，兩者失重的速度會(huì)有所提升，在溫度低于900℃的情況，神木煙煤相比蘭炭失重速度要大，這種情況主要因?yàn)閾]發(fā)分和反應(yīng)活性之間具有一定的關(guān)系，因?yàn)樵趯?duì)煤質(zhì)進(jìn)行分析的過程之中，蘭炭揮發(fā)分相比神木煙煤要小很多，而且溫度剛一開始上升的時(shí)候，神木煙煤發(fā)生的反應(yīng)常常會(huì)伴有一定的失重情況存在。蘭炭如果揮發(fā)分比較少的話，失重的速度在初期相對(duì)較慢。而當(dāng)溫度達(dá)到900℃的時(shí)候，質(zhì)量開始逐漸趨于不變。在溫度上升到1200℃的時(shí)候，神木煙煤和蘭炭失重的曲線末端基本和X軸處于平行狀態(tài)，這種情況表示二者和二氧化碳之間已經(jīng)完成反應(yīng)，也就是在對(duì)溫度設(shè)計(jì)之后如果能完全反應(yīng)便表示其所具有的反應(yīng)活性比較理想。為了保證試驗(yàn)所得到的是比較理想的反應(yīng)活性，可以適當(dāng)以下面幾個(gè)方面為切入點(diǎn)嘗試改進(jìn)：首先按照一定比例向其中配入一些揮發(fā)分相對(duì)較高的煙煤和褐煤，這樣能夠達(dá)到提升原料揮發(fā)分的效果；其次可以將蘭磨盡可能磨得比較碎，這樣能使顆粒的粒徑變得比較小，并且可以充分提升蘭炭的表面積；最后，可以適當(dāng)增加炭粒在反應(yīng)過程中的停留時(shí)間和反映環(huán)境的溫度。

3.2 關(guān)于蘭炭氣化模擬結(jié)果概述

為了對(duì)模擬可靠性進(jìn)行更好的展示，使用其與神木煙煤進(jìn)行比對(duì)，所得到的模擬結(jié)果如表2所示。

按照上表可以認(rèn)為在模擬條件之下所獲取到的模擬數(shù)據(jù)不如實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。所以，蘭炭和神木煙煤在實(shí)際氣化過程之

表2 神木煙煤與蘭炭之間模擬氣化結(jié)果

中運(yùn)行數(shù)據(jù)相比模擬數(shù)據(jù)比較接近。而且，蘭炭比起相比于神木煙煤，在氣化完成之后得到的氫氣比例會(huì)有一定的降低，二氧化碳和一氧化碳比例會(huì)有一定提升。這主要是因?yàn)樵谏衲緹熋簾峤馄陂g所得到的蘭炭會(huì)熱解出絕大部分焦油和揮發(fā)分等組分，由此會(huì)極大程度降低剩余的半焦揮發(fā)分，而且含氫量會(huì)有一定降低，含碳量的比例會(huì)有一定提升，反應(yīng)活性有所下降。基于這一情況，在蘭炭發(fā)生氣化之后，其氣體祖墳之中的一氧化碳組分會(huì)有較為明顯的上升態(tài)勢，而且氫氣組分會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。另外，因?yàn)榉磻?yīng)活性下降會(huì)造成二氧化碳組分所占的比例出現(xiàn)上升，碳轉(zhuǎn)化率會(huì)發(fā)生一定的下降，比氧耗和比煤耗都會(huì)出現(xiàn)一定上升。不過，結(jié)合神木煙煤情況可以認(rèn)為蘭炭氣化期間實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)相比于模擬數(shù)據(jù)也更好，因此可以在工業(yè)氣化工程對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。

4 結(jié)語

水炭漿成漿之后可以超過61%的濃度，其所具有的穩(wěn)定性、流動(dòng)性和粘度等各個(gè)漿體性能都能達(dá)到氣化用漿的使用需求。在既定出來的情況之下，蘭炭和二氧化碳在1200℃以下的設(shè)計(jì)溫度之下只需要較短的時(shí)間便能完全反應(yīng)，整個(gè)反應(yīng)過程具有較為良好的反應(yīng)活性，因此在水炭漿氣流床氣化過程可以對(duì)其加以使用。使用模擬軟件模擬水炭漿氣化的全部過程，最終發(fā)現(xiàn)雖然水炭漿氣化得到的效果不如由神木煙煤所制作出來的水煤漿氣化效果理想，但是在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候所得到的有效氣成分和實(shí)際碳轉(zhuǎn)化率都比較理想。本文之中以反應(yīng)活性、煤質(zhì)分析、蘭炭氣化模擬以及成漿性能幾個(gè)方面作為切入點(diǎn)，對(duì)于水煤漿氣化的可行性進(jìn)行了簡要分析。按照模擬試驗(yàn)所得到的結(jié)果可以認(rèn)為，實(shí)際生產(chǎn)期間需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和可操作性的要求對(duì)于水炭漿氣化的可行性予以進(jìn)一步確定。