关于水热处理制备高浓度褐煤水煤浆技术研究进展及展望

北极星环保网讯:摘要:针对褐煤成浆浓度低,难以满足水煤浆气化用浆要求的问题,通过分析水热法提高褐煤成浆浓度的技术原理,认为水热法提高褐煤成浆浓度是最具发展潜力的一种褐煤提浓技术,同时介绍了国内外典型的水热法提高褐煤成浆浓度工艺技术的发展现状,并以某一典型工艺技术(THTT)为例,从技术角度和经济角度两方面,剖析了其工业化应用的前景。

结果表明,水热处理制备高浓度褐煤水煤浆在技术上具有安全环保、能效高和可靠性强等特点;在经济上具有处理成本低、经济性突出等优势,以采用THTT技术在内蒙古某化肥厂建设50万t/a工业示范装置为例,增加水热处理工段,将东明褐煤的水煤浆浓度由50%提高至58%,尿素年产量可增加7万t,该厂每年可增效约8300万元。采用水热处理提高褐煤的成浆浓度在技术和经济上可行,符合国家“增效降耗”的政策导向。

关键词:褐煤;水热处理;高浓度水煤浆;前景分析

我国褐煤资源丰富,已探明的褐煤资源储量约1300亿t,占煤炭资源总量的12.69%,主要分布在内蒙古东部、云南东部和黑龙江东部等地区[1-2]。褐煤反应活性高、价格低廉,是较为理想的煤基化工原料,但由于褐煤热值低、长距离运输易自燃、成浆浓度低等原因导致清洁利用褐煤成为亟待解决的问题。

煤炭气化技术是煤炭清洁转化的核心技术之一,是煤化工产业的龙头。其中水煤浆气化技术是成熟、运行稳定的气化方式,在煤基化工产业得到广泛应用。据统计,气化用水煤浆使用量突破5000万t/a[3]。

然而,褐煤由于高内水含量和多孔隙等特点,导致成浆浓度低,为30%~50%[4],限制了其用于水煤浆气化。如何提高褐煤的成浆浓度成为研究热点,其中,水热处理制浆技术被认为是最有发展潜力的提高褐煤水煤浆浓度的技术[5]。

国内外学者在20世纪70年代就对水热处理制浆技术进行研究,其中国外以美国、澳大利亚和日本为代表,主要是采用水热处理方法将褐煤制备成锅炉燃烧用浆,均完成了实验室小试研究和中试研究。国内主要以浙江大学为代表,研究了采用褐煤水热处理制备锅炉燃料用浆的机理及其浆体的燃烧性能,完成了实验室小试研究。

但上述研究均未开展水热处理制备气化用浆的相关研究,也未有该技术工业化应用的相关报道,为此笔者介绍了国内外典型的水热法提高褐煤成浆浓度工艺技术的发展现状,并以某一典型工艺技术(THTT,tubularhydrothermaltreatmenttechnology)为例,从技术角度和经济角度两方面,剖析了其工业化应用的前景,以期提高褐煤成浆浓度,满足水煤浆气化用浆要求。

1水热处理提高褐煤成浆浓度的机理研究

褐煤中水分赋存的方式主要有:①外水,是指煤在开采、运输、储存和分选过程中,附着在煤的颗粒表面、颗粒之间和大毛细孔(直径大于10-5cm)中的水分;②内水,是指吸附或凝聚在煤颗粒内部表面的毛细管或微孔隙(直径小于10-5cm)中的水分,或通过氢键与亲水基团连接的水;③结晶水,是指以化学方式与矿物质结合的水分;④化学水,高温条件下褐煤中含氧官能团结合生成的水。

褐煤中外水在传统制浆过程中直接以游离水形式参与制浆,不影响成浆性;内水受化学吸附或以氢键形式与亲水基团连接,在传统制浆过程中无法参与制浆,导致褐煤成浆浓度低;褐煤含氧官能团多,使其固水能力增强,降低了成浆性。

结合褐煤中水分的赋存方式,世界各国学者对褐煤的水热处理机理进行了大量研究,Map-stone[6]研究发现水热处理使褐煤中氧含量降低,部分氢键断裂;Favas等[7]研究表明,水热处理后的煤颗粒内孔径减小;

常鸿雁等[8]研究了水热处理对褐煤含氧官能团脱除率的影响,结果表明,褐煤在300℃处理后煤中羧基脱除率高达70%,酚羟基脱除率高达25%,最高内水降低约50%;水恒福等[9]研究了水热处理对煤结构的影响,认为适当条件的水热处理可脱除煤中—OH官能团,由羟基形成的氢键被削弱;

赵卫东[10]对低阶煤水热改性制浆的微观机理及燃烧特性进行研究,发现水热改性后低阶煤颗粒的致密度提高,微孔减少,大孔扩容,比表面积降低,含氧官能团降低,亲水及束缚水能力降低,煤水接触角变大;刘红缨等[11]对水热法改性褐煤的表面骨架大分子和各种官能团与水结合能的大小进行研究,发现褐煤中羧基和羰基随着水热温度升高显著降低;

刘鹏等[12]研究了先锋褐煤水热处理后的结构变化,水热处理后煤的芳香侧链发生变化,含氧官能团比例降低,共价键和弱共价键部分断裂。

总结以往研究者在水热处理对低阶煤结构变化方面的研究成果,笔者归纳出水热法提高褐煤成浆性的机理主要为:

①水热处理是一个“非蒸发式”脱水过程,微孔或毛细管化学吸附的水分以液态水脱除,降低煤中内水,提高成浆性;

②水热使褐煤亲水基团与水分子连接的氢键断裂,水分脱离束缚,同时脱除含氧官能团降低其亲水性,提高成浆性,增加煤水表面接触角;

③水热处理温度为250~320℃,压力达到5~12MPa,水分脱除后煤中孔道在压力作用下坍塌,同时水热产生的少量轻组分在压力作用下不能及时放出,冷却后堵塞孔隙,降低煤的固水和复吸能力,从而提高其成浆性。 

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