楊巧文 郭 玲 郭宋江 袁金沙 王 鑫

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

★煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★

半焦酸堿法脫灰工藝研究

楊巧文 郭 玲 郭宋江 袁金沙 王 鑫

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

針對(duì)半焦灰分含量較高和吸附能力差等問(wèn)題,對(duì)其進(jìn)行脫灰處理以提高其性能。本文以新疆某地半焦為研究對(duì)象,利用酸堿法進(jìn)行脫灰試驗(yàn),考查了鹽酸濃度和NaOH濃度對(duì)脫灰效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,單獨(dú)用NaOH溶液處理,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)脫灰效果最好,灰分降至15.75%;單獨(dú)用鹽酸處理,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)脫灰效果最好,灰分可降到13.11%。用不同濃度的NaOH溶液處理后的半焦再用鹽酸處理,灰分可進(jìn)一步降低到9.17%。酸處理正交試驗(yàn)結(jié)果表明,鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%且70℃恒溫加熱40 min為最佳脫灰條件,灰分可降至14.03%。

半焦 酸堿法 脫灰 正交試驗(yàn)

半焦又稱(chēng)蘭炭,是由低階煤低溫(700℃以下)干餾所得的可燃固體產(chǎn)物,主要成分是碳、灰分和揮發(fā)分,其灰分含量取決于原料煤質(zhì)。相比于焦炭,半焦未熱解完全,具有一定的孔隙結(jié)構(gòu),但是未經(jīng)改性的半焦其吸附能力遠(yuǎn)不及普通活性炭,而且半焦中含量較高的灰分限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

對(duì)半焦進(jìn)行脫灰處理可以提高其性能和吸附能力。按照脫灰方法可分為物理化學(xué)凈化法和化學(xué)凈化法。化學(xué)凈化法應(yīng)用比較廣泛,工藝較成熟,大致分為氧化法、酸處理法、酸堿處理法和溶劑萃取法4種。

本文采用酸堿脫灰法對(duì)新疆某地半焦進(jìn)行脫灰試驗(yàn),降低灰分,提高其利用價(jià)值,拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域;同時(shí)考察了鹽酸和氫氧化鈉在不同濃度下的脫灰效果,確定最優(yōu)脫灰條件,從而降低脫灰成本。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 樣品制備

本試驗(yàn)選用新疆某地半焦,其工業(yè)分析指標(biāo)如下：水分為7．27%,灰分為20．74%,揮發(fā)分為23．63%,固定碳含量為48．36%。選用的酸試劑為鹽酸(HCl),堿試劑為氫氧化鈉(NaOH)。鹽酸的配制方法為：用36%的濃鹽酸加蒸餾水分別稀釋至2.5%、5%、7.5%和10%;NaOH的配制方法為：稱(chēng)取一定量的NaOH固體加蒸餾水分別配置濃度為5%、10%、15%和20%。配制好的溶液裝瓶貼標(biāo)簽待用。利用FW80型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)將原料半焦磨至200目以下備用。

1.2 脫灰試驗(yàn)

用T-114型號(hào)電子天平稱(chēng)量4組磨好的半焦粉末,每組20 g(記為m1)置于燒杯中并標(biāo)號(hào),加入需要的試劑(酸或堿),用玻璃棒攪拌均勻,成水漿狀。將盛有半焦的燒杯放入80℃水浴鍋中恒溫水浴,每隔5 min攪拌1次。30 min后拿出冷卻至室溫。準(zhǔn)備4組漏斗,將處理過(guò)放涼后的半焦?jié){液用定性濾紙進(jìn)行過(guò)濾。用溫水沖洗,直到濾液p H約為7時(shí),停止過(guò)濾。將過(guò)濾完成的半焦放入101-2B型電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥,完全烘干后進(jìn)行稱(chēng)重(注：濾紙上的粉末需刮凈),記為m2,然后放入袋內(nèi)密封防潮,并貼簽標(biāo)記。稱(chēng)空瓷舟質(zhì)量記為m3,再用勺子向瓷舟加入處理過(guò)的半焦1 g,總質(zhì)量(m3＋1)g,記為m4,同一個(gè)樣本稱(chēng)2組平行樣,以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確。都稱(chēng)好后放入DRZ-4-11型馬弗爐中燒灰,設(shè)定終溫為820℃,由室溫開(kāi)始加熱,加熱到設(shè)定溫度后恒溫1 h。加熱時(shí)間結(jié)束后,燒灰完成,打開(kāi)爐門(mén)降溫,約2 h后溫度降至200～300℃之間即可拿出,待溫度降至室溫,將瓷舟放入電子天平上稱(chēng)重,質(zhì)量記為m5。計(jì)算灰分見(jiàn)式(1)：

式中：α——灰分,%;

m3——空瓷舟質(zhì)量,g;

m4——空瓷舟加半焦粉末質(zhì)量,g;

m5——瓷舟加灰渣質(zhì)量,g。

從而可以得出脫灰率見(jiàn)式(2)：

式中：η——脫灰率,%;

A0——原半焦樣的灰分,%;

A1——處理后的半焦灰分,%;

m1——未經(jīng)處理的半焦質(zhì)量,g(20 g);

m2——酸或堿處理后的半焦質(zhì)量,g。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 NaOH溶液處理結(jié)果分析

用濃度為5%、10%、15%和20%的NaOH溶液?jiǎn)为?dú)處理半焦的結(jié)果如圖1所示。

圖1 灰分及脫灰率隨堿濃度變化曲線(xiàn)

由圖1可知,在單獨(dú)用NaOH溶液處理半焦樣品時(shí),其灰分隨堿濃度增大而降低,當(dāng)濃度達(dá)到15%后,降低趨勢(shì)減弱。而脫灰率則與堿濃度呈正相關(guān),隨著濃度的增加,脫灰率亦增加,但總的脫灰率并不是很高,最高為23.63%,此時(shí)NaOH濃度為20%。由于增加濃度會(huì)增加脫灰的成本,而且灰分脫除效果不明顯,所以堿濃度為15%時(shí)脫灰效果最佳。

2.2 HCl溶液處理結(jié)果分析

用濃度為2.5%、5%、7.5%和10%的HCl溶液?jiǎn)为?dú)處理半焦的結(jié)果如圖2所示。

圖2 灰分及脫灰率隨酸濃度變化曲線(xiàn)

由圖2可以看出,單獨(dú)用鹽酸處理半焦樣品時(shí),隨著酸濃度的升高,半焦灰分越低。脫灰率曲線(xiàn)變化和酸濃度變化呈正相關(guān),酸濃度提高有利于更好的脫灰。當(dāng)酸濃度為5%以后,灰分曲線(xiàn)趨于平緩。所以當(dāng)酸濃度為5%時(shí),脫灰效果最佳。

2.3 鹽酸和NaOH溶液脫灰效果比較

通過(guò)比較同濃度下酸堿處理過(guò)的半焦樣本的灰分可以看出脫灰效果的優(yōu)劣,酸堿脫灰效果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 酸堿脫灰效果對(duì)比%

由表2可以看出,相同濃度下,鹽酸的脫灰效果優(yōu)于氫氧化鈉。因?yàn)辂}酸能和半焦灰分中的Fe、K、Na、Al、Mg等氧化物反應(yīng)生成可溶性鹽, NaOH溶液只能和半焦灰分中的部分硅鋁化合物發(fā)生反應(yīng)。

表2 正交因素–水平

2.4 酸、堿同時(shí)處理半焦時(shí)的脫灰分析

先用堿濃度5%、10%、15%和20%的溶液處理半焦,再用5%鹽酸溶液處理半焦,得到的半焦灰分曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 酸堿混合作用下半焦灰分曲線(xiàn)圖

由圖3可以看出,半焦灰分隨堿濃度升高而降低,且降低程度高于單獨(dú)用堿處理時(shí),灰分最低達(dá)到了9.17%,脫灰效果明顯。脫灰率與堿濃度呈正相關(guān),堿濃度越高脫灰率越高,即脫灰能力越好。因?yàn)樵虢箻悠方?jīng)堿作用,先使灰分中的硅鋁化合物反應(yīng)掉生成水溶性和酸溶性的硅鋁酸鹽,再用酸處理時(shí),金屬化合物被溶解,而且酸溶性的硅鋁化合物進(jìn)一步反應(yīng)生成水溶性鹽,隨濾液一同與半焦中的有機(jī)質(zhì)分離,從而使半焦中灰分得到最大程度的脫除;且當(dāng)酸濃度為5%、堿濃度為15%時(shí),脫灰率達(dá)到52.55%,效果最好。

2.5 正交試驗(yàn)

為確定最佳脫灰條件設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。確定酸濃度、加熱溫度以及加熱時(shí)間為3因素,每個(gè)因素設(shè)置2水平,見(jiàn)表2。共設(shè)計(jì)8組正交試驗(yàn),正交試驗(yàn)方案以及極差分析結(jié)果分別見(jiàn)表3和表4。

表3 正交試驗(yàn)方案

由表2、表3和表4可知,考慮單因素影響時(shí),影響脫灰效果大小順序依次是酸濃度＞加熱時(shí)間＞加熱溫度,即酸濃度對(duì)脫灰影響效果最為明顯,改變(增大)所用鹽酸的濃度對(duì)脫灰的收益最大。

考慮兩因素之間的交互作用時(shí),對(duì)脫灰率影響的主次順序?yàn)樗釢舛龋舅釢舛扰c加熱溫度交互作用＞酸濃度與加熱時(shí)間交互作用＞加熱時(shí)間＞加熱溫度與加熱時(shí)間交互作用＞加熱溫度。在正交試驗(yàn)中,脫灰效果最好的為第6組試驗(yàn),其條件為酸濃度為5%,加熱溫度為70℃,加熱時(shí)間為40 min,灰分可降低到14.03%,脫灰率可達(dá)到30%以上。

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)單獨(dú)用氫氧化鈉溶液處理半焦時(shí),隨著堿濃度的提高,半焦灰分不斷降低,但降低趨勢(shì)逐漸減弱,當(dāng)堿濃度為20%時(shí),脫灰效果最好,灰分為15.47%。與15%濃度的堿溶液對(duì)比,此時(shí)灰分下降不太明顯,且增加濃度,不但灰分脫除效果不明顯,反而增加了脫灰的成本,所以堿濃度在15%時(shí)為最佳,灰分可降至15.75%。

(2)單獨(dú)用鹽酸溶液處理時(shí),隨著酸濃度的升高,灰分呈逐漸降低趨勢(shì)。當(dāng)酸濃度為5%時(shí),灰分可降至13.11%,由此可見(jiàn),酸處理脫灰效果明顯優(yōu)于堿處理,且低濃度酸即可使灰分得到大幅度脫除。

(3)先用不同堿濃度溶液處理半焦,再用5%鹽酸溶液處理半焦,半焦的灰分進(jìn)一步得到降低,由單獨(dú)用堿處理時(shí)的15.47%降低到9.17%,降幅很大。而且只用了5%濃度的鹽酸,不但效果非常明顯,而且節(jié)省了脫灰成本。

(4)采用2水平3因素正交試驗(yàn)進(jìn)行酸處理降灰試驗(yàn),經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在3個(gè)因素中,影響級(jí)別由高到低是酸濃度＞酸濃度與加熱溫度交互作用＞酸濃度與加熱時(shí)間交互作用＞加熱時(shí)間＞加熱溫度與加熱時(shí)間交互作用＞加熱溫度。脫灰效果最好的一組的試驗(yàn)條件為酸濃度為5%,加熱時(shí)間為40 min,加熱溫度為70℃,得到精煤灰分為14.03%。此試驗(yàn)條件為最佳,且試驗(yàn)條件相對(duì)溫和,脫灰成本較為低廉,比較有實(shí)用價(jià)值。

[1] 邢康,唐慶杰.半焦煤催化氣化反應(yīng)性的試驗(yàn)和研究[J].中國(guó)煤炭,2013(10)

[2] 張雙全,吳國(guó)光.煤化學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2009

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

龍煤集團(tuán)所屬醫(yī)院實(shí)現(xiàn)股權(quán)轉(zhuǎn)讓

日前,龍煤集團(tuán)與晉商聯(lián)盟醫(yī)院股權(quán)轉(zhuǎn)讓簽約儀式在哈爾濱舉行,由此開(kāi)啟雙方在醫(yī)療領(lǐng)域股權(quán)合作的序幕。協(xié)議的簽署標(biāo)志著龍煤集團(tuán)在積極推進(jìn)企業(yè)深化改革工作中又一次邁出了實(shí)質(zhì)性步伐。據(jù)了解,龍煤集團(tuán)有二級(jí)甲等以上醫(yī)院6家,此次在省產(chǎn)權(quán)交易中心掛牌轉(zhuǎn)讓控股權(quán),晉商聯(lián)盟成功摘牌受讓。

黑龍江省委常委、副省長(zhǎng)、省國(guó)資委黨委書(shū)記李海濤出席簽約儀式并會(huì)見(jiàn)了晉商聯(lián)盟董事長(zhǎng)李建國(guó)一行。李海濤指出,龍煤集團(tuán)所屬醫(yī)院能與晉商聯(lián)盟這樣一個(gè)有實(shí)力的公司進(jìn)行戰(zhàn)略合作,意義重大。李建國(guó)表示,通過(guò)此次龍煤集團(tuán)所屬醫(yī)院股權(quán)成功轉(zhuǎn)讓,看到了黑龍江省深化國(guó)有企業(yè)改革的堅(jiān)定信心和決心,并承諾,在黑龍江省委、省政府的領(lǐng)導(dǎo)下,一定會(huì)把礦區(qū)醫(yī)療集團(tuán)做成民營(yíng)資本進(jìn)入黑龍江醫(yī)療產(chǎn)業(yè),參與醫(yī)療改革的樣板。

Study on the acid-base deashing technology of semi-coke

Yang Qiaowen,Guo Ling,Guo Songjiang,Yuan Jinsha,Wang Xin
(School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

Focusing on high ash content and poor adsorption ability of semi-coke,this paper selected semi-coke from Xinjiang as experiment object and used acid-base deashing method to investigate the deashing effect of hydrochloric acid concentration and NaOH concentration.The result indicated that when semi-coke was dealt with NaOH solution alone and the mass fraction of Na OH solution was 15%,the best deashing effect of semi-coke was achieved and the ash content decreased to 15.75%;when using hydrochloric acid alone and the mass fraction of hydrochloric solution was 5%,the deashing effect was optimum and the ash content could be reduced to 13.11%,which made clear that the deashing ability of hydrochloric acid was better than that of NaOH solution;when semi-coke was dealt with different concentrations of NaOH solution followed by hydrochloric acid,the ash content can be reduced to 9.17%,to the minimum.The result of orthogonal experiment showed that the best deashing conditions of hydrochloric acid were：mass fraction of hydrochloric acid was 5%,the heating time was 40 minutes,the heating temperature was 70℃,and the ash content of semi-coke could be reduced to 14.03%.

semi-coke,acid-base method,deashing,orthogonal experiment

TD94

A

楊巧文(1963-),女,浙江臺(tái)州人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)教授,博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)槊禾可疃让摶颐摿虺瑑裘褐苽?、精?xì)水煤漿制備、煤炭固硫以及與煤有關(guān)的儀器分析。