劉海燕,荊 波,李彩艷
(兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司,山東滕州 277527)
煤炭作為地球上儲量最豐富的化石燃料被廣泛應用于各個領域,煤中的灰分是限制其應用的重要因素?;瘜W脫灰法是目前比較常用的脫灰方法,通過酸堿與煤中的礦物質進行化學反應,生成可溶性的鹽,進而脫除煤中的礦物質。國內眾多研究人員從20世紀80年代中期開始采用化學脫灰的方法進行超潔凈煤的制備[1-3],前期的研究人員對脫灰過程和脫灰機理進行了研究,如劉宗炎分別對Auscoal工藝及Gravimelt工藝生產(chǎn)超潔凈煤的工藝技術、產(chǎn)品性質及成本進行了分析[4],趙海銘通過單因素試驗研究了影響中煤化學脫灰效果的幾個因素[5]。筆者通過化學脫灰法處理不同產(chǎn)地的煤粉,研究化學脫灰過程中礦物元素的遷移變化規(guī)律,從而指導煤脫灰在工業(yè)中的應用。
選取產(chǎn)地不同的煤種進行研究,即分別選用山東煤A、內蒙煤B和陜西煤C作為研究對象,采用化學脫灰的方法制備超潔凈煤。具體操作如下:將煤進行破碎、篩分,確保粒徑在75 μm以下。稱取一定量的煤,與一定濃度的氫氧化鈉溶液混合,在高溫高壓反應器內反應一定的時間。堿處理后的煤粉經(jīng)過濾獲得濾餅,對濾餅進行2次酸洗后,再進行2次水洗,即獲得超潔凈煤。按照GB/T 212—2008對原煤進行工業(yè)分析。
采用德國布魯克的S8 TIGER型X射線熒光光譜儀(XRF)分析煤的高溫灰的成分;采用美國利曼Prodigy XP型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)對化學脫灰過程中產(chǎn)生的濾液進行分析;采用AMICS系統(tǒng)分析煤中的礦物成分,AMICS系統(tǒng)由電子掃描電鏡、能譜儀、AMICS軟件三部分組成。
3種原煤基本煤質的分析結果見表1。
表1 3種原煤的煤質工業(yè)分析結果 %
由表1煤質工業(yè)分析結果可知:3種不同產(chǎn)地煤的灰分不同,以A煤中的灰分最高,B煤中的灰分最低。
3種原煤高溫灰成分的分析結果見表2。
表2 3種原煤高溫灰成分的分析結果(質量分數(shù)) %
通過表2可以看出:3種產(chǎn)地不同煤的高溫灰成分不同,A煤中硅鋁氧化物所占比例為75.2%,高于其他2種煤;B煤中的氧化鐵所占比例為34.18%,高于其他2種煤;C煤中的氧化硅和氧化鈣含量比較高。
對化學脫灰過程中產(chǎn)生的堿浸出液、2次酸洗液和2次水洗液進行處理,處理后進ICP-AES測試煤中主要礦物元素的含量。結合工業(yè)分析數(shù)據(jù)和XRF數(shù)據(jù),對化學脫灰過程中離子的脫除率進行計算,A煤、B煤、C煤在化學脫灰過程中主要礦物元素的脫除率分別見表3、表4、表5。
表3 A煤在化學脫灰過程中主要礦物元素的脫除率 %
通過表3可以看出:A煤在化學脫灰過程中,堿浸出過程僅能脫除少量的鋁和硅,主要是將高嶺石轉化為羥基方鈉石,在后續(xù)的酸洗過程中進行脫除,礦物質脫除的主要化學反應在一次酸洗,因此大部分礦物元素脫除集中在一次酸洗后。
A煤在化學脫灰后的基本煤質分析結果顯示:脫灰后干燥基灰分Ad為0.93%,干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf為36.82%,空氣干燥基水分Mad為7.28%。根據(jù)礦物分析結果來看,未脫除的礦物質主要以石英、黃鐵礦和金紅石等形式存在。這主要是因為金紅石、石英等一些化學性質穩(wěn)定的礦物質,在脫灰過程中不會發(fā)生變化。由于黃鐵礦在此反應條件下反應緩慢[6-9],所以會造成黃鐵礦的殘留。
表4 B煤在化學脫灰過程中主要礦物元素的脫除率 %
通過表4可以看出:B煤在化學脫灰過程中,堿浸出過程僅能脫除少量的鋁和硅,主要的脫除還是集中在后續(xù)的酸洗過程。
B煤在化學脫灰后的基本煤質分析結果顯示:脫灰后干燥基灰分Ad為0.75%,干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf為34.02%,空氣干燥基水分Mad為2.05%。根據(jù)礦物分析結果來看,未脫除的礦物質主要以石英、黃鐵礦和金紅石等形式存在。
表5 C煤化學脫灰過程中主要礦物元素的脫除率 %
通過表5可以看出:在化學脫灰過程中,C煤和前2種煤相似,主要礦物元素的脫除集中在一次酸洗后,經(jīng)過化學脫灰過程,大部分含鋁的礦物質被脫除,剩余少量含鐵、鈣和鈦的礦物質。
C煤在化學脫灰后的基本煤質分析結果顯示:脫灰后干燥基灰分Ad為0.57%,干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf為38.18%,空氣干燥基水分Mad為13.28%。根據(jù)礦物分析結果來看,未脫除的礦物質主要以黃鐵礦、硫酸鈣和金紅石等形式存在。
化學脫灰可以有效脫除煤中的礦物質,通過研究發(fā)現(xiàn),堿浸出過程主要脫除煤中部分含鋁、硅的礦物,煤中礦物質的溶出脫除主要在酸洗工序中,主要礦物質與硫酸反應轉化成硫酸鹽和硅酸,在酸洗濾液中溶出脫除,而水洗工序主要脫除殘余的硫酸鹽類礦物。在化學脫灰過程中,消解過程雖然不能大量脫除礦物元素,但對高嶺石的轉變起到至關重要的作用,必須在制備過程中嚴格控制消解條件及酸洗條件,才能保證整個化學脫灰的脫除率。