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        黏結(jié)性煤破黏技術(shù)的研究現(xiàn)狀★

        2023-09-13 01:02:12張曉欠王武生劉巧霞
        山西化工 2023年7期
        關(guān)鍵詞:黏結(jié)性煙煤固定床

        張曉欠,黃 勇,王武生,黨 昱,劉巧霞,折 喆

        (1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心,陜西 西安 710000;2.石油和化工行業(yè)化石碳?xì)滟Y源高效利用技術(shù)工程研究中心,陜西 西安 710000)

        0 引言

        我國以煤為主的能源格局在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變,煤炭仍是我國現(xiàn)在和未來能源的重要組成部分[1]。一般將煤炭分為泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤,按其黏結(jié)性又可分為不黏煤、弱黏煤、中黏煤和強(qiáng)黏煤[2]。煤的黏結(jié)性是指煤粒(粒徑小于0.2 mm)在隔絕空氣受熱后能夠黏結(jié)自身或惰性物質(zhì)(沒有黏結(jié)力的物質(zhì))成焦塊的性質(zhì)。煤的黏結(jié)性是煤重要性質(zhì)之一,決定著煤是否能夠黏結(jié)成焦及焦炭的質(zhì)量,同時(shí)對煤的熱解、氣化等化工應(yīng)用有著重大的影響,甚至成為工藝過程中決定性因素之一[3-4]。目前,固定床氣化技術(shù)和流化床氣化技術(shù)在煤氣化行業(yè)中使用頻率較高,而這兩種氣化技術(shù)對原煤的性質(zhì)均有一定要求,其中固定床氣化原煤需具有較高的活性和熱穩(wěn)定性,并且需要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度,弱黏結(jié)性和結(jié)渣性;而流化床氣化原料煤則需要灰熔融點(diǎn)要高,黏結(jié)性要小,反應(yīng)性要好。這兩種技術(shù)都不用黏結(jié)性煤。如流化床選用黏結(jié)性煤,在氣化過程中容易在爐膛局部位置形成堵塞,導(dǎo)致床層內(nèi)煤粒無法流化,嚴(yán)重影響氣化效果[5]。

        因此,通過破黏改善黏結(jié)性煤在氣化過程的黏結(jié)現(xiàn)象,不僅擴(kuò)大了氣化技術(shù)原料的來源范圍,而且進(jìn)一步拓寬了黏結(jié)性煤高附加值的利用途徑,更合理地利用和保護(hù)了煤炭的資源化利用。

        1 煤黏結(jié)性機(jī)理

        不同變質(zhì)程度的煤,其結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性和多樣性,國內(nèi)外對具有黏結(jié)性煤形成機(jī)理的研究并未達(dá)成共識(shí)。目前,膠質(zhì)體理論和中間相理論為人們所廣泛應(yīng)用。

        1.1 膠質(zhì)體理論

        膠質(zhì)體理論認(rèn)為,煤的黏結(jié)性源于熱解過程中形成的膠質(zhì)體,當(dāng)具有黏結(jié)性的煤粒在隔絕空氣加熱到一定溫度時(shí),煤顆粒開始軟化,形成固、液、氣三種相態(tài)的膠質(zhì)體,隨著溫度的提高,低沸點(diǎn)液體揮發(fā)形成熱解油氣,高沸點(diǎn)液體在半焦顆粒間擴(kuò)散,并發(fā)生分析、固化,使顆粒黏結(jié)。而煤的黏結(jié)性強(qiáng)弱正是由膠質(zhì)體中液相產(chǎn)物的量及性質(zhì)所決定的[6-7]。

        1.2 中間相理論

        對于中間相理論的研究者認(rèn)為,煤在熱解過程中,煤中鏡質(zhì)組變?yōu)槟z質(zhì)體時(shí)開始形成微小的球體,這些小球體逐漸接觸、熔并、長大,最后聚結(jié)在一起,形成了類似于液晶的具有各向異性的流動(dòng)相態(tài),即為中間相,而中間相在形成和發(fā)展過程中的性質(zhì)及數(shù)量決定煤的黏結(jié)性強(qiáng)弱[8]。

        2 煤黏結(jié)性測試方法

        測試煤黏結(jié)的方法有很多,如黏結(jié)指數(shù)、坩堝膨脹系數(shù)、羅加指數(shù)、奧亞膨脹度以及膠質(zhì)層指數(shù)等。目前最常用的方法是測其黏結(jié)指數(shù)(G)。

        國標(biāo)規(guī)定的測定黏結(jié)指數(shù)的具體方法是:將1 g試驗(yàn)煤樣(粒度在0.1~0.2 mm 且質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于20%~35%)與5 g 標(biāo)準(zhǔn)無煙煤(均精確到0.001 g)放入坩堝內(nèi)均勻混合,在標(biāo)準(zhǔn)壓塊(110~115 g)與6 kg 的壓力下受壓30 s,再放入預(yù)先升溫至850 ℃±10 ℃的馬弗爐內(nèi)灼燒15 min,然后取出冷卻至室溫,最后將灼燒過后的煤樣進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)和篩分操作,計(jì)算出G 值[9]。

        3 破黏方法研究現(xiàn)狀

        關(guān)于黏結(jié)性煙煤的破黏方法,國內(nèi)外的研究者做了很多工作,主要有機(jī)械破黏法,摻入法和預(yù)氧化法等。無論是哪種方法都存在一定的優(yōu)缺點(diǎn),針對不同的應(yīng)用方向,選擇適合的方式。

        3.1 機(jī)械破黏法

        機(jī)械破黏法采用機(jī)械攪拌的方式將黏結(jié)性煤進(jìn)行破黏。在氣化爐中形成塊狀物后,采用氣化爐附帶的攪拌裝置將結(jié)塊通過攪拌進(jìn)行破碎,或者利用探釬,將干餾層結(jié)成的很薄的一層焦餅搗成碎塊。該方法主要應(yīng)用于固定床氣化技術(shù)中,應(yīng)用范圍受到限制[10]。因此,目前對于該方法的研究甚少。

        3.2 摻入破黏法

        將黏結(jié)性煙煤與沒有黏結(jié)性的煤或者焦以合適的比例混合,用于流化床氣化,或?qū)⒍呋旌蠅褐瞥蓧K用于固定床。該方法主要是需要同時(shí)準(zhǔn)備煤與焦或不黏煤來源及堆放場地,經(jīng)濟(jì)性相對較差。

        趙守國[11]針對黑龍江周邊地區(qū)黏結(jié)性煤在德國萊比錫固定床PKM加壓氣化爐內(nèi)會(huì)結(jié)焦,導(dǎo)致排灰困難等問題,進(jìn)行了黏結(jié)性煙煤混配長焰煤和石灰石的黏試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,黏結(jié)性煙煤中混配一定比例的長焰煤或石灰石,可達(dá)到其破黏的效果,從而也擴(kuò)大了PKM加壓氣化爐的原料煤來源。林紅等[12]通過將不黏結(jié)性煤加入到黏結(jié)性煤中進(jìn)行破黏實(shí)驗(yàn),探究最佳配比及原煤粒度,并將破黏后的型煤利用國富(GF)干餾爐干餾,得到性能優(yōu)異的產(chǎn)品。田樹義[10]在黏結(jié)性煙煤中加入煤質(zhì)量12.5%的工業(yè)廢棄液,可將原煤的黏結(jié)指數(shù)從17 降到3,如廢棄液加到煤的30%配成煤漿,則可完全破除其黏結(jié)性。周仕學(xué)等[13]研究了強(qiáng)黏結(jié)性煤與有機(jī)廢棄物共熱解的特性,結(jié)果表明,熱解過程中有機(jī)廢棄物能阻止煤粒之間發(fā)生黏結(jié),得到粒狀焦炭。

        3.3 預(yù)氧化法

        通過氧化對煤進(jìn)行預(yù)處理,破壞煤的黏結(jié)性,而預(yù)氧化后的煤揮發(fā)分相應(yīng)降低,大約損失1/3,固體容重減輕約50%,因而煤的熱損失會(huì)增加,經(jīng)濟(jì)效益降低[10]。

        預(yù)氧化法破除煤黏結(jié)性的研究主要集中在破黏效果和工藝兩方面。戢緒國等[14]在內(nèi)徑100 mm 的加壓流化床氣化爐中,進(jìn)行陜西黏結(jié)煤的加壓流化床純氧氣氣化試驗(yàn),經(jīng)過十幾次試驗(yàn)取得滿意結(jié)果。梁杰等[15]為探索黏結(jié)性煙煤在地下氣化通道貫通過程中熱貫通特性,采用了空氣預(yù)氧化的方法,通過對不同溫度、流量及時(shí)間對煙煤黏結(jié)指數(shù)影響規(guī)律,獲得隨著氧化溫度的升高、空氣流速的增大、破黏時(shí)間延長,煙煤黏結(jié)性明顯下降。韋章兵[16]將徐州大屯孔莊的一種1/3 焦煤,分別采用空氣預(yù)氧化、水汽處理、配惰性無煙煤及藥劑浸泡4 種方法進(jìn)行對比分析破黏效果,研究表明,空氣預(yù)氧化法效果最好,操作簡單;而水汽處理法效果不明顯,操作費(fèi)用大,工藝繁瑣;配惰性無煙煤可降低其黏結(jié)性,但耗費(fèi)無煙煤;而藥劑浸泡法適用于處理量少場合。

        國內(nèi)外對預(yù)氧化法破除煤黏結(jié)性的工藝研究很多,代表性的有美國礦務(wù)局開發(fā)的沉降爐破黏工藝和中國科學(xué)院過程工程研究所(IPE)開發(fā)的射流預(yù)氧化流化床氣化技術(shù)[17-18]。

        美國礦務(wù)局的預(yù)氧化工藝是一個(gè)獨(dú)立處理過程,煤破黏預(yù)處理和后續(xù)半焦氣化被隔離,增加了氣化工藝的復(fù)雜性。而且在預(yù)氧化工程可燃組分部分損失,產(chǎn)生的H2、CO、小分子烷烴及焦油蒸汽無法有效富集利用。中國科學(xué)院過程工程研究所開發(fā)的射流預(yù)氧化流化床技術(shù)將煤預(yù)氧化破黏與半焦氣化集成在一個(gè)反應(yīng)器中,不僅使預(yù)氧化產(chǎn)生的有效成分得到充分利用,而且可操作性強(qiáng),有效地解決黏結(jié)性洗中煤的氣化問題[19]。

        同時(shí),兩種方式均采用高溫下預(yù)氧化方法破除煤黏結(jié)性,取得良好的破黏效果。而富迎輝等[20]通過固定床低溫預(yù)氧化實(shí)驗(yàn)考察了強(qiáng)黏結(jié)性煤在不同的氧化時(shí)間和終溫下黏結(jié)性的變化規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),氧化時(shí)間越長,煤黏結(jié)性越低,而隨著氧化時(shí)間延長,降黏的最佳溫度也下降,實(shí)驗(yàn)表明,氧化8 h,終溫200 ℃時(shí)降黏效果最佳。

        4 結(jié)語與展望

        具有黏結(jié)性的煙煤被限制其在氣化技術(shù)中應(yīng)用,常規(guī)氣化技術(shù)中,黏結(jié)性煤顆粒會(huì)在床層內(nèi)互相黏結(jié)或黏結(jié)在爐內(nèi)壁上,從而發(fā)生局部結(jié)焦,隨著時(shí)間積累,結(jié)焦逐步變大導(dǎo)致爐膛堵塞停車。對黏結(jié)性煙煤的破黏尤為重要。機(jī)械破黏法受其設(shè)備的局限性,應(yīng)用范圍狹窄;摻入法目前仍處于試驗(yàn)其破黏可行性及效果研究階段;而預(yù)氧化法破除煤的黏結(jié)性后,其氣化活性會(huì)受到一定的影響。而且,無論哪種破黏方法,其機(jī)理性的研究和探索較少,不能從根本上解決煙煤在氣化技術(shù)中存在的問題。

        因此,探尋最佳黏結(jié)性煙煤的破黏方法,改善煤的黏結(jié)性,探索其破黏機(jī)理,不僅對黏結(jié)性煙煤氣化存在的結(jié)焦問題具有巨大指導(dǎo)意義,而且擴(kuò)大了氣化技術(shù)的原料范圍,擴(kuò)寬了黏結(jié)性煙煤高附加值的利用途徑,更合理地利用和保護(hù)了煤炭的資源化利用。

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