蘭炭用于水煤漿氣化原料可行性研究

解松源 黃金鋒 何凡 王靜 李長(zhǎng)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(guò)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(guó)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(jiàn)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(wú)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(guò)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(wèn)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(guò)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(chǎng)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(guò)1300℃，每千克的熱值超過(guò)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(guò)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(chǎng)常見(jiàn)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(cè)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(lái)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(cè)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(cè)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(shuō)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(cè)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(guò)程。使用模擬軟件，在模擬煤在反應(yīng)器中的熱解過(guò)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(méi)有參與到反應(yīng)的物質(zhì)屬于一種惰性物質(zhì)。模擬過(guò)程煤具有比較均勻的顆粒溫度，而且并沒(méi)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(cè)試結(jié)果概述

神木煤煙和蘭炭的熱重分析測(cè)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(cè)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(shì)，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(guò)，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(yǔ)

水炭漿成漿之后可以超過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(jiǎn)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。