工業中褐煤的水熱提質加工

金沙亮

(中國礦業大學，北京 100000)

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工業中褐煤的水熱提質加工

金沙亮

(中國礦業大學，北京 100000)

為實現褐煤水熱提質的工業化應用,本文主要分析了水熱提質對煤質的影響,綜述了水熱提質改善水煤漿泵送特性,脫除煤中有害物質,實現廢水治理等應用現狀，加快實現褐煤水熱提質的工業化步伐。水熱提質褐煤可提高褐煤成漿性,有利于褐煤高濃度制漿后用于燃燒及氣化;水熱提質還能減少煤中堿金屬和堿土金屬,為新疆高鈉煤的利用提供一條有效途徑。

褐煤水熱提質；工業化；有害物質；廢水治理

1 褐煤水熱提質加工的依據

我國褐煤資源豐富，已探明儲量達1300多億噸，褐煤必然是我國未來發展的重要能源。褐煤水分高，熱值低，利用效率低，特別是儲存過程中具有很高的自燃傾向，導致嚴重的儲存和運輸問題。褐煤自燃性與含氧量高有關，減少和抑制含氧官能團，實現褐煤有效利用非常重要。褐煤提質主要有蒸發脫水和非蒸發脫水，傳統蒸發干燥過程能有效脫除褐煤中水分[1]，但不能脫除褐煤中氧，且蒸發干燥能耗較高。目前，一些蒸發干燥技術因其工藝和設備問題或經濟性不佳處于停產階段。非蒸發脫水即在高溫、高壓、有水存在條件下進行褐煤水熱提質。水熱提質過程中水以液態形式脫除，能耗較低，能有效脫除褐煤中部分含氧官能團，提高褐煤熱值的同時可有效抑制其自燃[2]。

2 水熱提質加工現狀

2.1 水熱提質可改善水煤漿泵送特性。褐煤因其多孔特性和高氧含量屬于難制漿煤種。一般褐煤制漿濃度小50%，低于高變質程度煤的制漿濃度，影響褐煤水煤漿在燃燒及氣化方面的應用。George Favas等研究了水熱提質對褐煤制漿特性的影響。發現溫度變化對煤粒內孔特性影響顯著，孔隙率隨溫度升高而減少。增加處理溫度、反應時間，減少入料水煤漿濃度導致廢水中有機物顯著增加，產物元素組成變化明顯。煤特性研究顯示，變質程度是水熱提質煤的主要影響因素，另一個顯著影響因素是煤巖類型。水熱提質煤的經濟性隨煤變質程度的降低而增加，但低變質程度煤經水熱提質后，其內孔隙率仍較高。

2.2 水熱提質脫除煤中有害物質。煤中有害物質會影響甚至阻止煤的有效轉化，在煤轉化前有效脫除其有害成分意義重大。Timpe等采用超臨界水作為溶劑、反應劑和能源傳輸介質用于脫除煤中硫和微量金屬。研究顯示，煤中砷、硒和汞在水熱提質下可以脫除。一些煤中硫和特定的痕量金屬在高于水的臨界溫度和低于水的臨界壓力下可脫除50%或更高。一些痕量元素與煤中特定無機物有關，不能完全脫除，但可被濃縮至殘渣中。

2.3 水熱提質實現廢水治理。褐煤水熱提質過程中，煤中少量有機物溶于水中，造成能源損失和廢水處理困難。針對褐煤水熱提質過程有機物溶出問題，研究發現，300攝氏度下水熱提質煤實現脫水提質。但原煤中1.5%的碳溶于水中成為水溶性的有機化合物。在350攝氏度、20MPa、液時空速50h-1條件下，廢水中有機物完全被催化轉化為富氫氣和甲烷的可燃氣體。催化劑在水熱提質過程中活性高，穩定性好。該氣化方法不僅對廢水處理有效，與水熱提質工藝相結合時還可作為廢水能源回收工藝[3]。

3 褐煤水熱提質加工法研究發展趨向

褐煤水熱提質脫水、脫氧效果好，可消除褐煤自燃問題，但褐煤水熱提質仍停留在實驗室研究或間歇式生產階段，未來實現低成本、大規模、連續水熱提質褐煤是研究重點以及發展趨向。

Parshetti等進行了褐煤加壓-閃蒸循環水熱提質研究，提出一種超臨界水處理褐煤，使其轉化為液體、固體和氣體燃料的新技術。該方法包括水煤漿經循環泵打入管式反應器及煤粒子與轉化后產物快速閃蒸2個過程。轉化過程中的水蒸發階段阻止了煤粒子的聚集。390攝氏度、29.0MPa時，冷凝產品獲得最大產率。轉化后可燃產物和固體殘渣的高位熱值比原煤高。揮發性可燃物和冷凝產物中的H/C比比殘渣高。研究證明煤中有機物中的硫以硫化氫形式脫除，脫除率達77.2%，而氮則集中在固體殘渣中(67.2%)。

主要內容

研究不同溫度，壓力下褐煤水熱脫水的提質效果。

(1)煤樣制備

原煤3kg，磨礦時間1h、1.5h。

測定煤樣粒度(平均粒徑在40-80μm之間)

(2)水熱試驗

溫度：200℃、250℃

壓力：飽和蒸汽壓

煤/水：1/1、1/1.5

保壓時間：1h

攪拌速度：500r/min

1)稱干煤100g，總水100g，加入到反應釜中，充氮氣2Mpa檢漏2h；

2)加熱反應釜；

3)到達指定溫度后，停止加熱，保壓；

4)冷卻反應釜至室溫；

5)取出煤樣，抽濾，105℃真空干燥8h，密封保存。

(3)煤樣檢測。水熱作用對孔隙的改變(孔隙分布、比表面積、孔容)其中的因果關系(壓力、溫度的作用)；

水熱作用脫除含氧官能團(壓力、溫度的作用)可以對比空氣干燥的數據。

4 工業上的意義

褐煤水熱提質可同時脫水、脫氧，改變煤質特性，提高煤炭轉化效率，解決褐煤運輸及自燃問題；水熱提質還可脫除煤中潛在的有害元素，這對褐煤潔凈利用意義重大；水熱提質褐煤可提高褐煤成漿性，有利于褐煤高濃度制漿后用于燃燒及氣化；水熱提質還能減少煤中堿金屬和堿土金屬，為新疆高鈉煤的利用提供一條有效途徑。

[1] 田忠坤.管式氣流干燥器提質低階煤理論與技術的研究[D].中國礦業大學(北京),2009,22～27

[2] 徐振剛,劉隨芹.型煤技術[M].北京:煤炭工業出版社,2001.

[3] 苑衛軍.“粉煤—酚水”水煤漿治理煤氣發生站含酚污水[J].節能與環保,2004(6);33-35.

金沙亮(1995-)，男，滿族，遼寧人，本科，研究方向：礦物加工。

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1671-1602(2016)20-0005-01