煉焦配煤中煤溶劑的萃取及應用研究

喬剛剛

(山西西山煤氣化有限責任公司，山西 古交 030200)

引 言

我國地大物博，蘊含著大量的石化能源，且其中90%左右為煤炭資源。我國每年都會開采使用大量的煤炭資源，以滿足社會經濟快速發展的需要[1]。但是受到煤炭領域技術水平的限制，我國對煤炭資源的利用率一直不是很高，不僅造成了嚴重的煤炭資源浪費問題，且在使用過程中會對環境造成嚴重污染[2-3]。在所有的煤炭資源中，低階煤所占比例相當豐富，這種性質的煤炭需要進行深入加工后再使用，才能夠在最大限度上發揮作用[4-5]。先利用溶劑對其進行萃取，再進行配煤煉焦就是非常重要的加工手段，可以顯著提升煤炭的質量[6]。隨著煤炭資源儲量的逐漸降低，人們越來越關注配煤煉焦技術的實踐應用。本文主要研究了煤的溶劑萃取及其在配煤煉焦中的應用情況。對于提升煤炭資源利用率，降低環境污染問題，具有重要的實踐意義。

1 煤溶劑萃取的基本原理

對煤進行溶劑萃取時，需要使用專門的溶劑，并且溶劑必須具備有授、受電子的能力。在溶劑的作用下，可以將煤中的小分子相進行釋放，從而達到脫灰的目的。煤炭資源屬于有機物，內部主要由相似的化合物進行混合而成，這些化合物具有不同的相對分子質量和分子結構。不同化合物之間通過范德華力和氫鍵實現連接，構成一個整體。煤的煤化程度會對化合物之間的連接形式、強度等造成非常重要的影響。相同的溶劑對不同形式、強度等的連接鍵，具有不同的破壞力。另外，煤化程度還會對煤炭資源的熱解開始溫度產生一定程度的影響，而萃取過程又會受到煤熱解影響。通常煤炭資源的熱解開始溫度越高，則越不容易進行萃取。利用溶劑對煤炭資源進行萃取時，溶劑會滲透到煤的基體中，導致煤基體發生溶脹的現象。溶劑滲透到煤基體的前提條件是它們之間具有相同的內聚能。所以需要根據煤炭資源的性質，合理選擇溶劑。

2 煤溶劑的萃取工藝及對煤灰分的影響

2.1 煤溶劑的萃取工藝過程

萃取煤種選用的是褐煤，在充分研究褐煤基本屬性的基礎上，以洗油為溶劑進行萃取，如圖1所示為煤的溶劑萃取工藝過程圖。由圖1可知，在萃取前首先需要對褐煤進行制樣，得到煤漿，再進行恒溫萃取。通過離心方式對萃余物進行分離處理，基于反萃取方法可以得到萃取物，同時還可以對洗油溶劑進行回收再利用，以降低工藝成本，提升資源利用率。對萃余物和萃取物分別在80 ℃恒溫條件下進行干燥處理，然后對其樣品進行分析，以研究萃取過程對煤結構的影響。

圖1 煤溶劑的萃取工藝過程框圖

進行恒溫萃取時，原煤和溶劑之間的比例設置為1∶50，將它們進行充分混合，確保均勻后，放置在反應釜中，在攪拌的同時進行加熱處理。要求反應釜處于密閉狀態，向內部通入氮氣進行保護。待反應釜內部的溫度上升至設定溫度300 ℃后，繼續保溫1 h，再冷卻到室溫。基于離心方式實現固液分離，所得固體即為萃余物。通過對萃余物質量的計算可以得到萃取率。

2.2 煤溶劑萃取率及對原煤灰分的影響

基于上述煤溶劑的萃取工藝過程，可以得到對應的萃取物和萃余物。再利用下式可以計算得到萃取率：Y=(M1-MR)/M1×100，式中，Y表示萃取率，%；M1和MR分別表示原煤和萃余物的質量，g。最終計算得到的萃取率為37.5%。萃取率處于中等以上水平。取得比較理想的萃取率的原因在于溶劑和原煤具有類似的內聚能，兩者之間能夠相互融合，溶劑可以對原煤中的小分子相進行快速釋放。對萃取物的灰分進行檢測，發現其灰分大小為0.11%左右。通過對原煤的灰分進行檢測發現其灰分達到了10.33%，可見，通過對煤進行溶劑萃取，顯著降低了煤的灰分，達到了理想的效果。綜上所述，基于溶劑萃取方法對高灰分原煤進行萃取后，能夠顯著降低煤的灰分，從而擴展其應用范圍，提升其經濟價值。

3 萃取物在配煤煉焦中的應用研究

為了分析萃取物在配煤煉焦過程中的實際應用情況，以褐煤為主煉焦煤，同時向其內部添加以上文所述得到的萃取物。為研究添加萃取物的比例對最終煉焦效果的影響，分別將萃取物的比例設置為0%、1%、3%、5%、7%，其他配煤煉焦工藝條件均相同。

3.1 對煉焦煤性質的影響情況

如表1所示為萃取物添加比例對煉焦煤性質的影響情況。由表1中數據可以明顯看出，隨著萃取物添加比例的不斷增加，煉焦煤中的空氣干燥基水分、灰分兩個性能指標有逐漸降低的趨勢，而揮發分和黏結指數兩個性能指標有逐漸增加的趨勢。后面兩個指標是對煉焦煤進行評價的重要技術指標，指標數值越高意味著煉焦煤的質量越好。表1中所列數據均在煉焦煤的合理范圍內，可以看出，在配煤煉焦過程中添加萃取物能夠有效保障煉焦效果，提升煉焦煤的質量。

表1 萃取物添加比例對煉焦煤性質的影響情況

3.2 對煉焦煤軟化溫度區間的影響情況

煉焦煤的軟化區間表示能夠保證煤體處于膠質狀態的溫度區間，該溫度區間越大表示煉焦煤的質量越好，同樣是反映煉焦煤綜合性質的重要指標。對添加不同比例萃取物的煉焦煤的軟化區間進行了統計分析，結果如圖2所示。圖2中還顯示了煉焦煤的軟化開始溫度和固化開始溫度。從圖2中還可以看出，隨著萃取物濃度的不斷增加，煉焦煤的軟化開始溫度逐漸降低，而固化開始溫度的變化不是非常明顯，導致煉焦煤的軟化溫度區間逐漸擴大。當萃取物的添加比例為1%時，煉焦煤的軟化溫度區間為57 ℃，當萃取物的比例達到7%時，軟化溫度區間達到75 ℃。以上結果表明，萃取物添加比例越多，得到煉焦煤的質量越好。

圖2 萃取物添加比例對煉焦煤軟化區間的影響曲線

對原煤進行萃取的原理就是利用溶劑對原煤中的小分子相進行釋放，所以得到的萃取物中包含有大量的小分子相。利用萃取物進行配煤煉焦時，如果添加的萃取物比例越多，意味著煉焦煤內部包含有更多的小分子相。小分子相的特點是受熱后非常容易發生分解反應和解聚反應，所以煉焦煤中如果包含有很多小分子相，則其軟化開始溫度會降低。這就是隨著萃取物添加比例的增加，煉焦煤的軟化開始溫度逐漸降低的原因。

4 結論

主要對煤的溶劑萃取工藝過程進行了研究，分析了萃取物在配煤煉焦中的實踐應用情況，所得結論主要如下：

1)低階煤的使用價值較低，需要對其進行進一步加工處理，才能夠在最大限度上發揮其應有的價值。通過對煤進行溶劑萃取，再進行配煤煉焦是非常重要的加工手段，能顯著提升煤的質量；

2)分別以褐煤和洗油為原煤和溶劑，開展萃取工藝研究。原煤和溶劑的固液比例為1∶50，恒溫萃取溫度設置為300 ℃。最終得到的萃取率達到了37.5%，原煤的灰分由10.33%降低到了0.11%，取得了很好的萃取效果；

3)以褐煤為主煉焦煤，添加不同比例的萃取物進行配煤煉焦。結果發現在配煤煉焦中使用萃取物能顯著提升煉焦煤的質量，且萃取物的添加比例越高，煉焦煤的各項性能指標也越高。