CN101422750A - 一种新型煤炭粉碎方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型煤粉碎方法，其特征是利用煤中存在孔隙，采用“蒸汽爆碎(steamexplosion)”原理，即将固体煤料用饱和蒸汽或高压气体处理一定时间后瞬间降至常压的过程。在高温高压水蒸气的物理化学作用下，使煤结构强度下降，当突然减压时，孔隙中的气体急剧膨胀，液态水迅速汽化产生爆炸，将煤爆裂成细粉或使煤的空隙扩大降低了煤的强度。在蒸汽爆碎过程中存在热降解和机械断裂等作用。煤的汽爆粉碎过程可以是间隙或连续。采用该方法粉碎煤，减少了煤粉碎设备投资，降低了煤粉碎能耗，简化了煤粉碎工艺，大大降低了煤炭粉碎的成本。
Description
技术领域
一种新型煤炭粉碎方法，属于煤炭加工与转化领域。
背景技术
在煤炭加工(包括配煤、选煤、型煤生产，水煤浆、高炉喷吹煤粉、超纯煤的生产等)与煤炭转化(包括煤焦化、煤直接液化、煤气化、煤燃烧，煤制活性炭、煤制炭素材料生产等)均涉及煤的破碎(块→5～6mm)、细粉碎(10μm)、超细粉碎(1μm～10μm)、超微细粉碎(<1μm)。而磨煤机及其制粉系统存在系统复杂、占地面积大、运行电耗高、制粉管道长、部件多、占用空间大、磨损大、耗钢多、噪声大及爆炸事故多等缺点。球磨机是煤炭制粉常用设备，下表是国产球磨机生产能力和技术特征，表中数据显示球磨机装机功率较大，单位生产能力耗能较高。
国产球磨机生产能力和技术特征
| 规格及型号 | 生产能力/(t·h-1) | 电动机功率/kw |
| MQG-Φ1500×3000(湿式) | 2.8～9 | 95 |
| MQG-Φ1500×3000(干式) | 2～6.8 | 95 |
| MQG-Φ1500×1500(湿式) | 1.5～6.08 | 55 |
| MQG-Φ1500×1500(干式) | 1～3.5 | 60 |
| MQG-Φ1500×7000(双式) | 2～5 | 130 |
| MQG-Φ1800×3000(双式) | 5～7 | 245 |
在选煤过程中，为了最大化地将煤中的灰分脱除，降低精煤的灰分，需要将煤粉碎，然后进行洗选和/或浮选，特别是超纯煤的生产，需将煤细粉碎然后进行浮选、油团聚或化学脱灰。
在水煤浆制备过程中，对煤的粒度与粒度分布有严格的要求：高浓度水煤浆要求平均粒径小于0.06mm，且有一定级配细度。中浓度水煤浆要求平均粒径小于0.3mm，精细水煤浆要求平均粒径小于10μm，粒度上限在44μm以上。超净煤精细高热值水煤浆，亦即超低灰精细水煤浆，可作为内燃机，燃气轮机的燃料直接燃烧。制备过程须对煤进行细磨，使其平均粒度能达到<10μm，然后通过采用氢氟酸，苛性钠，油团聚，选择性絮凝，选择性聚团等脱灰方法，把镶嵌于煤炭有机质中的含灰矿物充分解离，即将煤中的灰分脱至小于1％～2％。
在型煤生产过程中，根据成型工艺的不同，须将煤粉碎，一般要求煤粒度小于3mm。特别是挤出成型须将煤细粉碎，一般要求粒度小于0.1mm。
在炼焦过程中，一般要求配煤粒度小于3mm粒径的煤大于80％，捣固炼焦、型焦生产中配煤粒度则要求更小。
在燃煤电厂煤粉粒度一般要求小于74μm，其水份为1.5～1.0Mad，堆积密度700kg/m3。煤粉越细着火燃烧越迅速，锅炉不完全燃烧损失愈小，相应锅炉效率提高。只要有3％～5％的大于300μm的粗粒，就会导致炉内结渣并增加不完全燃烧损失。但对于制粉设备磨煤消耗的电能增加，金属的磨损增大。而且，在制粉系统中，为了顺利粉碎，煤须干燥至水分小于2％，能耗较大。此外，煤粉是由气体来输送的，气粉混合物遇到火花极可能造成煤粉的爆炸。煤粉越细越易自燃或爆炸，煤粉在空气中浓度为1.2～2.0kg/m3时极易爆炸。
在气流床气化中，包括干煤粉气化和水煤浆气化过程，如柯柏斯-托切克粉煤气化工艺和德士古水煤浆加压气化，均要求煤细粉碎，一般干煤粉要求粉碎至小于74μm。水煤浆制备粒度要求如前所述。
在煤的直接液化过程中，为了实现如下4大功能：(1)将煤的大分子结构分解为小分子；(2)提高煤炭的氢/碳原子；(3)脱除煤炭中氧、氮、硫等杂原子；(4)脱除煤炭中无机物。及三大步骤：(1)加氢液化；(2)固液分离；(3)提质加工。必须将煤细粉碎。一般要求煤的粒度小于100μm。
因此，在煤的利用过成中，如何优化粉碎工艺，降低煤的粉碎成本，节能降耗，提高煤炭转化率成为亟待解决的问题。
蒸汽爆碎(steam explosion)是将固体物料，特别是木质纤维素原料用饱和蒸汽或高压气体处理一定时间后瞬间降至常压的过程。1928年，美国的W.H.Mason首先发明了蒸汽爆碎技术，当时该技术使用7～8MPa的饱和水蒸气作为介质进行蒸汽爆碎，只用于纤维板制备的研究。
蒸汽爆碎技术最早始于1926年，当时为间歇法生产，主要是用于生产人造纤维板。从20世纪70年代开始，此项技术也被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品。80年代后，此项技术有很大的发展，使用领域也逐步扩大，出现了连续蒸汽爆碎法生产技术及设备，即加拿大StakeTechnology公司开发的连续蒸汽爆碎法工艺及设备，并产生许多专利。80年代后期，Stake Technology公司，将此项技术应用于制浆造纸领域，它与加拿大魁北克大学共同研究，首先对杨木、后对许多非木材纤维原料进行了大量的蒸汽爆碎试验，取得了很好的效果。在此基础上，开发研制了蒸汽爆碎制浆技术和设备，并在制浆废液用于生产动物饲料技术方面也有深入的研究。
在我国，研究者在20世纪80年代也开始对蒸汽爆碎技术进行研究，并应用于制浆、饲料、发酵剂、木质纤维素原料预处理等领域。华南理工大学的詹怀宇、黄干强等分别对杨木、蔗渣、毛竹采用蒸汽爆碎技术制浆。北京林业大学的赖文衡、潘定如等对3种速生毛白杨、桦木、马尾松、麦草等的蒸汽爆碎处理作了研究，并探讨了影响爆碎功率的主要因素。中国科学院过程工程研究所的陈洪章、李佐虎等则对麦草、大麻、中草药、烟草等的蒸汽爆碎的处理作了研究，分析并探讨了蒸汽爆碎的过程和原理。还对汽爆麦草浆的性能、大麻的脱胶效果、中药有效成分的提取率等进行了研究。陈洪章等还利用蒸汽爆碎技术以秸秆为原料制备低聚木糖，并申请多项相关发明专利(见下表)。南京林业大学的洪枫、单谷等在这方面也作了尝试。浙扛大学陈育如、南京化工大学欧阳平凯等则利用蒸汽爆碎技术处理麦草应用于微生物分解及无胶纤维板的制造。北京理工大学的邵自强采用蒸汽爆碎技术处理纯纤维素用于提高化学反应性能的研究。总观国内外发明专利，出版的文献未见蒸汽爆碎(steam explosion)技术应用于煤炭粉碎。
国内蒸汽爆碎相关专利一览表
| 序号 | 申请号 | 申请人 | 专利名称 |
| 1 | 99105722.8 | 中国科学院化工冶金研究所 陈洪章 | 种生产活性低聚木糖的方法 |
| 2 | 99122346.2 | 中国科学院化工冶金研究所 刘健；陈洪章 | 混合固态发酵汽爆秸秆制备蛋白饲料的方法 |
| 3 | 01127442.5 | 山东大学 张玉忠 | 富含木寡糖的复合微生态饲料添加剂的制备方法 |
| 4 | 00130187.X | 中国科学院化工冶金研究所 李春；陈洪章； | 用于处理重金属离子废水的秸秆吸附材料及制备方法 |
| 5 | 02131223.0 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；贾希堂 | 富含双歧因了的纤维素果蔬渣食品及其制备方法 |
| 6 | 02149190.9 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 固定氮素于秸秆制备植物秸秆饲料/有机肥料的方法 |
| 7 | 200610095385.X | 中国人民解放军第三军医大学第一附属医院 吴力克；胡锦华 | 用于植物药材的超微粉化方法、该方法所得产物及其用途 |
| 8 | ZL01136544.7. | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 变性秸秆材料及其用途 |
| 9 | ZL01123537.1 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章：李佐虎 | 对汽爆大麻进行清洁脱胶的方法 |
| 10 | ZL00132283.4. | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 碱熔循环体系中碱熔氧化汽爆枯秆生产草酸的方法 |
| 11 | ZL01123511.X | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 烟草原料汽爆膨化处理方法 |
| 12 | ZL01130972.5.. | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 周期刺激秸秆和城市垃圾进行固态发酵沼气的方法 |
| 13 | ZL01123915.s. | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 以汽爆植物枯秆为原料固态发酵制备生态肥料的方法 |
| 14 | ZL01123915.8. | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 以汽爆秸秆为原料固态发酵制备生态肥料的方法 |
| 15 | ZL99111449.3 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 利用低压汽爆秸秆类植物制纸浆的无污染方法 |
| 16 | ZL00106032.5 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章：李佐虎 | 乙醇溶解汽爆秸秆本质素制备液体燃料的方法 |
| 17 | ZL01218677.5 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 双路进气快开门汽爆反应罐 |
| 18 | 02131223.o | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 富含双歧因子的果蔬渣制备方法 |
| 19 | 02153296.6 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 海藻细胞壁汽爆破壁方法 |
| 20 | ZL0289267.2 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 纤维素固相醇解液体发酵耦合制备乙醇的装置 |
| 21 | 02149190.9 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪 | 快速固定氮素于秸秆的方法 |
| 章；李佐虎 | |||
| 22 | ZL02100176.6. | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 气相双动态固态发酵技术及其发酵装置 |
| 23 | 021486816 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章；李佐虎 | 汽爆秸秆发酵氢气的方法 |
| 24 | 00123821.3 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章 | 汽爆秸秆固态发酵生产高活性纤维素酶的方法 |
| 25 | ZL9119641.4 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章 | 汽爆秸秆生产腐殖酸的方法 |
| 26 | 200510011217.3 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章 | 利用秸秆预处理和酶解工艺使纤维素完全酶解的方法 |
| 27 | 200510011218.8 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章 | 利用秸秆制备可降解材料的方法 |
| 28 | 200410090699.1 | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章 | 麻黄碱的空气蒸汽耦合汽爆破壁提取方法麻黄 |
| 29 | ZL02146636. | 中国科学院过程工程研究所 陈洪章 | 纤维素固相酶解发酵藕合系统 |
专利特征
根据上述情况，结合我们长期从事煤炭加工与转化的科研与教学工作，发明一种新型的煤粉碎方法，其特征是利用煤中存在孔隙，采用“蒸汽爆碎(steamexplosion)”原理，将煤粉碎，减少了煤粉碎设备投资，煤不必干燥，降低了煤粉碎能耗，简化了煤粉碎工艺，大大降低了煤炭粉碎的成本，提高了煤炭转化率。
煤是由远古植物在沼泽中形成的，植物在沼泽中分解形成胶体状物质，其中存在大量孔隙。煤的孔隙率与煤阶有很大关系。煤的孔隙率和孔大小的分布对应用过程是极重要的。空隙率与煤化程度的关系为：
(1)随煤化程度的加深，总孔容积呈下降趋势，到碳含量大于88％以后，煤的总孔容又有所提高。
(2)碳含量小于75％的褐煤，大孔占优势，碳含量为75％～82％之间的煤，中孔占优势，碳含量为88％～91％的煤，微孔占优势。
年轻煤中的孔隙主要是由胶体孔隙转化而来的，由于成煤作用中受到的压力较小，孔径也就较大；到了中等煤化程度的煤，由于煤化作用，分子结构的变化会使分子趋于紧密，因而孔隙会减小；到了高煤化程度的无烟煤，煤分子缩聚加剧，使煤的体积收缩，由于收缩不均，产生的内应力大于煤的强度时，就会在局部形成裂隙，这些裂隙基本以微孔为主。一般泥炭、褐煤的孔隙率很大，而中等变质程度的煤孔隙率为4％～5％，无烟煤块为2％～4％。煤的孔隙率和孔大小的分布直接影响煤的蒸汽爆碎过程。
专利内容
根据不同煤阶煤孔隙率的大小，将煤进行初步破碎，然后加入蒸汽爆碎容器，进行蒸汽充压，停留一定时间后突然减压，蒸汽和煤料共同作用完成物理的能量释放过程。煤料孔隙内的汽相介质喷出瞬间急速膨胀，同时煤料孔隙内的高温液态水迅速暴沸形成闪蒸，对外做功，使大颗粒煤料爆碎为较小粒度的煤，或使煤的孔得以扩大，空隙率增加，经过多次汽爆或汽爆与机械粉碎相结合，达到煤粉碎的目的，使煤粉生产能耗大大降低。汽爆可分成两个阶段，首先是汽相蒸煮，高压蒸汽渗透到煤的孔隙内。其次是爆碎过程，利用汽相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作用于煤料，瞬间完成的绝热膨胀过程，对外做功。在爆碎过程中，膨胀的气体以冲击波的形式作用于煤料，使之产生剪切变形运动。由于物料变形速度较冲击波速度小得多，使之多次产生剪切，使煤粒得以粉碎。
蒸汽爆碎是利用高温、高压水蒸气处理煤料，在高温高压水蒸气的物理化学作用下，使煤结构强度下降。当突然减压时，孔隙中的气体急剧膨胀，产生爆炸，将煤爆裂成细粉或煤的空隙扩大降低煤的强度。在蒸汽爆碎过程中存在热降解和机械断裂等作用。
(1)热降解作用 蒸汽爆碎过程中，高压热蒸汽进入煤料中，并渗入煤内部的孔隙。由于水蒸气和热的联合作用使煤热降解，低分子物质溶出，煤聚合度下降。
(2)机械断裂作用 在高压蒸汽释放时，已渗入煤内部的热蒸汽分子以气流的方式从较封闭的空隙中高速瞬间释放出来，煤内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动，使煤发生一定程度上的机械断裂。
蒸汽爆碎的处理方式可以分为批式处理(间隙处理)和连续式处理。所谓批式处理是指煤料投入后，在密闭反应器中依次经过高温高压、骤然爆破的处理，在这期间不另进行投料。连续式处理则是指煤料以一定的速度投入汽爆反应器，经过处理之后，以一定的速度排出物料，从而使整个反应器中的物料保持恒定。
蒸汽爆碎技术包括煤预处理、进料、汽相蒸煮、蒸汽爆碎、固气分离和分级等过程。根据固体煤料的空隙率大小，首先对煤进行破碎、筛粉、干燥或水浸等预处理，预处理后的煤通过螺旋输送机输入蒸汽爆碎反应器的料斗，在料斗前面安装一个带秤，以控制进入蒸汽爆碎反应器的物料的量。
对于间隙操作的蒸汽爆碎反应器需要进行预热，在煤料进入反应器后，通入饱和水蒸气(也可同时通入N2、空气等来提高汽爆反应器的蒸煮压力)，继续加热使达到反应所需的温度和压力，然后进行汽相蒸煮，维持一定时间。反应完毕后，迅速打开放料阀门，使反应器内压力降低，煤料则从排料口底部进入高效气固分离器，如旋风分离器，惯性分离器等实现气固分离，然后进行筛分满足煤后续应用要求。较大粒度的煤可进一步气爆粉碎。
对于连续汽爆煤粉碎工艺，高温高压饱和蒸汽挟带煤料并流进入汽爆反应器，在特殊结构的反应器中煤料经过反复加压蒸煮、减压汽爆过程，实现煤的粉碎，粉碎后的汽固混合物经分离器分离，选择性筛分，不符合粒度要求者重新返回汽爆粉碎。
发明实例1
采用内蒙大雁褐煤，其孔隙度经测定为17.42％，比表面积为2.1m2/g(BET法)，经锤式破碎机破碎成为小于3mm粒度的煤，经称重后装入高压汽爆容器，关闭入料阀及出料阀，打开蒸汽阀充压至2MPa，待停留十分钟关闭蒸汽法，同时打开4个出料阀，物料冲入收集罐，经收集罐中挡板和出口旋风分离器将气固分离，取煤粉进行筛分测试，小于0.1mm粒度占50％，煤粉经一次汽爆达到一定粉碎效果。
发明实例2
采用山东黄县褐煤，其孔隙度经测定为12.91％，比表面积为13.0m2/g(BET法)，经锤式破碎机破碎成为小于3mm粒度的煤，经称重后装入高压汽爆容器，关闭入料阀及出料阀，打开蒸汽阀充压至2MPa，待停留十分钟关闭蒸汽阀，同时打开4个出料阀，物料冲入收集罐，经收集罐中挡板和出口旋风分离器将气固分离，取煤粉进行筛分测试，小于0.1mm粒度占70％，煤粉经一次汽爆达到较好粉碎效果。
Claims (4)
1.一种新型煤粉碎方法，其特征是利用煤中存在孔隙，采用“蒸汽爆碎(steamexplosion)”技术将煤粉碎，既将固体煤料用饱和蒸汽或高压气体处理一定时间(汽相蒸煮)后瞬间降至常压(蒸汽爆碎)的过程。
2.权利要求1所述的蒸汽爆碎技术包括煤预处理、进料、汽相蒸煮、蒸汽爆碎、固气分离和分级等过程。
3.权利要求1所述的蒸汽爆碎技术的处理方式包括批式处理(间隙处理)和连续式处理。
4.权利要求1所述的蒸汽爆碎技术根据煤利用要求可以一次或多次汽爆处理煤，也可以汽爆粉碎和机械粉碎相结合处理煤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090506 |