CN103421574A

CN103421574A - 一种化学方法

Info

Publication number: CN103421574A
Application number: CN2012105077208A
Authority: CN
Inventors: 张守玉; 陈川; 施大钟; 王健; 郭熙; 董爱霞; 熊绍武; 郑红俊; 吴巧美; 邓文祥; 刘大海; 唐文蛟; 张敬斋; 奚兴悦
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明提供一种能够改善高钠煤中活性含钠组分在高温环境中对锅炉等设备造成的不良影响的化学方法，包括以下步骤：步骤1，预处理，对高钠煤均匀喷洒一定量的含有二氧化硅的硅溶胶溶液或将高钠煤浸泡在硅溶胶溶液中一段时间，得到预处理完成高钠煤；步骤2，干燥处理，对预处理完成高钠煤进行干燥处理，得到干燥完成高钠煤；步骤3，将干燥完成高钠煤送入高温环境中利用，在该过程中，所述二氧化硅与活性含钠组分发生反应生成熔点高且不易挥发的含钠物质。

Description

一种化学方法

技术领域

本发明涉及一种为了改善高钠煤中含钠组分在高温环境中对锅炉等设备造成不良影响的化学方法。

背景技术

我国是一个煤炭资源丰富的国家，煤炭是我国的主要能源，占能源消费结构比例的70％以上。而且，在石油资源储量日益减少，新能源开发有待完善提高的前提下，煤炭资源的优势日益明显。

高钠煤是指煤中含钠组分含量高的煤种，在中国、澳大利亚、美国、德国等地都有一定的储量。新疆准东是煤炭资源储量非常富集的区域，预测储量达3900亿吨，目前累计探明煤炭资源储量为2136亿吨，煤田成煤面积1.4万平方公里，是我国目前最大的整装煤田。以我国现在煤炭年产量计算，一个准东煤田就能够全国使用一百年。

新疆准东煤储量巨大，开采成本低，煤反应性好，容易燃尽。但是，由于成煤历史和当地特殊的自然地理环境，准东煤中含钠组分的含量(以灰分计，以下同)总体都在2％以上，远高于其他地区动力用煤(中国国内动力煤中氧化钠（Na₂O）的含量都在1％以下)，有的矿区产煤甚至高达10％以上，由于这些煤中含钠组分的含量高，因此通常将这些煤称为高钠煤。

煤中含钠组分是指煤中所有钠的总和，煤中含钠组分包括低熔点、易挥发的含钠组分和高熔点、不易挥发的含钠组分。这里将低熔点、易挥发的含钠组分归为活性含钠组分，其中，活性含钠组分中含有易溶于水的水溶性钠。

在高温下对高钠煤利用的设备主要有锅炉、气化炉等，高钠煤的含钠组分中含有的活性含钠组分是造成煤灰的熔点降低的主要原因，在燃烧或气化等高温环境中，低熔点的煤灰极易（高温环境下）以液态或半液态的渣粒即熔融的灰粘结在受热面上或炉墙上，形成一层紧密的灰渣层，造成锅炉等设备结渣；这些活性含钠组分会在锅炉等设备换热面管壁上凝结，并与烟气中的二氧化硫、三氧化硫等反应生成的硫酸钠等物质形成密实的粘结层，该粘接层一方面与金属管壁反应造成高温腐蚀，另一方面可以捕获烟气中的灰颗粒造成高温粘结性积灰；因此，高钠煤中活性含钠组分会造成飞灰粘性高，容易被密实沾污粘结层捕获，从而在换热面上沉积形成积灰，即为造成换热面沾污、结渣和积灰的主要原因。正是由于锅炉等设备在高温环境中利用高钠煤会造成换热面沾污、结渣和积灰等问题，导致高温环境中利用高钠煤的锅炉等设备在短时间运行后不得不更换换热面，造成严重的经济损失，不仅影响了锅炉等设备的安全经济运行，而且严重限制了对高钠煤的利用。

目前针对上述问题的控制技术主要有锅炉等设备的合理设计与运行、掺烧优质低钠煤和添加剂等。但是，由于对高钠煤燃烧研究不足，燃烧高钠煤锅炉等设备设计并未取得重大突破。在高钠煤燃烧过程中添加高岭土等二氧化硅、氧化铝含量高的添加剂，使添加剂与气相中的钠发生反应，可以减轻沾污，但这种方法用到的添加剂为固体，存在效率低、大大增加灰量等缺点，因此也未得到大规模应用。

高温环境下利用高钠煤易造成沾污、结渣和积灰问题，目前关于高钠煤沾污、结渣和积灰的控制技术仍存在不足。

硅溶胶亦称硅酸溶胶，是纳米级二氧化硅颗粒在水或其他溶液中的分散液，其中二氧化硅的浓度范围为1～90％。硅溶胶是一种不可逆胶体，凝聚成凝胶后，不可能再用加热或加入溶剂的方法使之重新成为溶胶，影响硅溶胶稳定性的因素很多，如电解质、温度、pH值、浓度及粒子大小等。

硅溶胶价格便宜且用途广泛，可用作各种耐火材料粘结剂、催化剂制造及催化剂载体等，其具有胶粒极细、粘度低等优点。

发明内容

针对现有技术的诸多缺陷，本发明提出一种为了改善高钠煤中含钠组分在高温环境中对锅炉等设备造成不良影响的化学方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，预处理，对高钠煤均匀喷洒一定量的含有二氧化硅的硅溶胶溶液或将高钠煤浸泡在一定浓度的含有二氧化硅的硅溶胶溶液中一段时间，得到预处理完成高钠煤；

步骤2，干燥处理，对预处理完成高钠煤进行干燥处理，得到干燥完成高钠煤；

步骤3，将干燥完成高钠煤送入高温环境中利用，在该过程中，所述二氧化硅与所述含钠组分发生反应生成熔点高且不易挥发的含钠物质。

进一步，本发明提供的一种化学方法，还可以具有这样的特征：步骤2中的干燥处理为热风处理。

进一步，本发明提供的一种化学方法，还可以具有这样的特征：步骤1中用到的硅溶胶溶液为不含钠或/及钾元素的硅溶胶溶液。

进一步，本发明提供的一种化学方法，还可以具有这样的特征：其中，硅溶胶的用量按照每摩尔的活性含钠组分使用两到四摩尔的二氧化硅来确定。

发明作用与效果

通过使用本发明提供的一种化学方法，对高钠煤喷洒硅溶胶溶液，或将高钠煤浸泡在硅溶胶溶液中一定时间，由于硅溶胶溶液具有很好的渗透性，其渗透性接近于水。因此，能够通过煤表面渗透到煤颗粒内部，与煤中的含钠组分接触充分，二氧化硅留存于煤颗粒内部孔隙和表面，并在高温环境中与煤中的活性含钠组分第一时间发生化学反应生成硅酸钠等熔点高、不易挥发的含钠物质，大大提高了反应效率，并且该含钠物质会留存于灰渣中被后续除尘设备捕获，不仅大大减少了烟气中的气相钠的含量，提高了高钠煤的灰熔点，而且由于生成的飞灰中硅酸盐成分高进一步降低了飞灰粘性，降低了结渣倾向，减轻了高钠煤燃烧引起的积灰和对设备的腐蚀，因此，改善了高钠煤中含钠组分在燃烧过程中对锅炉等设备造成不良影响。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。应理解的是，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例

一种改善高钠煤燃烧的化学方法：均匀喷洒浓度为1~90%的硅溶胶溶液在高钠煤上或将高钠煤浸泡在1~90%硅溶胶溶液中1~120分钟，保证硅溶胶充分通过煤表面渗透到煤颗粒孔隙内部，其中，在喷洒和浸泡过程中，可以洗除高钠煤中部分水溶性钠，减少锅炉燃烧高钠煤时活性含钠组分的释放；由于直接燃烧含水量高的煤炭会导致出现锅炉运行不稳定等问题，所以经过硅溶胶溶液处理后的高钠煤采用热风干燥减少其水分，使得由硅溶胶溶液带入高钠煤中的多余水分被干燥带走，而溶液中的二氧化硅仍留存于煤颗粒内部孔隙和表面；在燃烧的过程中，添加的硅溶胶溶液中含有的二氧化硅在燃烧过程中先与煤中含钠组分发生一系列的化学反应生成熔点高的硅酸钠等，减少了硫酸钠和氯化钠等沾污介质，反应方程式为：2NaCl+SiO₂+H₂O→Na₂SiO₃+2HCl，Na₂O+SiO₂→Na₂SiO₃等。

其中，所用硅溶胶溶液中不含有钠、钾等碱金属或钠、钾等碱金属含量极低，若硅溶胶溶液中含有钠则会减弱本发明的效果。硅溶胶溶液中的胶体粒子极细（1~1000nm），而且在溶液中分布均匀，因此具有很好的渗透性。煤中的孔隙分为大孔（＞50nm）、中孔（2.0~50nm）和微孔（＜2.0nm），所以硅溶胶中的胶体粒子能很容易渗透进煤的内部孔隙中。

硅溶胶溶液用量应根据硅溶胶溶液中二氧化硅的浓度和高钠煤中的活性含钠组分的含量而定。称取2g高钠煤，加入15mL 1mol/L盐酸，在60℃的恒温水浴中20h，之后过滤。过滤后的高钠煤干燥后在恒温600℃下加热3小时，对得到的煤灰进行HNO₃-HCl-HF消解，之后采用原子分光光度计对滤液以及煤灰的消解液进行钠含量的测定。对滤液进行测定可以得到活性含钠组分的含量，而对煤灰消解液的测定可以得到高钠煤中不可溶于稀盐酸的钠含量（这部分钠多以硅铝酸钠的形式存在），两者相加便可得到高钠煤含钠组分的含量。已知硅溶胶溶液中二氧化硅的含量，再通过生成物Na₂SiO₃的原子配平(1个二氧化硅分子对应2个钠原子)便可以确定硅溶胶溶液的用量，即每摩尔的活性含钠组分使用两摩尔的二氧化硅，但考虑到反应的充分性，所以需要给硅溶胶溶液用量一个余度，所以每摩尔的活性含钠组分使用两到四摩尔的二氧化硅。

将未处理和处理后的高钠煤分别进行煤灰熔融特性测试，结果表明处理后的高钠煤的灰熔点明显提高。

将未处理和处理后的高钠煤分别进行燃烧特性试验，结果表明处理后的高钠煤的气相产物中的钠含量减少，而对灰渣进行成分测试表明灰渣中的钠含量增多。

通过燃烧后的沾污特性测试表明通过本发明处理后的高钠煤在燃烧过程中发生化学反应后，一方面提高了灰熔点、降低了飞灰的粘性，从而降低了高钠煤的结渣和积灰倾向；另一方面减少了引起锅炉换热面沾污的硫酸钠和氯化钠等沾污介质。如此，高钠煤燃烧引起的沾污、结渣和积灰问题得到较好的控制。

实施例作用与效果

综上所述，本实施例提供的化学方法，使用具有很好的渗透性的硅溶胶溶液对高钠煤进行处理，使硅溶胶溶液的二氧化硅与煤中的含钠组分接触充分，并在锅炉燃烧高温环境中与煤中活性含钠组分第一时间发生化学反应生成熔点高、不易挥发的含钠物质，大大提高了反应效率，并且一方面提高了灰熔点、降低了飞灰的粘性，从而降低了高钠煤的结渣和积灰倾向；另一方面也减少了引起锅炉换热面沾污的硫酸钠和氯化钠等沾污介质，从而高效地改善高钠煤燃烧引起的沾污、结渣和积灰问题。

Claims

1.一种化学方法，为了改善高钠煤中活性含钠组分在高温环境中对锅炉等设备造成的不良影响，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，预处理，对所述高钠煤均匀喷洒一定量的含有二氧化硅的硅溶胶溶液或将所述高钠煤浸泡在所述硅溶胶溶液中一段时间，得到预处理完成高钠煤；

步骤2，干燥处理，对所述预处理完成高钠煤进行干燥处理，得到干燥完成高钠煤；

步骤3，将所述干燥完成高钠煤送入高温环境中利用，在该过程中，所述二氧化硅与所述活性含钠组分发生反应生成熔点高且不易挥发的含钠物质。

2.根据权利要求1所述的一种化学方法，其特征在于：

其中，所述干燥处理为热风处理。

3.根据权利要求1所述的一种化学方法，其特征在于：

其中，所述硅溶胶溶液为不含钠或/及钾元素的硅溶胶溶液。

4.根据权利要求1所述的一种化学方法，其特征在于：

其中，所述硅溶胶的用量按照每摩尔的活性含钠组分使用两到四摩尔的二氧化硅确定。