CN104449917B - 褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法，解决了现有低阶煤成浆浓度低的问题。所述方法包括褐煤的深度干燥、低温反应、提质煤冷却和磨煤制浆过程，将深度干燥结合低温热解反应为褐煤提质。本发明工艺简单，生产成本低，制备的水煤浆浓度高、各项性能优异，拓展了低阶煤特别是褐煤的利用途径，适用于制备气化用水煤浆。

Description

褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法
技术领域
本发明涉及一种煤化工提质工艺，具体的说是一种褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法。
背景技术
在我国，以褐煤和低变质烟煤为代表的低阶煤储量占煤炭资源总量的55％以上。其中，褐煤约占13％，主要分布于内蒙古东部和云南，少量分布于黑龙江、辽宁、山东、吉林和广西等地区；低变质烟煤主要分布在主要分布于陕西、内蒙古西部和新疆等地区。
随着高变质煤种越用越少，低阶煤的高效清洁利用日显重要。现阶段低阶煤的高效转化利用方式为干燥后进行热解。截止2013年，低阶煤提质技术已超过二十种，其中十三种热解技术处于建设、试运行阶段，低阶煤热解提质固体产品的大规模高效利用是人们面临的一大课题。
低阶煤反应活性高，用作气化原料气化效率高。然而，煤阶越低、内在水分越高、氧碳比越高，煤的成浆性越差，难以制成高浓度水煤浆。对于水煤浆气化而言，水煤浆浓度和质量越高，合成系统产能增加，比氧耗和比煤耗越低，水煤浆浓度提高后带来的经济效益是十分可观的。
长期以来，低阶煤(特别是褐煤)制备高浓度水煤浆技术没有取得突破性进展，褐煤直接磨细后制备水煤浆的浓度在45％-50％，无法作为锅炉燃料和煤气化炉原料。开发低阶煤制备高浓度水煤浆技术，可以拓宽我国煤炭资源的利用途径。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、节能降耗、成浆浓度高、适用于低阶煤的褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法。
技术方案包括以下步骤：
1)深度干燥：将粒度小于或等于10mm褐煤加入提质炉，在常压和惰性气体环境下对褐煤干燥至含水量小于4％，脱出褐煤中的水分和吸附的气体；
2)低温反应：将深度干燥后的褐煤在常压和惰性气体环境下进行低温反应得到提质煤，所述反应温度控制在400℃-550℃，停留时间控制在20-30min；
3)提质煤冷却：将提质煤在隔绝空气环境下快速冷却至60℃以下；
4)磨煤制浆：将冷却后的提质煤磨细至小于1mm后加水制备水煤浆。
所述步骤(1)中，所述深度干燥的温度控制在150℃-300℃，停留时间控制在30-40min。
所述步骤(1)和(2)中的升温速率为100-150℃/s。
所述步骤(4)中，将小于1mm的提质煤然后加水搅拌后制备水煤浆，搅拌转速为为1000r/min，搅拌时间控制在15-20min。
所述步骤(4)中，将冷却后的提质煤磨细至小于1mm后加水制备水煤浆时，同时加入了以木质素为主要原料的水煤浆添加剂。
所述水煤浆添加剂的用量为提质煤质量的0.3％。
发明人对现有褐煤制备水煤浆的过程进行了深入研究，煤质对水煤浆浓度和流动性有重大影响。低阶煤(特别是褐煤)直接制备水煤浆存在很大的局限性，通过先深度干燥再低温热解的两步提质法可以改善煤的物理性质和化学性质。深度干燥在实现脱水、脱气物理变化的同时发生轻微的化学反应，达到脱羧作用，深度干燥还能够显著降低褐煤水分和含氧官能团含量，增强煤表面的疏水性并提高吸附在煤表面添加剂的浓度。在深度干燥的基础上，低温热解可以进一步降低褐煤中含氧官能团含量，脱除过多的挥发分，改善煤的孔隙特性，达到提高煤阶的作用，也提高了褐煤的可磨性能，从而提高制浆浓度，而若不经干燥而直接低温热解，褐煤中含有的大量水分在热解过程中与褐煤发生化学反应，改变半焦的孔隙特性并降低其品质，成浆效果变差。本发明中限定低温热解温度为400℃-550℃，更为优选为480℃-550℃，过高会降低副产品经济性能，过低褐煤不能进行热解反应，低温热解的停留时间控制在20-30min，过长导致能耗增加，过短导致反应不完全。
进一步的，升温速率对深度干燥和低温热解过程影响显著。快速热解时，初次热分解产物与热的煤粒接触时间短，可以降低半焦进行二次反应的几率，但升温速率也不可过快，过快的升温速率对设备及材质的要求苛刻，因此，严格限定升温速率为100-150℃/s。
粒径是除煤质和添加剂之外对水煤浆浓度和流动性有重大影响的又一因素。褐煤经过人工提质后，物理性质呈现很大变化，提质煤的粒度在小于1mm范围内可以形成良好的粒度级配，能够有效提高成浆浓度。
由于褐煤经过深度干燥和低温热解，成浆性能有效改善，因此只需添加极少量的木质素就可以进一步提高水煤浆的浓度。
有益效果：
本发明工艺简单，生产成本低，制备的水煤浆浓度高、各项性能优异，拓展了低阶煤特别是褐煤的利用途径，适用于制备气化用水煤浆。
具体实施方式
实施例1，褐煤预先破碎至10mm以下，在表压为0-0.1MPa和惰性气体环境中干燥温度控制在150℃，升温速率在100-150℃/s，停留时间控制在40min，干燥后的煤进行低温热解，反应温度控制在550℃，升温速率在100-150℃/s，停留时间控制在20min。冷却后的提质煤使用球磨机进行磨煤制样，钢球的直径配比为20mm、12mm和5mm，质量配比为20％:50％:30％，球磨机转速设定在170r/min，磨煤时间3min。煤样使用1mm筛子进行筛分，小于1mm煤样加入水混合均匀，再使用转速1000r/min的搅拌器搅拌18min，最后制备成实施例水煤浆样品。结果见表3。
实施例2，褐煤预先破碎至10mm以下，在表压为0-0.1MPa和惰性气体环境中干燥温度控制在280℃，升温速率在100-150℃/s，停留时间控制在35min，干燥后的煤进行低温热解，反应温度控制在400℃，升温速率在100-150℃/s，停留时间控制在25min。冷却后的提质煤使用球磨机进行磨煤制样，钢球的直径配比为20mm、12mm和5mm，质量配比为20％:50％:30％，球磨机转速设定在170r/min，磨煤时间3min。煤样使用1mm筛子进行筛分，小于1mm煤样加入水和添加剂(木质素，用量为提质煤的0.3％，wt)并混合均匀，再使用转速1000r/min的搅拌器搅拌15min，最后制备成实施例水煤浆样品。结果见表3。
实施例3，褐煤预先破碎至10mm以下，在表压为0-0.1MPa和惰性气体环境中干燥温度控制在300℃，升温速率在100-150℃/s，停留时间控制在30min，干燥后的煤进行低温热解，反应温度控制在520℃，升温速率在100-150℃/s，停留时间控制在30min。冷却后的提质煤使用球磨机进行磨煤制样，钢球的直径配比为20mm、12mm和5mm，质量配比为20％:50％:30％，球磨机转速设定在170r/min，磨煤时间3min。煤样使用1mm筛子进行筛分，小于1mm煤样加入水和添加剂(ZM-19高效水煤浆添加剂，常州中南化工有限公司生产，以木质素为主要原料，用量为提质煤的0.3％，wt)并混合均匀，再使用转速1000r/min的搅拌器搅拌20min，最后制备成实施例水煤浆样品。结果见表3。
比较例：
比较例1，褐煤预先破碎至10mm以下，然后将煤样均匀地平铺在托盘中，放入105℃的恒温鼓风干燥箱内进行干燥，干燥时间8h，以脱出煤中水分。干燥后的煤样使用球磨机进行磨煤制样，球磨机转速设定在170r/min，磨煤时间3min。称取煤样，然后加入水并混合均匀，再使用高速电动搅拌器搅拌20min，最后制备成比较例水煤浆样品。结果见表3。
比较例2，褐煤预先破碎至10mm以下，在表压为0-0.1MPa和惰性气体环境中干燥温度控制在280℃，升温速率在100-150℃/s，停留时间控制在30min。冷却后的提质煤使用球磨机进行磨煤制样，钢球的直径配比为20mm、12mm和5mm，质量配比为20％:50％:30％，球磨机转速设定在170r/min，磨煤时间3min。煤样使用1mm筛子进行筛分，小于1mm煤样加入水和添加剂(ZM-19高效水煤浆添加剂，常州中南化工有限公司生产，以木质素为主要原料，用量为提质煤的0.3％，wt)并混合均匀，再使用转速1000r/min的搅拌器搅拌20min，最后制备成实施例水煤浆样品。结果见表3。
比较例3，褐煤预先破碎至10mm以下，在表压为0-0.1MPa和惰性气体环境中进行低温热解，反应温度控制在520℃，升温速率在100-150℃/s，停留时间控制在30min。冷却后的提质煤使用球磨机进行磨煤制样，钢球的直径配比为20mm、12mm和5mm，质量配比为20％:50％:30％，球磨机转速设定在170r/min，磨煤时间3min。煤样使用1mm筛子进行筛分，小于1mm煤样加入水和添加剂(ZM-19高效水煤浆添加剂，常州中南化工有限公司生产，以木质素为主要原料，用量为提质煤的0.3％，wt)并混合均匀，再使用转速1000r/min的搅拌器搅拌20min，最后制备成实施例水煤浆样品。结果见表3。
本发明实施例和比较例所述褐煤选用内蒙古褐煤，煤质指标见表1和表2。
表1内蒙古褐煤元素分析和工业分析(wt,％)
煤样 元素分析 工业分析
Cd Hd Oa d Nd St,d Mad Aad Vad
褐煤 65.55 3.04 20.73 1.65 0.48 25.73 8.55 28.95
表2内蒙古褐煤HGI和灰熔融温度
表3比较例和实施例水煤浆样品的成浆性能
备注：
1.流动性分析采用目测法，分为优、良、中、差四个等级。优：平滑流动，不间断，良：流动不流畅，有间断，中：不能自主往下流，需借助外力，差：结团现象严重。
2.稳定性分析采用棒插观察法，将水煤浆试样静置12h以上进行分析，分为优、良、中、差四个等级。优：无析水，无沉淀，良：轻微析水，少许沉淀，中：沉淀严重，差：结块。
褐煤经过先深度干燥再低温热解的两步提质法制得的提质煤成浆较褐煤直接成浆其性能得到大幅提升。热解温度为520℃提质煤最佳成浆浓度在67％(wt)且呈现较好的流动性和稳定性。分析表3中的浓度、黏度、流动性和稳定性等指标，本发明实施例得到的提质煤的成浆浓度相较于比较例褐煤的成浆浓度均有显著提高且稳定性好。

Claims (4)

1.一种褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)深度干燥：将粒度小于或等于10mm褐煤加入提质炉，所述深度干燥的温度控制在150℃-300℃，升温速率为100-150℃/s，停留时间控制在30-40min，在常压和惰性气体环境下对褐煤干燥至含水量小于4％，脱出褐煤中的水分和吸附的气体；
2)低温反应：将深度干燥后的褐煤在常压和惰性气体环境下进行低温反应得到提质煤，所述反应温度控制在480℃-550℃，升温速率为100-150℃/s，停留时间控制在20-30min；
3)提质煤冷却：将提质煤在隔绝空气环境下快速冷却至60℃以下；
4)磨煤制浆：将冷却后的提质煤磨细至小于1mm后加水制备水煤浆。
2.如权利要求1所述的褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将小于1mm的提质煤然后加水搅拌后制备水煤浆，搅拌转速为1000r/min，搅拌时间控制在15-20min。
3.如权利要求1或2所述的褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将冷却后的提质煤磨细至小于1mm后加水制备水煤浆时，同时加入了以木质素为主要原料的水煤浆添加剂。
4.如权利要求3所述的褐煤低温提质制备高浓度水煤浆方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述水煤浆添加剂的用量为提质煤质量的0.3％。
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