CN107384460A - 一种民用洁净焦炭及其制备方法 - Google Patents

一种民用洁净焦炭及其制备方法 Download PDF

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杜文广
刘守军
张智聪
杨颂
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Abstract

一种民用洁净焦炭包括主要质量指标如下：发热量≥5700kcal/kg、灰分≤23%、挥发分≤5%、灰熔点≥1280℃、抗碎强度≥75%、固硫率≥95%、着火温度≤420℃、反应性≥40%、比表面=15～35m2/g。本发明具有易点火、火焰长、升温速度快、燃烧持续时间长、脱硫效果好的优点。

Description

一种民用洁净焦炭及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种民用洁净焦炭及其制备方法。
背景技术
煤炭燃烧是我国目前乃至今后相当长时期获取能源的主要方式，大量煤炭直接燃烧排放的粉尘、二氧化硫、氮氧化物等对生态环境，尤其是大气环境造成了严重的危害，导致我国大气环境污染严重，雾霾天气频发。基于燃煤污染现状，国家先后出台了一系列的法律与法规，并采取了强有力的惩罚措施。尽管这些条例的实施对燃煤污染程度的加剧起到一定的遏制作用，但距离要达到的环保目标仍差之甚远。
事实上，农村家用燃煤对环境污染不容忽视。据初步测算，北方农村每燃烧1吨高挥发原煤，将会排放2.5吨以上的二氧化碳(碳排放系数0.67)、150千克以上的其它染污物(碳氧化率0.85)。2014年民用散烧用煤量为1.6亿吨，仅占全国用煤量的3.8％，以二氧化硫排放为例，我国电厂年排放量为200万吨，民用散烧则高达320万吨，是电厂排放总量的1.6倍。此外，民用散烧用煤的烟尘污染、氮氧化物污染、灰渣污染等一系列问题对生态环境的破坏更是不可估量。然而，受地域、经济、文化等因素的影响，解决起来十分困难。要想从根本上解决农村及小城镇的燃煤污染问题，为这些地区提供优质、低价、清洁的替代燃料是当务之急。
为了解决散烧用煤的污染问题，我国于20世纪70～80年代开发出了型煤，但发展较为缓慢。型煤是以粉煤为主要原料，按具体用途所要求的配比、机械强度和形状大小经机械加工压制成型的，具有一定强度和尺寸及形状各异的煤成品。型煤需要添加一定比例的粘结剂和燃煤助燃剂，影响其推广的缺点主要有：
1、热值较低，型煤需要添加大量黏土作为粘结剂，热值在4000～5000kcal/kg之间。
2、着火点高，不易引燃，且火焰短、上火慢；停炉时易断火，烧不净，灰渣中含碳量高。
3、固硫效果差，添加固硫剂的型煤，固硫率一般只有45％左右。
关于燃煤助燃剂的专利已有很多，如CN90105106.3公开了一种燃煤助燃剂，它含有硼泥、石灰石、铝矾土、白泥、锰渣、氧化铁、植物碎屑以及碳酸钠、硝酸钠、氯化钠三种钠盐中的至少一种，该助燃剂可明显改善燃烧状况，提高炉火温度；CN97105154.2公开一种适用于多种煤的燃煤助燃剂，由硼泥、电石灰、石灰石、铁选尾矿渣、二氧化锰、生产重铬酸钾的废渣、生产重铬酸钠的废渣、铝矾土、氢氧化钠、碳酸钠、硝酸钠、氧化钠和植物碎屑按一定比例组成，使用时将助燃剂与煤按一定比例混合均匀即可；CN201310417513.8公开了一种节能高效燃煤助燃剂及其制备方法，其配方由氧化锌和二氧化锰组成，可提高煤的燃烧活性和点火性能、火焰温度。这些助燃剂均是针对燃煤开发的产品，大都采用助氧燃烧的技术原理，直接加入燃煤，促使煤炭充分燃烧，起到助燃、增能、节煤的作用。由于民用洁净焦炭需要经过高温干馏的特殊工艺，燃煤助燃剂中的大部分组份会因高温分解而失效，不再具有助燃能力；因此，无法使用现有燃煤助燃剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种易点火、火焰长、升温速度快、燃烧持续时间长、脱硫效果好的民用洁净焦炭及其制备方法。
本发明首次将锯末用于增加民用洁净焦炭比表面积、降低其着火温度，与现有文献报道的助燃剂存在显著区别，主要表现在：1)降低着火温度的机理不同。传统燃煤助燃剂自身为易燃物，因其着火温度低，靠自燃引燃煤炭，因此，加入助燃剂后绝对禁止高温处理，否则将失去助燃效果；本发明助燃源于锯末是一种造孔剂，添加至民用洁净焦炭原料中，在高温干馏时形成不同数量和尺寸的微孔，增加并改善民用洁净焦炭的微孔结构，降低民用洁净焦炭的着火温度。2)加入阶段不同。传统燃煤助燃剂多在型煤制备前加入，然后经混合、粘结、冷压成型；或与散煤混合后直接入炉燃烧。本发明的助剂在干馏配煤时加入，经混合、捣固、高温干馏成为民用洁净焦炭。
锯末，又称锯木面，是指在木材加工时因为切割而从树木上散落下来的树木本身的沫状木屑。据统计，从原木到生产出木材产品，大约会产生占投入原料22％～24％的锯末等木质废弃物，我国林业加工过程中产生的锯末等木质废弃物每年约2400万m3，折合标准煤150万吨。
锯末松软呈粉末状，粒径0.4～0.8mm，主要由纤维素、半纤维素及木质素组成，一般纤维素占40～50wt％，还有15～30wt％的半纤维素和20～30wt％的木质素，其它成分为树脂、蛋白质、水分及矿物质等，约占2～15wt％。
本发明首次将锯末用于增加民用洁净焦炭比表面积、降低其着火温度。
为了实现上述目的，本发明的民用洁净焦炭是以高挥发动力煤(如长焰煤、不粘煤、弱粘煤、贫煤等)为主，辅以少量焦煤或肥煤形成的配合煤，锯末添加剂和固硫复合助剂，经高温干馏而成，其主要质量指标如下：发热量(Qnet,ar)≥5700kcal/kg、灰分(Ad)≤23％、挥发分(Vd)≤5％、灰熔点(ST)≥1280℃、抗碎强度(M25)≥75％、固硫率(RS)≥95％(燃烧温度1050℃)、着火温度(T)≤420℃、反应性(CRI)≥40％、比表面(S)＝15～35m2/g。
其中锯末添加剂:固硫复合剂:配合煤重量比为1.0～10.0:4.0～10.0:100。
以高挥发动力煤(如长焰煤、不粘煤、弱粘煤、贫煤等)为主，辅以少量焦煤或肥煤进行配比形成技术指标为FCd≥50％，Vdaf≥25％，Ad≤11.5％，Std＜1.0％的配合煤。
本发明一种民用洁净焦炭的制备方法，包括如下步骤：
按锯末添加剂:固硫复合剂:配合煤重量比为1.0～10:4.0～10:100，将锯末添加剂和固硫复合剂加入配合煤中，在干馏炉中隔绝空气加热至900～1100℃，持续加热16～24h，然后将红热炉料出炉后经熄焦工序降至常温，再经筛分，即得到民用洁净焦炭。
配合煤的质量指标为：FCd≥50％，Vdaf≥25％，Ad≤11.5％，Std＜1.0％。
所述锯末添加剂的制备方法，包括如下步骤：
⑴将锯末在100～150℃条件下烘干1～2小时；
⑵再经干式研磨，使原料粒度≤100目(0.15mm)；
⑶然后冷却至常温，即为锯末添加剂。
所述固硫复合剂包括钙基钡锰铝复合添加剂，其重量份组成为石灰石60～80份、钡渣20～30份、锰矿石10～20份、氧化铝5～10份。具体的制备方法见专利CN201610102965.0；或钙基钾镁硅复合添加剂，其重量份组成为石灰石60～80份、钾长石10～20份、二氧化硅10～20份、碳酸镁5～10份。具体的制备方法见专利CN201610102964.6。
所述的筛分是降至常温的炉料筛分为25-80mm粒度。
本发明与现有技术相比，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果如下：
在本发明方法中，所采用的锯末添加剂及固硫复合剂，原料来源广泛而丰富，价格低廉，直接添加至配合煤中，通过高温干馏制得的民用洁净焦炭，其着火温度为360～420℃，大大低于冶金焦，效果显著；与直接燃烧煤炭相比，硫氧化物减排90％以上，烟尘减排96％以上，对解决城市周边农村生活用煤，改善农村与城市环境质量，降低雾霾天气具有重大的现实意义。
本发明民用洁净焦炭是以高挥发动力煤(如长焰煤、不粘煤、弱粘煤、贫煤等)为主，辅以少量焦煤、肥煤以及锯末添加剂和固硫复合助剂，利用传统冶金焦炉经高温干馏而成。具有成块好、强度适中、低挥发、低污染物排放及不易结渣等优点，无需脱硫脱硝烟气处理设施，尾气即可满足国家排放标准；而且易点火、续火能力强、火焰长、升温速度快、燃烧持续时间长，是各种民用生活炉具理想的燃料。
由于原料煤性质与配比不同，加工工艺不同，导致民用洁净焦炭物化参数与冶金焦、型煤存在较大差异，形成独特的产品。主要表现在以下几方面：
1.空隙结构发达、比表面积远大于冶金焦(S＝7.3m2/g)，满足民用洁净燃料低着火温度、高燃烧速率的基本要求，着火温度低于冶金焦和型煤；型煤空隙结构最不发达。
2.反应性远大于冶金焦(CRI≤35％)，满足起火快、续燃能力强、火焰长的基本要求；型煤反应性最差。
3.由于加入专门的高温、高效复合固硫剂，民用洁净焦炭高温固硫效果最好，加入固硫剂的型煤效果次之，冶金焦固硫效果最差。
4.民用洁净焦炭发热值及挥发分适中，挥发分高于冶金焦，但低于型煤；发热值低于冶金焦，但高于型煤，符合民用洁净燃料的基本要求。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步地说明。
实施例1
⑴将锯末(主要组成：纤维素40.5wt％，半纤维素29.2wt％，木质素
28wt％，其它2.3wt％)在100℃条件下烘干2小时；
⑵再经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；
⑶然后冷却至常温，即为锯末添加剂。
⑷将干燥后的石灰石、钡渣、锰矿石和氧化铝添加剂原料分别经粗破、细破至粒度≤3mm；
⑸依次分别称取破碎好的石灰石80kg、钡渣20kg、锰矿石10kg、氧化铝5kg，并将其混在一起，搅拌均匀；
⑹搅拌均匀的混合料经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；然后在260℃条件下煅烧2小时，冷却至常温，即为钙基钡锰铝复合添加剂(具体组成：CaCO366.3wt％，BaCO35.2wt％，BaSO45.5wt％，BaSO30.6wt％，MnO26.9wt％，MnO0.9wt％，Al2O37.1wt％，SiO25.4wt％，Fe2O31.4wt％，MgO0.6wt％)。
⑺入炉煤料由25wt％的长焰煤、10wt％的贫煤、30wt％的1/3焦煤、20wt％的肥煤和15wt％的主焦煤配合而成配合煤；其配合煤的质量指标为：Vdaf30.0％，Ad11.5％，FCd62.6％，St,d0.67％；粘结指数G＝71，细度(≤3mm)＝73.6％；
⑻按锯末添加剂:固硫复合剂:配合煤重量比为10:4:100，将制好的锯末添加剂、钙基钡锰铝复合添加剂添加到配合煤中，在干馏炉中隔绝空气加热至1100℃，持续加热16h，然后将红热炉料出炉后经熄焦工序降至常温，再经筛分，得到粒度为25-80mm的民用洁净焦炭。在北京创字炉具有限公司生产的NS18-2型150m2民用反射炉中对所得民用焦进行燃烧，测试其污染排放物，与直接燃煤相比，硫氧化物减排90.4％，烟尘减排96％。
其主要质量指标如下：
实施例2
⑴将锯末(主要组成：纤维素43.2wt％，半纤维素26.7wt％，木质素26wt％，其它4.1wt％)在112.5℃条件下烘干1.8小时；
⑵再经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；
⑶然后冷却至常温，即为锯末添加剂。
⑷将干燥后的石灰石、钾长石、二氧化硅和碳酸镁添加剂原料分别经粗破、细破至粒度≤3mm；
⑸依次分别称取破碎好的石灰石75kg、钾长石12.5kg、二氧化硅12.5kg、碳酸镁6.3kg，并将其混在一起，搅拌均匀；
⑹搅拌均匀的混合料经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；然后在270℃条件下煅烧1.8小时，冷却至常温后包装，即为钙基钾镁硅复合添加剂(具体组成：CaCO367.2wt％，MgCO35.9wt％，K2O1.8wt％，Na2O0.1wt％，Al2O33.0wt％，SiO220.9wt％，Fe2O30.5wt％，MgO0.6wt％)。
⑺入炉煤由25wt％的弱粘煤、45wt％的长焰煤、20wt％的气肥煤和10wt％的不粘煤配合而成配合煤；其质量指标(wt％)：Vdaf35.0％，Ad11.5％，FCd58.2％，St,d0.84％，粘结指数G＝44，细度(≤3mm)＝86.5％；
⑻按锯末添加剂:固硫复合剂:配合煤重量比为7.8:5.5:100，将制好的锯末添加剂、钙基钾镁硅复合添加剂添加到配合煤中，在干馏炉中隔绝空气加热至1050℃，持续加热18h，然后将红热炉料出炉后经熄焦工序降至常温，再经筛分，得到粒度为25-80mm的民用洁净焦炭。在北京创字炉具有限公司生产的NS18-2型150m2民用反射炉中对所得民用焦进行燃烧试验，测试其污染排放物，与直接燃煤相比，硫氧化物减排91.3％，烟尘减排96.5％。
其主要质量指标如下：
实施例3
⑴将锯末(主要组成：纤维素45.4wt％，半纤维素23.3wt％，木质素24wt％，其它7.3wt％)在125℃条件下烘干1.5小时；
⑵再经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；
⑶然后冷却至常温，即为锯末添加剂。
⑷将干燥后的石灰石、钡渣、锰矿石和氧化铝等添加剂原料分别经粗破、细破至粒度≤3mm；
⑸依次分别称取破碎好的石灰石70kg、钡渣25kg、锰矿石15kg、氧化铝7.5kg，并将其混在一起，搅拌均匀；
⑹搅拌均匀的混合料经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；然后在280℃条件下煅烧1.5小时，冷却至常温后包装，即为钙基钡锰铝复合添加剂(具体组成：CaCO356.8wt％，BaCO36.4wt％，BaSO46.7wt％，BaSO30.8wt％，MnO210.2wt％，MnO1.3wt％，Al2O39.4wt％，SiO26.3wt％，Fe2O31.6wt％，MgO0.5wt％)。
⑺入炉煤料由25wt％的长焰煤、10wt％的贫煤、30wt％的1/3焦煤、20wt％的肥煤和15wt％的主焦煤配合而成配合煤；其配合煤的质量指标为：Vdaf30.0％，Ad11.5％，FCd62.6％，St,d0.67％；粘结指数G＝71，细度(≤3mm)＝73.6％；
⑻按锯末添加剂:固硫复合剂:配合煤重量比为5.5:7:100，将制好的锯末添加剂、钙基钡锰铝复合添加剂添加到配合煤中，在干馏炉中隔绝空气加热至1000℃，持续加热20h，然后将红热炉料出炉后经熄焦工序降至常温，再经筛分，得到粒度为25-80mm的民用洁净焦炭。在北京创字炉具有限公司生产的NS18-2型150m2民用反射炉中对所得民用焦进行燃烧试验，测试其污染排放物，与直接燃煤相比，硫氧化物减排92.7％，烟尘减排97％。
其主要质量指标如下：
符号 单位 本发明的技术指标 实测值
Qnet,ar kcal/kg ≥5700 6024
Ad ％ ≤23 19.5
Vd ％ ≤5 3.8
ST ℃ ≥1280 1320
M25 ％ ≥75 80.1
RS(燃烧温度1050℃) ％ ≥95 97.7
T ℃ ≤420 385
CRI ％ ≥40 49.8
S m2/g 15-35 25.2
实施例4
⑴将锯末(主要组成：纤维素47.6wt％，半纤维素19.1wt％，木质素
22wt％，其它11.3wt％)在137.5℃条件下烘干1.3小时；
⑵再经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；
⑶然后冷却至常温，即为锯末添加剂。
⑷将干燥后的石灰石、钾长石、二氧化硅和碳酸镁添加剂原料分别经粗破、细破至粒度≤3mm；
⑸依次分别称取破碎好的石灰石65kg、钾长石17.5kg、二氧化硅17.5kg、碳酸镁8.7kg，并将其混在一起，搅拌均匀；
⑹搅拌均匀的混合料经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；然后在290℃条件下煅烧1.3小时，冷却至常温后包装，即为钙基钾镁硅复合添加剂(具体组成：CaCO357.0wt％，MgCO38.0wt％，K2O2.5wt％，Na2O0.1wt％，Al2O33.5wt％，SiO227.9wt％，Fe2O30.4wt％，MgO0.5wt％)。
⑺入炉煤由25wt％的弱粘煤、45wt％的长焰煤、20wt％的肥煤和10wt％的不粘煤配合而成配合煤；其质量指标(wt％)：Vdaf35.0％，Ad11.5％，FCd58.2％，St,d0.84％，粘结指数G＝44，细度(≤3mm)＝86.5％；
⑻按锯末添加剂:固硫复合剂:配合煤重量比为3.2:8.5:100，将制好的锯末添加剂、钙基钾镁硅复合添加剂添加到配合煤中，在干馏炉中隔绝空气加热至950℃，持续加热22h，然后将红热炉料出炉后经熄焦工序降至常温，再经筛分，得到粒度为25-80mm的民用洁净焦炭。在北京创字炉具有限公司生产的NS18-2型150m2民用反射炉中对所得民用焦进行燃烧试验，测试其污染排放物，与直接燃煤相比，硫氧化物减排93.2％，烟尘减排97.5％。
其主要质量指标如下：
符号 单位 本发明的技术指标 实测值
Qnet,ar kcal/kg ≥5700 5984
Ad ％ ≤23 20.3
Vd ％ ≤5 3.5
ST ℃ ≥1280 1307
M25 ％ ≥75 82.6
RS(燃烧温度1050℃) ％ ≥95 98.2
T ℃ ≤420 401.5
CRI ％ ≥40 46.1
S m2/g 15-35 20.3
实施例5
⑴将锯末(主要组成：纤维素49.8wt％，半纤维素15.4wt％，木质素20wt％，其它14.8wt％)在150℃条件下烘干1小时；
⑵再经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；
⑶然后冷却至常温，即为锯末添加剂。
⑷将干燥后的石灰石、钡渣、锰矿石和氧化铝等添加剂原料分别经粗破、细破至粒度≤3mm；
⑸依次分别称取破碎好的石灰石60kg、钡渣30kg、锰矿石20kg、氧化铝10kg，并将其混在一起，搅拌均匀；
⑹搅拌均匀的混合料经干式研磨，使原料粒度≤150目(0.1mm)；然后在300℃条件下煅烧1小时，冷却至常温后包装，即为钙基钡锰铝复合添加剂(具体组成：CaCO347.7wt％，BaCO37.5wt％，BaSO47.9wt％，BaSO30.9wt％，MnO213.3wt％，MnO1.8wt％，Al2O311.7wt％，SiO27.2wt％，Fe2O31.7wt％，MgO0.4wt％)。
⑺入炉煤料由25wt％的长焰煤、10wt％的不粘煤、30wt％的1/3焦煤、20wt％的肥煤和15wt％的主焦煤配合而成配合煤；其配合煤的质量指标为：Vdaf30.0％，Ad11.5％，FCd62.6％，St,d0.67％；粘结指数G＝71，细度(≤3mm)＝73.6％；
⑻按锯末添加剂:固硫复合剂:配合煤重量比为1:10:100，将制好的锯末添加剂、钙基钡锰铝复合添加剂添加到配合煤中，在干馏炉中隔绝空气加热至900℃，持续加热24h，然后将红热炉料出炉后经熄焦工序降至常温，再经筛分，得到粒度为25-80mm的民用洁净焦炭。在北京创字炉具有限公司生产的NS18-2型150m2民用反射炉中对所得民用焦进行燃烧试验，测试其污染排放物，与直接燃煤相比，硫氧化物减排93.4％，烟尘减排98％。
其主要质量指标如下：
符号 单位 本发明的技术指标 实测值
Qnet,ar kcal/kg ≥5700 5832
Ad ％ ≤23 22.5
Vd ％ ≤5 3.2
ST ℃ ≥1280 1294
M25 ％ ≥75 84.5
RS(燃烧温度1050℃) ％ ≥95 98.4
T ℃ ≤420 418
CRI ％ ≥40 43.2
S m2/g 15-35 15.4

Claims (8)

1.一种民用洁净焦炭，其特征在于包括主要质量指标如下：
发热量≥5700kcal/kg、灰分≤23%、挥发分≤5%、灰熔点≥1280℃、抗碎强度≥75%、固硫率≥95%、着火温度≤420℃、反应性≥40%、比表面=15～35m2/g。
2.如权利要求1所述的一种民用洁净焦炭的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
按锯末添加剂:固硫复合剂:配合煤重量比为1.0～10:4.0～10:100，将锯末添加剂和固硫复合剂加入配合煤中，在干馏炉中隔绝空气加热至900～1100℃，持续加热16～24h，然后将红热炉料出炉后经熄焦工序降至常温，再经筛分，即得到民用洁净焦炭。
3.如权利要求2所述的一种民用洁净焦炭的制备方法，其特征在于所述的配合煤的质量指标为：FCd≥50%，Vdaf≥25%，Ad≤11.5%，Std＜1.0%。
4.如权利要求2所述的一种民用洁净焦炭的制备方法，其特征在于所述锯末添加剂由如下步骤制备：
⑴将锯末在100～150℃条件下烘干1～2小时；
⑵再经干式研磨，使原料粒度≤100目；
⑶然后冷却至常温，即为锯末添加剂。
5.如权利要求2所述的一种民用洁净焦炭的制备方法，其特征在于所述固硫复合剂为钙基钡锰铝复合添加剂或钙基钾镁硅复合添加剂。
6.如权利要求5所述的一种民用洁净焦炭的制备方法，其特征在于所述钙基钡锰铝复合添加剂的重量份组成为石灰石60～80份、钡渣20～30份、锰矿石10～20份、氧化铝5～10份。
7.如权利要求5所述的一种民用洁净焦炭的制备方法，其特征在于所述钙基钾镁硅复合添加剂的重量份组成为石灰石60～80份、钾长石10～20份、二氧化硅10～20份、碳酸镁5～10份。
8.如权利要求2所述的一种民用洁净焦炭的制备方法，其特征在于所述的筛分是降至常温的炉料筛分为25-80mm粒度。
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