CN110055117A - 一种低阶煤分质利用制备水煤浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的低阶煤分质利用制备水煤浆的方法，包括烘干、气化还原、破碎、研磨步骤。在本发明的方法中，低阶煤分质利用制备得到提质煤、富气、洁净水、煤焦油，本发明的方法制备得到的提质煤，在煤的性质上，和低阶煤相比较，发生了质的改变，使低阶煤从孔隙结构多而大，具有优异的亲水性，高含水量，品质层次不一，一致性低，制备成孔隙结构少而小，具有优异的疏水性，低含水量，品质单一，一致性高的提质煤，从而制备成高成浆率(制备水煤浆成浆率可高达70％)，并且由不同低阶煤制备的水煤浆品质差异较小，一致性较高。本发明的方法能提供清洁水，也能使用其他煤加工工艺提供工艺水，具有优异的体系协作能力。
Description
技术领域
本发明属于煤化工技术领域，涉及一种水煤浆制备方法，尤其涉及一种低阶煤分质利用制备水煤浆的方法。
背景技术
在我国已探明的煤炭储量中一半以上为低阶煤，其中蕴藏的挥发分相当于1000亿吨的油气资源。低阶煤主要具有高水分、高挥发性的物质特性，在燃烧时火焰较长且有烟，煤化程度较低，典型煤种为褐煤和长焰煤。我国富煤少油缺气，如何高效利用低阶煤成为当今清洁煤技术的重大课题。然而无论是燃烧发电，还是现代煤化工利用，都因为其高水、高灰和低热值的三大特性使其综合利用的效率极低。
煤炭分质转化利用也称“煤炭分质清洁高效转化利用”，是在较低的温度下实现煤炭资源的分质与利用，并对各个分级产物进行梯级利用吃干榨尽，因此，这种转化方式和转化路线具有较好的节能减排优势；根据低阶煤的物质构成及其物理化学性质，首先采用中低温热解技术对煤炭进行分质，将煤热解成气、液、固三相物质，然后再根据各类热解产物的物理化学性质有区别的进行利用，是一种高效清洁的低阶煤转化方式。
低阶煤中的水分一般分为自由水和结合水，而干燥通常只能除去低阶煤中大部分的自由水，很难去除低阶煤中的结合水，通常干燥过程烘干去掉的大部分自由水容易被冷凝回收利用。但是通常低阶煤的高效转化利用方式为干燥后进行热解，热解后的高温气体中依然含有大量的水蒸气，这部分水的含量也不容小觑。然而，考虑到低阶煤中水含量较高，而且在富产低阶煤的地区水资源往往非常珍贵；若能同时有效回收利用低阶煤中的水资源，为其他煤加工工艺提供清洁水，对解决现有煤加工工业缺水问题具有重要的意义。
近几年，能源的需求量不断上升，迫使人们不断寻求新能源。很多学者直接将他们的注意力集中到燃烧和气化水煤浆的领域。典型的水煤浆包含60-75％的煤，25-40％的水和1％的化学添加剂。水煤浆中的原料煤，经过多道工序的处理，含硫量与含灰量都有所降低。但是，水煤浆的性质受一些变量的影响，尤其是煤的性质，不同原煤制得的水煤浆品质差异大，低阶煤可分为长焰煤、弱黏煤、不黏煤、褐煤，而且即使煤种一致，但是由于含水量，颗粒细度，含硫量等不一致，导致低阶煤间的品质差异较大。
所以，本领域技术人员需要一种应用各种品质不一的低阶煤制得品质较为一致的提质煤的方法，以更好的控制制备得到的水煤浆的质量；本领域技术人员需要还为其他煤加工工艺资源提供水资源，也能消耗他煤加工工艺的工艺水的水煤浆加工工艺，需要一种和其他煤加工工艺能协作的水煤浆加工工艺。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种低阶煤分质利用制备水煤浆的方法，所述方法通过低阶煤分质利用制备得到提质煤、富气、洁净水、煤焦油，利用制备的提质煤的品质均一性优异、具有良好的疏水性、低含水量的特点，一方面提升并控制制作水煤浆的质量，从而有效提高水煤浆的成浆率；并且所述方法和其他煤加工工艺有很好的协作能力，有利于煤的分质利用效率。
本发明的目的是这样实现的：
一种低阶煤分质利用制备水煤浆的方法，所述方法包括烘干、气化还原、破碎和研磨，包括下述步骤：
1)烘干步骤：将所述低阶煤经烘干工艺处理得到烘干后低阶煤和烘干工艺废气，所述烘干工艺废气经过除尘工艺得到低阶煤粉，然后经过冷凝工艺得到清洁水；
2)气化还原步骤：将所述烘干后低阶煤通过气化还原工艺处理得到提质煤，所述气化还原工艺是在无氧或微氧条件下对烘干后低阶煤进行加热的化学反应工艺；
3)破碎步骤：将所述提质煤颗粒破碎成粉末状，得到提质煤粉；
4)研磨步骤：将水煤浆配方组分加入磨煤机中进行研磨，待所述提质煤粉研磨至所要求的粒度分布后，得到所述水煤浆；所述水煤浆配方组分包括提质煤粉、水煤浆助剂和水。
本发明中，低阶煤通过分质利用工艺得到的主产品包括清洁水、煤焦油、提质煤和富气，副产物为在分质利用工艺过程中得到的提质煤粉、低阶煤粉、废水。优选采用粉状的低阶煤作为原料，便于提高烘干的效率，烘干一般只能除去低阶煤中大部分的自由水，而一般不能除掉低阶煤中的结合水，因此，低阶煤通过烘干工艺处理后得到烘干后的低阶煤和废气，所得烘干后的低阶煤依然含有一定量的水分，这部分剩余的水分可在后续的气化还原工艺中气化变成水蒸气。在烘干的过程中同时会有一部分小粒度的低阶煤以扬尘的形式进入废气中，这部分扬尘即主要为煤粉，原料低阶煤的粒度越小，废气中的煤粉越多，废气直接排放不仅污染了环境，也浪费了煤资源，因此通过第一除尘工艺捕获回收烘干工艺后的废气中的第一煤粉具有重要的经济价值。一般通过第一除尘工艺可回收废气中95％以上的煤粉。
烘干后的低阶煤进入气化还原工艺发生反应得到高温的富气。其中，气化还原工艺是在无氧或微氧条件下对烘干后的低阶煤进行加热的化学反应工艺。烘干后的低阶煤进入气化还原工艺，在烟气等加热介质的加热下，反应过程中无需加入添加剂等其他物质，温度一般为350℃-800℃，压力≤30Kpa下发生复杂化学反应的过程，得到固态的碳和高温的富气，其中，固态的碳即为提质煤，提质煤中的挥发分8-15wt％。高温的富气为包含CO、H2、CO2、烃类、煤焦油、萘、卤化物、灰尘和含硫化合物等的多杂质气体。
气化还原工艺采用的无氧或微氧环境中氧的来源主要分以下几种情况：(1)、原料低阶煤内部的空隙，物料与物料之间的空隙夹带的空气；(2)从气化还原工艺的进料口、出料口等泄露混入的少量空气；(3)、在爆炸极限值以下，气化还原工艺内可以稍微通入占煤炭质量百分比5％的O2或者(空气)，进一步优选通入占煤炭质量百分比3％的O2或者(空气)，有利于提高气化还原反应的温度、防止结焦等，而且同时保证了整个气化还原工艺反应的安全稳定性；优选烘干后的低阶煤在无氧环境进行气化还原反应，避免了烘干后的低阶煤在进入气化还原工艺反应过程中与氧气发生燃烧反应，生成大量不能燃烧的CO2，从而保证得到的高温的富气中CO2等的体积百分较小，有利于后续制备高能量密度的转化气，而且工艺步骤少，简单易操作，以使得反应能够安全进行。
气化还原工艺得到的富气进入第一净化工艺以便除掉大量的灰尘、煤焦油、萘和水蒸气等杂质得到净化后的富气。
优选的，所述低阶煤粉的粒度小于1mm。水煤浆制备首先要将煤物质进行破碎并细磨，由于本发明所采用的原料为烘干工艺过程中产生的废气中的低阶煤粉，经第一除尘工艺可回收废气中95％以上的低阶煤粉，低阶煤粉粒度一般小于3mm，优选低阶粒度小于1mm的煤粉作为后续制作水煤浆的原料，将低阶煤粉，与废水，添加剂混合，无须研磨处理，即可得到水煤浆，节省工艺步骤，而且大大降低了磨煤机的成本，提高了磨煤机的使用寿命。再进一步，所述低阶粉煤粒径≤50μm的煤粉。
根据GB/T18856.1的规定的水煤浆质量标准，水煤浆中煤粉颗粒粒径＞1000μm质量百分数＞0.01％才算合格；一般的，水煤浆中，煤粉颗粒粒径要求为180-500μm占比15％～18％、106-180μm占比约30％、75-106μm占比2％～5％、≤75μm占比约50％。
优选的，所述气化还原工艺的反应温度为350-800℃。在此温度下，烘干后的低阶煤中的挥发分从低阶煤中逸出，从而得到高温的富气，气化还原反应后剩余的固体残渣即为带温的提质煤，提质煤中的挥发分含量为8-15wt％。其中，气化还原工艺可以为一级，也可以为多级。当采用一级气化还原工艺时，主要是为了得到大部分高温的富气，温度的高低直接影响后续产气量、提质煤的产量和一级提质煤的温度；当采用多级气化还原工艺时，多级气化还原工艺主要作用是把上一级气化还原工艺内的无法气化的固体物质(包括气化后的粉煤，固体杂质等)，一定量的无法在一定停留时间内气化的类似沥青等高沸点油状物继续气化和停留时间短来不及析出或者温度达不到酚类化合物、芳香烃化合物等的缩聚反应条件，继续反应气化，有利于提高气体产量。
优选地，将所述水煤浆泵入煤浆滚筒筛进行筛分，将合格的水煤浆进入煤浆槽储存；将稳定剂投入所述水煤浆料中，并搅拌均匀。
优选地，在研磨步骤中，在所述磨煤机中加入低阶煤粉，所述低阶煤粉的粒度小于6mm。
优选地，研磨步骤中后，在所述水煤浆加入低阶煤粉，所述低阶煤粉的粒度小于0.50mm。
进一步，其特征在于，所述低阶煤粉与所述提质煤粉的重量比为1：(1-5)。
优选地，在所述烘干步骤前，所述低阶煤经过预破碎步骤，或者经过预筛分步骤，得到所述低阶煤的粒度小于20mm。
进一步，在破碎步骤中，制得的所述提质煤粉的粒度小于6mm。
优选地，所述气化还原工艺为多级气化还原工艺。
优选地，在所述气化还原工艺的加热介质中，氧气含量不高于所述烘干后低阶煤的5wt％。
优选地，所述水为煤加工工艺产生的废水。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的低阶煤分质利用制备水煤浆的方法，包括烘干、气化还原、破碎、研磨、筛分和添加稳定剂步骤，在本发明的方法中，低阶煤分质利用制备得到提质煤、富气、洁净水、煤焦油，本发明的方法制备得到的提质煤，在煤的性质上，和低阶煤相比较，发生了质的改变，使低阶煤从孔隙结构多而大，具有优异的亲水性，高含水量，品质层次不一，一致性低，制备成孔隙结构少而小，具有优异的疏水性，低含水量，品质单一，一致性高的提质煤，从而制备成高成浆率(制备水煤浆成浆率可高达70％)，并且由不同低阶煤制备的水煤浆品质差异较小，一致性较高。
2、本发明提供的低阶煤分质利用制备水煤浆的方法，一方面通过烘干步骤，能为其他煤加工工艺提供清洁水，另一方面在研磨步骤中，可以使用其他煤加工工艺提供工艺水，具有优异的体系协作能力。
附图说明
图1是本发明的一种低阶煤分质利用制备水煤浆的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，一种低阶煤分质利用制备水煤浆的方法，所述方法包括烘干、气化还原、破碎和研磨，包括下述步骤：
1)烘干步骤：将所述低阶煤经烘干工艺处理得到烘干后低阶煤和烘干工艺废气，所述烘干工艺废气经过除尘工艺得到低阶煤粉，然后经过冷凝工艺得到清洁水；
2)气化还原步骤：将所述烘干后低阶煤通过气化还原工艺处理得到提质煤，所述气化还原工艺是在无氧或微氧条件下对烘干后低阶煤进行加热的化学反应工艺；
3)破碎步骤：将所述提质煤颗粒破碎成粉末状，得到提质煤粉；
4)研磨步骤：将水煤浆配方组分加入磨煤机中进行研磨，待所述提质煤粉研磨至所要求的粒度分布后，得到所述水煤浆；所述水煤浆配方组分包括提质煤粉、水煤浆助剂和水。
本发明制备的水煤浆可和水煤浆气化工艺联用，由于没有对水煤浆中的煤粉进行筛分，没有对水煤浆体系添加稳定剂，制得的水煤浆稳定性欠佳。
优选地，将所述水煤浆泵入煤浆滚筒筛进行筛分，将合格的水煤浆进入煤浆槽储存；将稳定剂投入所述水煤浆料中，并搅拌均匀。
本发明中采用低阶煤为原料，优选采用粉状的低阶煤作为原料，便于提高烘干的效率；当采用的低阶煤中有大块的煤块，优选地，在所述烘干步骤前，所述低阶煤经过预破碎步骤，或者经过预筛分步骤，得到所述低阶煤的粒度小于20mm。
所述烘干步骤一般能除去低阶煤中大部分的自由水，即低阶煤的内水，而一般不能除掉低阶煤中的结合水，即低阶煤的外水；因此，低阶煤通过烘干工艺处理后得到烘干后低阶煤和废气，所得烘干后低阶煤依然含有一定量的水分，这部分剩余的水分可在后续的气化还原工艺中气化变成水蒸气。
在所述烘干步骤的过程中同时会有一部分小粒度的低阶煤以扬尘的形式进入废气中，这部分扬尘即为低阶煤粉，原料低阶煤的粒度越小，废气中的低阶煤粉越多，废气直接排放不仅污染了环境，也浪费了煤资源，因此通过第一除尘工艺捕获回收烘干工艺后的废气中的低阶煤粉具有重要的经济价值。一般通过第一除尘工艺可回收废气中95％以上的低阶煤粉；所述废气进一步通过冷凝工艺，得到烘干工艺废水，所述烘干工艺废水含有杂质较少，是一种较为清洁的水，可以再煤加工工艺中作为循环冷却水使用，也可以用在其他煤加工工艺中，替代新鲜水。
表1 低阶煤成分分析
由表1，我们可以看到，低阶煤中，含水量平均为22.7％。低阶煤的含水量较高的特点，使得用低阶煤制备得到的水煤浆，煤粉含量低，成浆率低，从而燃烧值也低。
所述烘干后低阶煤进入气化还原工艺发生反应得到高温的油气混合物；气化还原工艺采用的无氧或微氧环境中氧气的来源主要分以下几种情况：(1)、原料低阶煤内部的空隙，物料与物料之间的空隙夹带的空气；(2)从气化还原工艺的进料口、出料口等泄露混入的少量空气；(3)、在爆炸极限值以下，气化还原工艺内可以稍微通入占煤炭质量百分比5％的O2或者(空气)，进一步优选通入占煤炭质量百分比3％的O2或者(空气)，有利于提高气化还原反应的温度、防止结焦等，而且同时保证了整个气化还原工艺反应的安全稳定性；优选烘干后低阶煤在无氧环境进行气化还原反应，避免了烘干后低阶煤在进入气化还原工艺反应过程中与氧气发生燃烧反应，生成大量不能燃烧的CO2，从而保证得到的高温的油气混合物中CO2等的体积百分较小，有利于后续制备高能量密度的合成气，而且工艺步骤少，简单易操作，以使得反应能够安全进行。烘干后低阶煤中剩余的水分以水蒸气的形式进入高温的油气混合物，油气混合物中含有CO、H2、CO2、烃类、煤粉、水蒸气、煤焦油和含硫化合物等；油气混合物再通过第二除尘工艺除掉煤粉，此部分除掉的煤粉是一种提质煤粉，可返回气化还原工艺中继续反应，也可以加入到磨煤机中，研磨成粗煤浆；除尘后剩余的气体再通过油气冷却工艺处理使大量的水蒸气和煤焦油等冷却从而得到液态的油水混合物，油水混合物再经过油水分离处理，即可得到油水分离废水。油水分离废水废水中有机物含量高，成分复杂，导致废水处理成本高，油水分离废水废水的再利用解决了废水达标排放困难的问题。
气化还原步骤后，破碎步骤前，所述提质煤的粒度由低阶煤的粒度决定；但是进入研磨步骤的提质煤粉的粒度要小，粒度需要低于50mm，优选为低于20mm，再优粒度小于6mm。在本发明的方法的烘干步骤能得到一定量的低阶煤粉，在气化还原步骤中能得到一定量的提质煤粉，但是往往不能满足作为煤加工工艺的组成部分水煤浆制备工艺的需煤量，需要将气化还原步骤制备得到的提质煤破碎，得到相应的提质煤粉。
表2 提质煤成分分析
由表2，我们可以看到，提质煤中，含水量为1％。提质煤煤的含水量极低的特点，使得用提质煤煤制备得到的水煤浆，煤粉含量低高，成浆率高，从而燃烧值也更好。
本发明的申请人发现，本发明的方法制备得到的提质煤，在煤的性质上，和低阶煤相比较，发生了质的改变，使低阶煤从孔隙结构多而大，具有优异的亲水性，高含水量，品质层次不一，一致性低，制备成提质煤后，具有孔隙结构少而小，具有优异的疏水性，低含水量，品质单一，一致性高，从而制备成高成浆率，并且由不同低阶煤制备的水煤浆品质差异较小，一致性较高。
然后在研磨步骤中，将所述提质煤粉，与水煤浆助剂、工艺水加入磨煤机中进行研磨，待所述提质煤粉研磨至所要求的粒度分布后，得到粗浆料；水煤浆助剂为润湿分散剂，目的在于，研磨步骤中，物料有足够的可流动性，从而提高研磨效率；工艺水可以为新鲜水，所述新鲜水可以为去离子水、自来水等常规工业用水，也可以为煤加工工艺产生的废水。
优选的，在研磨步骤后，在所述粗浆料中，所述提质煤粉的粒度小于0.5mm；优选地，所述提质煤粉的粒度小于100μm；更优的，所述提质煤粉的粒度小于15μm；所述粗浆料中，所述提质煤粉细度越高，有利于水煤浆体系的稳定性。
本发明选用的水煤浆助剂为润湿分散剂，可以为萘磺酸盐、聚羧酸盐、木质素磺酸盐、非离子表面活性剂及其衍生物中的一种或数种组成。
本发明选用的稳定剂为黄原胶、纤维素钠、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚丙烯酸钠中的一种或数种。
优选地，由于本发明在研磨步骤中，所采用的原料还可以有烘干工艺过程中产生的废气中的低阶煤粉，经第一除尘工艺可回收废气中95％以上的低阶煤粉，粒度一般小于3mm，优选粒度小于0.5mm的低阶煤粉作为添加稳定剂步骤中的原料，加入的所述低阶煤粉与所述提质煤粉的重量比为1：(1-5)；优选地，加入的所述低阶煤粉与所述提质煤粉的重量比为1：(1.5-4)；更优选地，加入的所述低阶煤粉与所述提质煤粉的重量比为1：(2-3)；加入低阶煤粉一方面无须研磨处理，即可得到相应的水煤浆，节省工艺步骤，而且大大降低了磨煤机的成本，提高了磨煤机的使用寿命；另一方面使得在研磨步骤中，相应的提质煤粉有更多的水，有利于提质煤粉的研磨效率，也使得制得的水煤浆有更高的成浆率。
表3 本发明制备得到的水煤浆的参数
| 本发明具体实施例 | |
| 粘度(20℃，100s<sup>-1</sup>，mpa·s) | 1020 |
| pH值 | 6.2 |
| 发热量(低位)(Kcal/Kg) | 3935 |
| 成浆率 | 65 |
| 灰份(收到基，％) | 3.65 |
| 挥发份(收到基，％) | 28.1 |
| 粒径分布＜150μm(％) | 90.65 |
| 粒径分布＜300μm(％) | 99.12 |
| 粒径分布＜500μm(％) | 100 |
| 粒径分布＜710μm(％) | 100 |
| 硫含量(收到基，％) | 0.16 |
| 煤灰熔融性软化温度/℃ | 1286 |
| 浓度/％ | 70 |
| 杂质 | 不含大量木纤维、絮状物等 |
基于以上技术方案，本发明中的方法，低阶煤分质利用制备得到提质煤、富气、洁净水、煤焦油，能有效地回收低阶煤中的水分，同时也能利用整个工艺过程中产生的低阶煤粉、提质煤粉，甚至是本发明的方法产生的工艺水。本发明中的方法，节约资源，回收率高，解决传统煤粉单一利用，利用率低，运输易扬尘，煤粉的再利用解决了环境污染问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种低阶煤分质利用制备水煤浆的方法，其特征在于，所述方法包括烘干、气化还原、破碎和研磨，包括下述步骤：
1)烘干步骤：将所述低阶煤经烘干工艺处理得到烘干后低阶煤和烘干工艺废气，所述烘干工艺废气经过除尘工艺得到低阶煤粉，然后经过冷凝工艺得到清洁水；
2)气化还原步骤：将所述烘干后低阶煤通过气化还原工艺处理得到提质煤，所述气化还原工艺是在无氧或微氧条件下对烘干后低阶煤进行加热的化学反应工艺；
3)破碎步骤：将所述提质煤颗粒破碎成粉末状，得到提质煤粉；
4)研磨步骤：将水煤浆配方组分加入磨煤机中进行研磨，待所述提质煤粉研磨至所要求的粒度分布后，得到所述水煤浆；所述水煤浆配方组分包括提质煤粉、水煤浆助剂和水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述水煤浆泵入煤浆滚筒筛进行筛分，将合格的水煤浆进入煤浆槽储存；将稳定剂投入所述水煤浆料中，并搅拌均匀。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在研磨步骤中，在所述磨煤机中加入低阶煤粉，所述低阶煤粉的粒度小于6mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，研磨步骤中后，在所述水煤浆加入低阶煤粉，所述低阶煤粉的粒度小于0.50mm。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述低阶煤粉与所述提质煤粉的重量比为1：(1-5)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述烘干步骤前，所述低阶煤经过预破碎步骤，或者经过预筛分步骤，得到所述低阶煤的粒度小于20mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在破碎步骤中，制得的所述提质煤粉的粒度小于6mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气化还原工艺为多级气化还原工艺。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述气化还原工艺的加热介质中，氧气含量不高于所述烘干后低阶煤的5wt％。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水为煤加工工艺产生的废水。
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