半焦酸堿法脫灰工藝研究

楊巧文 郭 玲 郭宋江 袁金沙 王 鑫

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京市海淀區,100083)

★煤炭科技·加工轉化★

半焦酸堿法脫灰工藝研究

楊巧文 郭 玲 郭宋江 袁金沙 王 鑫

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京市海淀區,100083)

針對半焦灰分含量較高和吸附能力差等問題,對其進行脫灰處理以提高其性能。本文以新疆某地半焦為研究對象,利用酸堿法進行脫灰試驗,考查了鹽酸濃度和NaOH濃度對脫灰效果的影響。試驗結果表明,單獨用NaOH溶液處理,其質量分數為15%時脫灰效果最好,灰分降至15.75%;單獨用鹽酸處理,其質量分數為5%時脫灰效果最好,灰分可降到13.11%。用不同濃度的NaOH溶液處理后的半焦再用鹽酸處理,灰分可進一步降低到9.17%。酸處理正交試驗結果表明,鹽酸質量分數為5%且70℃恒溫加熱40 min為最佳脫灰條件,灰分可降至14.03%。

半焦 酸堿法 脫灰 正交試驗

半焦又稱蘭炭,是由低階煤低溫(700℃以下)干餾所得的可燃固體產物,主要成分是碳、灰分和揮發分,其灰分含量取決于原料煤質。相比于焦炭,半焦未熱解完全,具有一定的孔隙結構,但是未經改性的半焦其吸附能力遠不及普通活性炭,而且半焦中含量較高的灰分限制了其應用領域。

對半焦進行脫灰處理可以提高其性能和吸附能力。按照脫灰方法可分為物理化學凈化法和化學凈化法。化學凈化法應用比較廣泛,工藝較成熟,大致分為氧化法、酸處理法、酸堿處理法和溶劑萃取法4種。

本文采用酸堿脫灰法對新疆某地半焦進行脫灰試驗,降低灰分,提高其利用價值,拓寬其應用領域;同時考察了鹽酸和氫氧化鈉在不同濃度下的脫灰效果,確定最優脫灰條件,從而降低脫灰成本。

1 試驗過程

1.1 樣品制備

本試驗選用新疆某地半焦,其工業分析指標如下：水分為7．27%,灰分為20．74%,揮發分為23．63%,固定碳含量為48．36%。選用的酸試劑為鹽酸(HCl),堿試劑為氫氧化鈉(NaOH)。鹽酸的配制方法為：用36%的濃鹽酸加蒸餾水分別稀釋至2.5%、5%、7.5%和10%;NaOH的配制方法為：稱取一定量的NaOH固體加蒸餾水分別配置濃度為5%、10%、15%和20%。配制好的溶液裝瓶貼標簽待用。利用FW80型高速萬能粉碎機將原料半焦磨至200目以下備用。

1.2 脫灰試驗

用T-114型號電子天平稱量4組磨好的半焦粉末,每組20 g(記為m1)置于燒杯中并標號,加入需要的試劑(酸或堿),用玻璃棒攪拌均勻,成水漿狀。將盛有半焦的燒杯放入80℃水浴鍋中恒溫水浴,每隔5 min攪拌1次。30 min后拿出冷卻至室溫。準備4組漏斗,將處理過放涼后的半焦漿液用定性濾紙進行過濾。用溫水沖洗,直到濾液p H約為7時,停止過濾。將過濾完成的半焦放入101-2B型電熱鼓風干燥箱中干燥,完全烘干后進行稱重(注：濾紙上的粉末需刮凈),記為m2,然后放入袋內密封防潮,并貼簽標記。稱空瓷舟質量記為m3,再用勺子向瓷舟加入處理過的半焦1 g,總質量(m3＋1)g,記為m4,同一個樣本稱2組平行樣,以保證試驗結果的準確。都稱好后放入DRZ-4-11型馬弗爐中燒灰,設定終溫為820℃,由室溫開始加熱,加熱到設定溫度后恒溫1 h。加熱時間結束后,燒灰完成,打開爐門降溫,約2 h后溫度降至200～300℃之間即可拿出,待溫度降至室溫,將瓷舟放入電子天平上稱重,質量記為m5。計算灰分見式(1)：

式中：α——灰分,%;

m3——空瓷舟質量,g;

m4——空瓷舟加半焦粉末質量,g;

m5——瓷舟加灰渣質量,g。

從而可以得出脫灰率見式(2)：

式中：η——脫灰率,%;

A0——原半焦樣的灰分,%;

A1——處理后的半焦灰分,%;

m1——未經處理的半焦質量,g(20 g);

m2——酸或堿處理后的半焦質量,g。

2 試驗結果及分析

2.1 NaOH溶液處理結果分析

用濃度為5%、10%、15%和20%的NaOH溶液單獨處理半焦的結果如圖1所示。

圖1 灰分及脫灰率隨堿濃度變化曲線

由圖1可知,在單獨用NaOH溶液處理半焦樣品時,其灰分隨堿濃度增大而降低,當濃度達到15%后,降低趨勢減弱。而脫灰率則與堿濃度呈正相關,隨著濃度的增加,脫灰率亦增加,但總的脫灰率并不是很高,最高為23.63%,此時NaOH濃度為20%。由于增加濃度會增加脫灰的成本,而且灰分脫除效果不明顯,所以堿濃度為15%時脫灰效果最佳。

2.2 HCl溶液處理結果分析

用濃度為2.5%、5%、7.5%和10%的HCl溶液單獨處理半焦的結果如圖2所示。

圖2 灰分及脫灰率隨酸濃度變化曲線

由圖2可以看出,單獨用鹽酸處理半焦樣品時,隨著酸濃度的升高,半焦灰分越低。脫灰率曲線變化和酸濃度變化呈正相關,酸濃度提高有利于更好的脫灰。當酸濃度為5%以后,灰分曲線趨于平緩。所以當酸濃度為5%時,脫灰效果最佳。

2.3 鹽酸和NaOH溶液脫灰效果比較

通過比較同濃度下酸堿處理過的半焦樣本的灰分可以看出脫灰效果的優劣,酸堿脫灰效果對比見表1。

表1 酸堿脫灰效果對比%

由表2可以看出,相同濃度下,鹽酸的脫灰效果優于氫氧化鈉。因為鹽酸能和半焦灰分中的Fe、K、Na、Al、Mg等氧化物反應生成可溶性鹽, NaOH溶液只能和半焦灰分中的部分硅鋁化合物發生反應。

表2 正交因素–水平

2.4 酸、堿同時處理半焦時的脫灰分析

先用堿濃度5%、10%、15%和20%的溶液處理半焦,再用5%鹽酸溶液處理半焦,得到的半焦灰分曲線如圖3所示。

圖3 酸堿混合作用下半焦灰分曲線圖

由圖3可以看出,半焦灰分隨堿濃度升高而降低,且降低程度高于單獨用堿處理時,灰分最低達到了9.17%,脫灰效果明顯。脫灰率與堿濃度呈正相關,堿濃度越高脫灰率越高,即脫灰能力越好。因為原半焦樣品經堿作用,先使灰分中的硅鋁化合物反應掉生成水溶性和酸溶性的硅鋁酸鹽,再用酸處理時,金屬化合物被溶解,而且酸溶性的硅鋁化合物進一步反應生成水溶性鹽,隨濾液一同與半焦中的有機質分離,從而使半焦中灰分得到最大程度的脫除;且當酸濃度為5%、堿濃度為15%時,脫灰率達到52.55%,效果最好。

2.5 正交試驗

為確定最佳脫灰條件設計正交試驗。確定酸濃度、加熱溫度以及加熱時間為3因素,每個因素設置2水平,見表2。共設計8組正交試驗,正交試驗方案以及極差分析結果分別見表3和表4。

表3 正交試驗方案

由表2、表3和表4可知,考慮單因素影響時,影響脫灰效果大小順序依次是酸濃度＞加熱時間＞加熱溫度,即酸濃度對脫灰影響效果最為明顯,改變(增大)所用鹽酸的濃度對脫灰的收益最大。

考慮兩因素之間的交互作用時,對脫灰率影響的主次順序為酸濃度＞酸濃度與加熱溫度交互作用＞酸濃度與加熱時間交互作用＞加熱時間＞加熱溫度與加熱時間交互作用＞加熱溫度。在正交試驗中,脫灰效果最好的為第6組試驗,其條件為酸濃度為5%,加熱溫度為70℃,加熱時間為40 min,灰分可降低到14.03%,脫灰率可達到30%以上。

表4 正交試驗極差分析結果

3 結論

(1)單獨用氫氧化鈉溶液處理半焦時,隨著堿濃度的提高,半焦灰分不斷降低,但降低趨勢逐漸減弱,當堿濃度為20%時,脫灰效果最好,灰分為15.47%。與15%濃度的堿溶液對比,此時灰分下降不太明顯,且增加濃度,不但灰分脫除效果不明顯,反而增加了脫灰的成本,所以堿濃度在15%時為最佳,灰分可降至15.75%。

(2)單獨用鹽酸溶液處理時,隨著酸濃度的升高,灰分呈逐漸降低趨勢。當酸濃度為5%時,灰分可降至13.11%,由此可見,酸處理脫灰效果明顯優于堿處理,且低濃度酸即可使灰分得到大幅度脫除。

(3)先用不同堿濃度溶液處理半焦,再用5%鹽酸溶液處理半焦,半焦的灰分進一步得到降低,由單獨用堿處理時的15.47%降低到9.17%,降幅很大。而且只用了5%濃度的鹽酸,不但效果非常明顯,而且節省了脫灰成本。

(4)采用2水平3因素正交試驗進行酸處理降灰試驗,經過試驗研究發現,在3個因素中,影響級別由高到低是酸濃度＞酸濃度與加熱溫度交互作用＞酸濃度與加熱時間交互作用＞加熱時間＞加熱溫度與加熱時間交互作用＞加熱溫度。脫灰效果最好的一組的試驗條件為酸濃度為5%,加熱時間為40 min,加熱溫度為70℃,得到精煤灰分為14.03%。此試驗條件為最佳,且試驗條件相對溫和,脫灰成本較為低廉,比較有實用價值。

[1] 邢康,唐慶杰.半焦煤催化氣化反應性的試驗和研究[J].中國煤炭,2013(10)

[2] 張雙全,吳國光.煤化學[M].徐州：中國礦業大學出版社,2009

[3] 張軍,解強,李蘭亭.煤質活性炭脫灰工藝的研究[J].煤化工,2007(2)

[4] 王坤,趙輝,劉釧等.廢棄焦粉及半焦的脫灰活化研究[J].選煤技術,2012(6)

[5] 耿東森,張榮光,張健.酸堿脫灰法制備超低灰煤[J].河北煤炭,2000(2)

[6] 王子兵,李從昭,趙斌等.塊狀褐煤低溫熱解制備半焦的實驗研究[J].中國煤炭,2013(12)

[7] 史慧杰.堿熔融法對褐煤半焦脫灰的研究[J].廣州化工,2014(14)

(責任編輯 陶 賽)

龍煤集團所屬醫院實現股權轉讓

日前,龍煤集團與晉商聯盟醫院股權轉讓簽約儀式在哈爾濱舉行,由此開啟雙方在醫療領域股權合作的序幕。協議的簽署標志著龍煤集團在積極推進企業深化改革工作中又一次邁出了實質性步伐。據了解,龍煤集團有二級甲等以上醫院6家,此次在省產權交易中心掛牌轉讓控股權,晉商聯盟成功摘牌受讓。

黑龍江省委常委、副省長、省國資委黨委書記李海濤出席簽約儀式并會見了晉商聯盟董事長李建國一行。李海濤指出,龍煤集團所屬醫院能與晉商聯盟這樣一個有實力的公司進行戰略合作,意義重大。李建國表示,通過此次龍煤集團所屬醫院股權成功轉讓,看到了黑龍江省深化國有企業改革的堅定信心和決心,并承諾,在黑龍江省委、省政府的領導下,一定會把礦區醫療集團做成民營資本進入黑龍江醫療產業,參與醫療改革的樣板。

Study on the acid-base deashing technology of semi-coke

Yang Qiaowen,Guo Ling,Guo Songjiang,Yuan Jinsha,Wang Xin
(School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

Focusing on high ash content and poor adsorption ability of semi-coke,this paper selected semi-coke from Xinjiang as experiment object and used acid-base deashing method to investigate the deashing effect of hydrochloric acid concentration and NaOH concentration.The result indicated that when semi-coke was dealt with NaOH solution alone and the mass fraction of Na OH solution was 15%,the best deashing effect of semi-coke was achieved and the ash content decreased to 15.75%;when using hydrochloric acid alone and the mass fraction of hydrochloric solution was 5%,the deashing effect was optimum and the ash content could be reduced to 13.11%,which made clear that the deashing ability of hydrochloric acid was better than that of NaOH solution;when semi-coke was dealt with different concentrations of NaOH solution followed by hydrochloric acid,the ash content can be reduced to 9.17%,to the minimum.The result of orthogonal experiment showed that the best deashing conditions of hydrochloric acid were：mass fraction of hydrochloric acid was 5%,the heating time was 40 minutes,the heating temperature was 70℃,and the ash content of semi-coke could be reduced to 14.03%.

semi-coke,acid-base method,deashing,orthogonal experiment

TD94

A

楊巧文(1963-),女,浙江臺州人,中國礦業大學(北京)教授,博士生導師。主要研究領域為煤炭深度脫灰脫硫超凈煤制備、精細水煤漿制備、煤炭固硫以及與煤有關的儀器分析。