蘭炭用于水煤漿氣化原料可行性研究

解松源 黃金鋒 何凡 王靜 李長福

(新疆中泰創新技術研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

蘭炭所指的是褐煤、泥煤以及一些具有高揮發性特征的煤煙在低溫環境下干餾，使處在隔絕空氣環境之下的煤轉變成固體產物。蘭炭粒度一般是在0到60毫米范圍、由于其熱解并不完全，而且內部所存在的氫和氧都比較多，因此所具有的孔隙較為發達，表面具有較為豐富的結構，在電石領域和鐵合金領域之中一般對其會有較為廣泛的應用。塊狀蘭炭是固定床氣化過程中必然使用的原料之一，固定床氣化得到的氣化強度和煤炭的轉化率往往都與理想效果相距甚遠，而且含酚廢水處理難度較大。我國一些研究人員嘗試采用蘭炭作為試驗原料，氣化劑選擇常見的空氣和副產的水蒸氣，氣化反應采取地壓固定床連續氣化的工藝，該方法的應用較之應用傳統固定床間接進行氣化的工藝手段無論氣化的效率，還是煤炭的轉化率都有了一定程度的提升，而且整個試驗過程具有的環保效果比較理想。但是在使用固定床進行氣化操作期間仍然存在一定的問題，當前使用蘭炭進行水煤漿氣化的領域信息報道較少。所以，本文嘗試性研究在水煤漿氣化過程之中使用蘭炭的可行性。

1 樣品選擇與試驗方法

按照水煤漿氣化要求對于煤進行使用，蘭炭所需要達到煤質條件包括發熱量為每千克不少于25MJ，煤灰流動的溫度處在1200～1300℃的范圍，煤中灰分必須控制在13%以下。另外，對水炭漿泵送和制備的特征予以考慮，分析蘭炭氣化的效率和反應的活性。還要保證蘭炭能夠符合下述條件：有毒害元素和水分的含量需要比較低，固定碳含量和揮發分需要比較適中。所使用的蘭炭和神木煤煙均為當前市場上質量最好的產品，性能與水煤漿氣使用原料需求相符。兩種樣品的相關參數如表1所示。

蘭炭灰分含量被控制下13%以下，煤灰流動溫度也不超過1300℃，每千克的熱值超過25MJ，所有數據都符合水煤漿氣化爐的入料要求。但是，整個過程揮發分相對較低，而且存在的固定碳含量也比較高，實施氣化反映其間具有很大的難度。因此，使用配煤等手段保證實際生產的效果。

2 試驗方法概述

2.1 蘭炭成漿試驗概述

原料和儀器選擇：使用市場常見的萘系分散劑1、2，自行對DLS分散劑進行制備，另外預先準備出堿木質素作為試驗所需原料，使用現下常規流變儀和水分測定儀。

試驗步驟概述：對蘭炭原料，應用破碎機先對其進行破碎處理，之后再把處理完畢的蘭炭放入到球磨機內進行研磨，最后再采取篩分的方法將其制成炭粉。按照干法制漿的方法城區一定質量的炭粉，隨后向炭粉內加入自來水和分散劑。按照每分鐘500r的速度持續6分鐘的攪拌，由此制取出水炭漿。隨后使用流變儀對表觀粘度進行測定，并對48小時的穩定性進行觀察。

水煤漿流動性按照下述方式設定，如果處于連續流動狀態則定為A，如果是間斷流動狀態則定為B，如果表現為外力作用下的流動狀態則定為C，如果是完全不流動的狀態則將其定為D。另外，對于水煤漿穩定性的設定為，如果發現固液具有均勻分布效果，并且不存在析水和軟沉淀狀態的話則將其設定為A，如果其中析水情況和軟沉淀情況比較少的話則定為B，如果發現析水和軟沉淀現象都比較明顯則設定為C，如果產生的是硬沉淀，而且對漿體攪拌之后不能恢復到初始狀態則將該穩定性設定為D。

2.2 關于蘭炭反應活性測定試驗概述

原料與儀器選擇：使用神木煙煤煤粉與蘭炭炭粉材質已經說明，另外選取具有較高精確度的差熱綜合熱分析儀。

試驗步驟概述：稱取一定劑量的蘭炭粉和神木煤粉原料，應用分析儀進行二氧化碳反應活性測試。現在熱天平坩堝之中置放樣品，隨后在二氧化碳環境之下以每分鐘10℃的速度將溫度升到1200℃，實時觀察，并且記錄溫度不斷上升情況之下樣品質量的變化情況，在樣品質量不發生變化時認定反應完成。

表1 神木煤煙與蘭炭煤質分析

2.3 蘭炭氣化反應模擬概述

為了充分研究蘭炭能否實際應用到水炭漿的氣化過程。使用模擬軟件，在模擬煤在反應器中的熱解過程，將煤分解成各個不同的組分，分別模擬不同階段氣化爐中所發生的反應類型，并且針對氣化爐建模提出一定的假設。比如氣化爐中水煤漿在瞬間和氣化劑完成混合，則認為沒有參與到反應的物質屬于一種惰性物質。模擬過程煤具有比較均勻的顆粒溫度，而且并沒有溫度梯度的現象存在。

3 試驗結果概述

3.1 關于蘭炭反應活性測試結果概述

神木煤煙和蘭炭的熱重分析測試結果如圖1中所示。

圖1 神木煤煙和蘭炭的熱重分析測試結果

蘭炭和神木煙煤處在100℃到600℃環境的時候，發生失重的速度相對比較慢，而且會散失一些水分和揮發分。溫度逐漸升高的情況之下，兩者失重的速度會有所提升，在溫度低于900℃的情況，神木煙煤相比蘭炭失重速度要大，這種情況主要因為揮發分和反應活性之間具有一定的關系，因為在對煤質進行分析的過程之中，蘭炭揮發分相比神木煙煤要小很多，而且溫度剛一開始上升的時候，神木煙煤發生的反應常常會伴有一定的失重情況存在。蘭炭如果揮發分比較少的話，失重的速度在初期相對較慢。而當溫度達到900℃的時候，質量開始逐漸趨于不變。在溫度上升到1200℃的時候，神木煙煤和蘭炭失重的曲線末端基本和X軸處于平行狀態，這種情況表示二者和二氧化碳之間已經完成反應，也就是在對溫度設計之后如果能完全反應便表示其所具有的反應活性比較理想。為了保證試驗所得到的是比較理想的反應活性，可以適當以下面幾個方面為切入點嘗試改進：首先按照一定比例向其中配入一些揮發分相對較高的煙煤和褐煤，這樣能夠達到提升原料揮發分的效果；其次可以將蘭磨盡可能磨得比較碎，這樣能使顆粒的粒徑變得比較小，并且可以充分提升蘭炭的表面積；最后，可以適當增加炭粒在反應過程中的停留時間和反映環境的溫度。

3.2 關于蘭炭氣化模擬結果概述

為了對模擬可靠性進行更好的展示，使用其與神木煙煤進行比對，所得到的模擬結果如表2所示。

按照上表可以認為在模擬條件之下所獲取到的模擬數據不如實際運行數據。所以，蘭炭和神木煙煤在實際氣化過程之

表2 神木煙煤與蘭炭之間模擬氣化結果

中運行數據相比模擬數據比較接近。而且，蘭炭比起相比于神木煙煤，在氣化完成之后得到的氫氣比例會有一定的降低，二氧化碳和一氧化碳比例會有一定提升。這主要是因為在神木煙煤熱解期間所得到的蘭炭會熱解出絕大部分焦油和揮發分等組分，由此會極大程度降低剩余的半焦揮發分，而且含氫量會有一定降低，含碳量的比例會有一定提升，反應活性有所下降。基于這一情況，在蘭炭發生氣化之后，其氣體祖墳之中的一氧化碳組分會有較為明顯的上升態勢，而且氫氣組分會出現明顯的下降。另外，因為反應活性下降會造成二氧化碳組分所占的比例出現上升，碳轉化率會發生一定的下降，比氧耗和比煤耗都會出現一定上升。不過，結合神木煙煤情況可以認為蘭炭氣化期間實際運行的數據相比于模擬數據也更好，因此可以在工業氣化工程對其進行應用。

4 結語

水炭漿成漿之后可以超過61%的濃度，其所具有的穩定性、流動性和粘度等各個漿體性能都能達到氣化用漿的使用需求。在既定出來的情況之下，蘭炭和二氧化碳在1200℃以下的設計溫度之下只需要較短的時間便能完全反應，整個反應過程具有較為良好的反應活性，因此在水炭漿氣流床氣化過程可以對其加以使用。使用模擬軟件模擬水炭漿氣化的全部過程，最終發現雖然水炭漿氣化得到的效果不如由神木煙煤所制作出來的水煤漿氣化效果理想，但是在實際應用的時候所得到的有效氣成分和實際碳轉化率都比較理想。本文之中以反應活性、煤質分析、蘭炭氣化模擬以及成漿性能幾個方面作為切入點，對于水煤漿氣化的可行性進行了簡要分析。按照模擬試驗所得到的結果可以認為，實際生產期間需要結合經濟性和可操作性的要求對于水炭漿氣化的可行性予以進一步確定。