半焦酸碱法脱灰工艺研究

杨巧文 郭 玲 郭宋江 袁金沙 王 鑫

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京市海淀区,100083)

★煤炭科技·加工转化★

半焦酸碱法脱灰工艺研究

杨巧文 郭 玲 郭宋江 袁金沙 王 鑫

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京市海淀区,100083)

针对半焦灰分含量较高和吸附能力差等问题,对其进行脱灰处理以提高其性能。本文以新疆某地半焦为研究对象,利用酸碱法进行脱灰试验,考查了盐酸浓度和NaOH浓度对脱灰效果的影响。试验结果表明,单独用NaOH溶液处理,其质量分数为15%时脱灰效果最好,灰分降至15.75%;单独用盐酸处理,其质量分数为5%时脱灰效果最好,灰分可降到13.11%。用不同浓度的NaOH溶液处理后的半焦再用盐酸处理,灰分可进一步降低到9.17%。酸处理正交试验结果表明,盐酸质量分数为5%且70℃恒温加热40 min为最佳脱灰条件,灰分可降至14.03%。

半焦 酸碱法 脱灰 正交试验

半焦又称兰炭,是由低阶煤低温(700℃以下)干馏所得的可燃固体产物,主要成分是碳、灰分和挥发分,其灰分含量取决于原料煤质。相比于焦炭,半焦未热解完全,具有一定的孔隙结构,但是未经改性的半焦其吸附能力远不及普通活性炭,而且半焦中含量较高的灰分限制了其应用领域。

对半焦进行脱灰处理可以提高其性能和吸附能力。按照脱灰方法可分为物理化学净化法和化学净化法。化学净化法应用比较广泛,工艺较成熟,大致分为氧化法、酸处理法、酸碱处理法和溶剂萃取法4种。

本文采用酸碱脱灰法对新疆某地半焦进行脱灰试验,降低灰分,提高其利用价值,拓宽其应用领域;同时考察了盐酸和氢氧化钠在不同浓度下的脱灰效果,确定最优脱灰条件,从而降低脱灰成本。

1 试验过程

1.1 样品制备

本试验选用新疆某地半焦,其工业分析指标如下：水分为7．27%,灰分为20．74%,挥发分为23．63%,固定碳含量为48．36%。选用的酸试剂为盐酸(HCl),碱试剂为氢氧化钠(NaOH)。盐酸的配制方法为：用36%的浓盐酸加蒸馏水分别稀释至2.5%、5%、7.5%和10%;NaOH的配制方法为：称取一定量的NaOH固体加蒸馏水分别配置浓度为5%、10%、15%和20%。配制好的溶液装瓶贴标签待用。利用FW80型高速万能粉碎机将原料半焦磨至200目以下备用。

1.2 脱灰试验

用T-114型号电子天平称量4组磨好的半焦粉末,每组20 g(记为m1)置于烧杯中并标号,加入需要的试剂(酸或碱),用玻璃棒搅拌均匀,成水浆状。将盛有半焦的烧杯放入80℃水浴锅中恒温水浴,每隔5 min搅拌1次。30 min后拿出冷却至室温。准备4组漏斗,将处理过放凉后的半焦浆液用定性滤纸进行过滤。用温水冲洗,直到滤液p H约为7时,停止过滤。将过滤完成的半焦放入101-2B型电热鼓风干燥箱中干燥,完全烘干后进行称重(注：滤纸上的粉末需刮净),记为m2,然后放入袋内密封防潮,并贴签标记。称空瓷舟质量记为m3,再用勺子向瓷舟加入处理过的半焦1 g,总质量(m3＋1)g,记为m4,同一个样本称2组平行样,以保证试验结果的准确。都称好后放入DRZ-4-11型马弗炉中烧灰,设定终温为820℃,由室温开始加热,加热到设定温度后恒温1 h。加热时间结束后,烧灰完成,打开炉门降温,约2 h后温度降至200～300℃之间即可拿出,待温度降至室温,将瓷舟放入电子天平上称重,质量记为m5。计算灰分见式(1)：

式中：α——灰分,%;

m3——空瓷舟质量,g;

m4——空瓷舟加半焦粉末质量,g;

m5——瓷舟加灰渣质量,g。

从而可以得出脱灰率见式(2)：

式中：η——脱灰率,%;

A0——原半焦样的灰分,%;

A1——处理后的半焦灰分,%;

m1——未经处理的半焦质量,g(20 g);

m2——酸或碱处理后的半焦质量,g。

2 试验结果及分析

2.1 NaOH溶液处理结果分析

用浓度为5%、10%、15%和20%的NaOH溶液单独处理半焦的结果如图1所示。

图1 灰分及脱灰率随碱浓度变化曲线

由图1可知,在单独用NaOH溶液处理半焦样品时,其灰分随碱浓度增大而降低,当浓度达到15%后,降低趋势减弱。而脱灰率则与碱浓度呈正相关,随着浓度的增加,脱灰率亦增加,但总的脱灰率并不是很高,最高为23.63%,此时NaOH浓度为20%。由于增加浓度会增加脱灰的成本,而且灰分脱除效果不明显,所以碱浓度为15%时脱灰效果最佳。

2.2 HCl溶液处理结果分析

用浓度为2.5%、5%、7.5%和10%的HCl溶液单独处理半焦的结果如图2所示。

图2 灰分及脱灰率随酸浓度变化曲线

由图2可以看出,单独用盐酸处理半焦样品时,随着酸浓度的升高,半焦灰分越低。脱灰率曲线变化和酸浓度变化呈正相关,酸浓度提高有利于更好的脱灰。当酸浓度为5%以后,灰分曲线趋于平缓。所以当酸浓度为5%时,脱灰效果最佳。

2.3 盐酸和NaOH溶液脱灰效果比较

通过比较同浓度下酸碱处理过的半焦样本的灰分可以看出脱灰效果的优劣,酸碱脱灰效果对比见表1。

表1 酸碱脱灰效果对比%

由表2可以看出,相同浓度下,盐酸的脱灰效果优于氢氧化钠。因为盐酸能和半焦灰分中的Fe、K、Na、Al、Mg等氧化物反应生成可溶性盐, NaOH溶液只能和半焦灰分中的部分硅铝化合物发生反应。

表2 正交因素–水平

2.4 酸、碱同时处理半焦时的脱灰分析

先用碱浓度5%、10%、15%和20%的溶液处理半焦,再用5%盐酸溶液处理半焦,得到的半焦灰分曲线如图3所示。

图3 酸碱混合作用下半焦灰分曲线图

由图3可以看出,半焦灰分随碱浓度升高而降低,且降低程度高于单独用碱处理时,灰分最低达到了9.17%,脱灰效果明显。脱灰率与碱浓度呈正相关,碱浓度越高脱灰率越高,即脱灰能力越好。因为原半焦样品经碱作用,先使灰分中的硅铝化合物反应掉生成水溶性和酸溶性的硅铝酸盐,再用酸处理时,金属化合物被溶解,而且酸溶性的硅铝化合物进一步反应生成水溶性盐,随滤液一同与半焦中的有机质分离,从而使半焦中灰分得到最大程度的脱除;且当酸浓度为5%、碱浓度为15%时,脱灰率达到52.55%,效果最好。

2.5 正交试验

为确定最佳脱灰条件设计正交试验。确定酸浓度、加热温度以及加热时间为3因素,每个因素设置2水平,见表2。共设计8组正交试验,正交试验方案以及极差分析结果分别见表3和表4。

表3 正交试验方案

由表2、表3和表4可知,考虑单因素影响时,影响脱灰效果大小顺序依次是酸浓度＞加热时间＞加热温度,即酸浓度对脱灰影响效果最为明显,改变(增大)所用盐酸的浓度对脱灰的收益最大。

考虑两因素之间的交互作用时,对脱灰率影响的主次顺序为酸浓度＞酸浓度与加热温度交互作用＞酸浓度与加热时间交互作用＞加热时间＞加热温度与加热时间交互作用＞加热温度。在正交试验中,脱灰效果最好的为第6组试验,其条件为酸浓度为5%,加热温度为70℃,加热时间为40 min,灰分可降低到14.03%,脱灰率可达到30%以上。

表4 正交试验极差分析结果

3 结论

(1)单独用氢氧化钠溶液处理半焦时,随着碱浓度的提高,半焦灰分不断降低,但降低趋势逐渐减弱,当碱浓度为20%时,脱灰效果最好,灰分为15.47%。与15%浓度的碱溶液对比,此时灰分下降不太明显,且增加浓度,不但灰分脱除效果不明显,反而增加了脱灰的成本,所以碱浓度在15%时为最佳,灰分可降至15.75%。

(2)单独用盐酸溶液处理时,随着酸浓度的升高,灰分呈逐渐降低趋势。当酸浓度为5%时,灰分可降至13.11%,由此可见,酸处理脱灰效果明显优于碱处理,且低浓度酸即可使灰分得到大幅度脱除。

(3)先用不同碱浓度溶液处理半焦,再用5%盐酸溶液处理半焦,半焦的灰分进一步得到降低,由单独用碱处理时的15.47%降低到9.17%,降幅很大。而且只用了5%浓度的盐酸,不但效果非常明显,而且节省了脱灰成本。

(4)采用2水平3因素正交试验进行酸处理降灰试验,经过试验研究发现,在3个因素中,影响级别由高到低是酸浓度＞酸浓度与加热温度交互作用＞酸浓度与加热时间交互作用＞加热时间＞加热温度与加热时间交互作用＞加热温度。脱灰效果最好的一组的试验条件为酸浓度为5%,加热时间为40 min,加热温度为70℃,得到精煤灰分为14.03%。此试验条件为最佳,且试验条件相对温和,脱灰成本较为低廉,比较有实用价值。

[1] 邢康,唐庆杰.半焦煤催化气化反应性的试验和研究[J].中国煤炭,2013(10)

[2] 张双全,吴国光.煤化学[M].徐州：中国矿业大学出版社,2009

[3] 张军,解强,李兰亭.煤质活性炭脱灰工艺的研究[J].煤化工,2007(2)

[4] 王坤,赵辉,刘钏等.废弃焦粉及半焦的脱灰活化研究[J].选煤技术,2012(6)

[5] 耿东森,张荣光,张健.酸碱脱灰法制备超低灰煤[J].河北煤炭,2000(2)

[6] 王子兵,李从昭,赵斌等.块状褐煤低温热解制备半焦的实验研究[J].中国煤炭,2013(12)

[7] 史慧杰.碱熔融法对褐煤半焦脱灰的研究[J].广州化工,2014(14)

(责任编辑 陶 赛)

龙煤集团所属医院实现股权转让

日前,龙煤集团与晋商联盟医院股权转让签约仪式在哈尔滨举行,由此开启双方在医疗领域股权合作的序幕。协议的签署标志着龙煤集团在积极推进企业深化改革工作中又一次迈出了实质性步伐。据了解,龙煤集团有二级甲等以上医院6家,此次在省产权交易中心挂牌转让控股权,晋商联盟成功摘牌受让。

黑龙江省委常委、副省长、省国资委党委书记李海涛出席签约仪式并会见了晋商联盟董事长李建国一行。李海涛指出,龙煤集团所属医院能与晋商联盟这样一个有实力的公司进行战略合作,意义重大。李建国表示,通过此次龙煤集团所属医院股权成功转让,看到了黑龙江省深化国有企业改革的坚定信心和决心,并承诺,在黑龙江省委、省政府的领导下,一定会把矿区医疗集团做成民营资本进入黑龙江医疗产业,参与医疗改革的样板。

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%.

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TD94

A

杨巧文(1963-),女,浙江台州人,中国矿业大学(北京)教授,博士生导师。主要研究领域为煤炭深度脱灰脱硫超净煤制备、精细水煤浆制备、煤炭固硫以及与煤有关的仪器分析。