兰炭用于水煤浆气化原料可行性研究

解松源 黄金锋 何凡 王静 李长福

(新疆中泰创新技术研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

兰炭所指的是褐煤、泥煤以及一些具有高挥发性特征的煤烟在低温环境下干馏，使处在隔绝空气环境之下的煤转变成固体产物。兰炭粒度一般是在0到60毫米范围、由于其热解并不完全，而且内部所存在的氢和氧都比较多，因此所具有的孔隙较为发达，表面具有较为丰富的结构，在电石领域和铁合金领域之中一般对其会有较为广泛的应用。块状兰炭是固定床气化过程中必然使用的原料之一，固定床气化得到的气化强度和煤炭的转化率往往都与理想效果相距甚远，而且含酚废水处理难度较大。我国一些研究人员尝试采用兰炭作为试验原料，气化剂选择常见的空气和副产的水蒸气，气化反应采取地压固定床连续气化的工艺，该方法的应用较之应用传统固定床间接进行气化的工艺手段无论气化的效率，还是煤炭的转化率都有了一定程度的提升，而且整个试验过程具有的环保效果比较理想。但是在使用固定床进行气化操作期间仍然存在一定的问题，当前使用兰炭进行水煤浆气化的领域信息报道较少。所以，本文尝试性研究在水煤浆气化过程之中使用兰炭的可行性。

1 样品选择与试验方法

按照水煤浆气化要求对于煤进行使用，兰炭所需要达到煤质条件包括发热量为每千克不少于25MJ，煤灰流动的温度处在1200～1300℃的范围，煤中灰分必须控制在13%以下。另外，对水炭浆泵送和制备的特征予以考虑，分析兰炭气化的效率和反应的活性。还要保证兰炭能够符合下述条件：有毒害元素和水分的含量需要比较低，固定碳含量和挥发分需要比较适中。所使用的兰炭和神木煤烟均为当前市场上质量最好的产品，性能与水煤浆气使用原料需求相符。两种样品的相关参数如表1所示。

兰炭灰分含量被控制下13%以下，煤灰流动温度也不超过1300℃，每千克的热值超过25MJ，所有数据都符合水煤浆气化炉的入料要求。但是，整个过程挥发分相对较低，而且存在的固定碳含量也比较高，实施气化反映其间具有很大的难度。因此，使用配煤等手段保证实际生产的效果。

2 试验方法概述

2.1 兰炭成浆试验概述

原料和仪器选择：使用市场常见的萘系分散剂1、2，自行对DLS分散剂进行制备，另外预先准备出碱木质素作为试验所需原料，使用现下常规流变仪和水分测定仪。

试验步骤概述：对兰炭原料，应用破碎机先对其进行破碎处理，之后再把处理完毕的兰炭放入到球磨机内进行研磨，最后再采取筛分的方法将其制成炭粉。按照干法制浆的方法城区一定质量的炭粉，随后向炭粉内加入自来水和分散剂。按照每分钟500r的速度持续6分钟的搅拌，由此制取出水炭浆。随后使用流变仪对表观粘度进行测定，并对48小时的稳定性进行观察。

水煤浆流动性按照下述方式设定，如果处于连续流动状态则定为A，如果是间断流动状态则定为B，如果表现为外力作用下的流动状态则定为C，如果是完全不流动的状态则将其定为D。另外，对于水煤浆稳定性的设定为，如果发现固液具有均匀分布效果，并且不存在析水和软沉淀状态的话则将其设定为A，如果其中析水情况和软沉淀情况比较少的话则定为B，如果发现析水和软沉淀现象都比较明显则设定为C，如果产生的是硬沉淀，而且对浆体搅拌之后不能恢复到初始状态则将该稳定性设定为D。

2.2 关于兰炭反应活性测定试验概述

原料与仪器选择：使用神木烟煤煤粉与兰炭炭粉材质已经说明，另外选取具有较高精确度的差热综合热分析仪。

试验步骤概述：称取一定剂量的兰炭粉和神木煤粉原料，应用分析仪进行二氧化碳反应活性测试。现在热天平坩埚之中置放样品，随后在二氧化碳环境之下以每分钟10℃的速度将温度升到1200℃，实时观察，并且记录温度不断上升情况之下样品质量的变化情况，在样品质量不发生变化时认定反应完成。

表1 神木煤烟与兰炭煤质分析

2.3 兰炭气化反应模拟概述

为了充分研究兰炭能否实际应用到水炭浆的气化过程。使用模拟软件，在模拟煤在反应器中的热解过程，将煤分解成各个不同的组分，分别模拟不同阶段气化炉中所发生的反应类型，并且针对气化炉建模提出一定的假设。比如气化炉中水煤浆在瞬间和气化剂完成混合，则认为没有参与到反应的物质属于一种惰性物质。模拟过程煤具有比较均匀的颗粒温度，而且并没有温度梯度的现象存在。

3 试验结果概述

3.1 关于兰炭反应活性测试结果概述

神木煤烟和兰炭的热重分析测试结果如图1中所示。

图1 神木煤烟和兰炭的热重分析测试结果

兰炭和神木烟煤处在100℃到600℃环境的时候，发生失重的速度相对比较慢，而且会散失一些水分和挥发分。温度逐渐升高的情况之下，两者失重的速度会有所提升，在温度低于900℃的情况，神木烟煤相比兰炭失重速度要大，这种情况主要因为挥发分和反应活性之间具有一定的关系，因为在对煤质进行分析的过程之中，兰炭挥发分相比神木烟煤要小很多，而且温度刚一开始上升的时候，神木烟煤发生的反应常常会伴有一定的失重情况存在。兰炭如果挥发分比较少的话，失重的速度在初期相对较慢。而当温度达到900℃的时候，质量开始逐渐趋于不变。在温度上升到1200℃的时候，神木烟煤和兰炭失重的曲线末端基本和X轴处于平行状态，这种情况表示二者和二氧化碳之间已经完成反应，也就是在对温度设计之后如果能完全反应便表示其所具有的反应活性比较理想。为了保证试验所得到的是比较理想的反应活性，可以适当以下面几个方面为切入点尝试改进：首先按照一定比例向其中配入一些挥发分相对较高的烟煤和褐煤，这样能够达到提升原料挥发分的效果；其次可以将兰磨尽可能磨得比较碎，这样能使颗粒的粒径变得比较小，并且可以充分提升兰炭的表面积；最后，可以适当增加炭粒在反应过程中的停留时间和反映环境的温度。

3.2 关于兰炭气化模拟结果概述

为了对模拟可靠性进行更好的展示，使用其与神木烟煤进行比对，所得到的模拟结果如表2所示。

按照上表可以认为在模拟条件之下所获取到的模拟数据不如实际运行数据。所以，兰炭和神木烟煤在实际气化过程之

表2 神木烟煤与兰炭之间模拟气化结果

中运行数据相比模拟数据比较接近。而且，兰炭比起相比于神木烟煤，在气化完成之后得到的氢气比例会有一定的降低，二氧化碳和一氧化碳比例会有一定提升。这主要是因为在神木烟煤热解期间所得到的兰炭会热解出绝大部分焦油和挥发分等组分，由此会极大程度降低剩余的半焦挥发分，而且含氢量会有一定降低，含碳量的比例会有一定提升，反应活性有所下降。基于这一情况，在兰炭发生气化之后，其气体祖坟之中的一氧化碳组分会有较为明显的上升态势，而且氢气组分会出现明显的下降。另外，因为反应活性下降会造成二氧化碳组分所占的比例出现上升，碳转化率会发生一定的下降，比氧耗和比煤耗都会出现一定上升。不过，结合神木烟煤情况可以认为兰炭气化期间实际运行的数据相比于模拟数据也更好，因此可以在工业气化工程对其进行应用。

4 结语

水炭浆成浆之后可以超过61%的浓度，其所具有的稳定性、流动性和粘度等各个浆体性能都能达到气化用浆的使用需求。在既定出来的情况之下，兰炭和二氧化碳在1200℃以下的设计温度之下只需要较短的时间便能完全反应，整个反应过程具有较为良好的反应活性，因此在水炭浆气流床气化过程可以对其加以使用。使用模拟软件模拟水炭浆气化的全部过程，最终发现虽然水炭浆气化得到的效果不如由神木烟煤所制作出来的水煤浆气化效果理想，但是在实际应用的时候所得到的有效气成分和实际碳转化率都比较理想。本文之中以反应活性、煤质分析、兰炭气化模拟以及成浆性能几个方面作为切入点，对于水煤浆气化的可行性进行了简要分析。按照模拟试验所得到的结果可以认为，实际生产期间需要结合经济性和可操作性的要求对于水炭浆气化的可行性予以进一步确定。