洗滌溶液脫除準(zhǔn)東煤中鈉的研究

洗滌溶液脫除準(zhǔn)東煤中鈉的研究

0新疆準(zhǔn)東高鈉煤脫鈉提質(zhì)技術(shù)新疆準(zhǔn)東地區(qū)煤炭資源豐富，預(yù)測儲量39900億t。目前，勘探結(jié)果表明，準(zhǔn)東油田年產(chǎn)量為1363億t。準(zhǔn)東油田的成煤面積為14000公里。這是中國最大的煤炭整理田。根據(jù)中國目前的煤炭年產(chǎn)量計算，一個準(zhǔn)東油田可以在全國使用100年。由于歷史原因和當(dāng)?shù)靥厥獾淖匀坏乩憝h(huán)境，準(zhǔn)東煤堿金屬氧化鈉的含量（按養(yǎng)分計算，下同）普遍超過2%，部分煤炭含量達(dá)到10%，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)的軍轉(zhuǎn)煤炭（中國國內(nèi)能源氧化鈉的含量不到1%）。然而，高鈉含量容易導(dǎo)致燃燒時東煤爐中的集渣、污染、污泥和腐蝕，這嚴(yán)重影響了東煤的正常運行。因此，避免了局部高溫區(qū)的還原，減少了煤氣表中的鈉含量，并采用了防雨裝置。目前，東煤的燃燒利用主要采用合理的鍋爐設(shè)計與運營、添加劑、燃料預(yù)處理和熱處理方法。為了避免還原給局部高溫區(qū)帶來的氣候性氣氛和局部高溫區(qū)，減少了相中鈉含量。為了控制東煤中的鈉，使用濃度差可以將部分鈉脫除在洗脫液中。因此，作為控制高鈉煤燃燒、污染和積灰的過程，采用了分散環(huán)鈉提取方法。此外，還有許多堿性金屬絲。在燃燒和使用過程中，也存在燃燒和去除大部分生物化工中的鉀、鈉和氯的問題。因此，上海延科技術(shù)大學(xué)和上海機宜電子站有限公司在新疆準(zhǔn)東提出了一項技術(shù)提取許可證，并在實驗室中研究了該技術(shù)的脫鈉效果。1實驗部分1.1內(nèi)水含量對煤質(zhì)分析結(jié)果的影響實驗采用上海機易電站設(shè)備公司提供的洗滌溶液,煤樣為內(nèi)水含量較低的新疆準(zhǔn)東煤,其煤質(zhì)分析結(jié)果見表1.由于內(nèi)水含量低,煤樣孔隙結(jié)構(gòu)較不發(fā)達(dá),增加了脫除難度,但更能體現(xiàn)該方法的脫除效果.1.2火焰原子吸收光譜法準(zhǔn)東煤洗滌溶液脫鈉常壓實驗:將一定量的洗滌溶液煮沸,稱取20g煤樣倒入其中,再煮沸一定時間,冷卻,過濾,取澄清液體1mL移入100mL容量瓶中,用水定容至刻度,搖勻,再用火焰原子吸收光譜法對該溶液中鈉含量進(jìn)行測定.加壓、攪拌和高溫(100℃以上)實驗在密閉容器脫鈉反應(yīng)器中進(jìn)行,實驗裝置和流程見圖1.脫鈉反應(yīng)器容積為250mL,每次實驗時,打開脫鈉反應(yīng)器,放入20g準(zhǔn)東煤,同時加入40g洗滌溶液,通過加熱器升溫,熱電偶控制溫度,控制脫鈉停留時間在10min,即恒溫和攪拌時間為10min,實驗完畢后,降溫取出樣品過濾,得到含鈉溶液,采用火焰原子吸收光譜法對該溶液中鈉含量進(jìn)行測定,考察不同壓力、溫度、攪拌條件下該洗滌溶液對準(zhǔn)東煤的脫鈉效果.1.3煤中鈉的可靠性實驗脫鈉溶液中鈉的測定采用火焰原子吸收光譜法,此方法抗干擾能力強,測得的結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度都較高,是國內(nèi)外對煤中鈉測定較為科學(xué)的方法.為驗證洗滌脫鈉數(shù)據(jù)的可靠性,實驗稱取約20g煤樣,加入100mL燒杯中,加入20g洗滌溶液,煮沸,洗滌時間為10min,過濾,測定洗滌溶液的質(zhì)量及鈉的濃度,再測出洗滌后煤樣中鈉的含量,兩次實驗結(jié)果見表2.由表2可知,兩次實驗得到煤樣中鈉總量的平均值為5.52%,與灰分分析得到的煤中鈉總量為5.5%基本一致,表明本實驗得到的數(shù)據(jù)具有較好的可靠性.1.3.2鈉的總含量實驗數(shù)據(jù)以灰分為基準(zhǔn):式中:w(Na)為鈉脫除量(以灰分計),%;cNa為過濾溶液中鈉的濃度,μg/g;m(filterliquid)為過濾溶液的質(zhì)量,g;m(ash)為原煤灰的質(zhì)量,g;wt為原煤灰中鈉的總含量,%;f為鈉脫除率,%.2煤中鈉的分布煤中鈉以多種形式存在,既以無機形式存在,也有部分以有機形式存在.無機鈉有多種存在形式,如氯化鈉晶體形式和水合離子形式等;有機鈉則分為以羧酸鹽形式存在的鈉和以配位形式出現(xiàn)在煤結(jié)構(gòu)的含氮或氧官能團(tuán)上的鈉等.對煤中鈉存在形式的分析普遍采用萃取方法,萃取液主要有稀鹽酸、水和醋酸銨.稀鹽酸能溶解除硅鋁酸鹽以外的其他無機鈉和有機鈉;以水作為萃取液可以萃取出以氯化鈉晶體和水合離子形式存在的無機鈉;醋酸銨除了可以萃取水溶性鈉外,還可以萃取以羧酸鹽形式存在的有機鈉.一般認(rèn)為,不可溶鈉以硅鋁酸鹽形式存在.通過萃取研究發(fā)現(xiàn)煤階、顯微組分和氯含量為煤中鈉存在形式的主要影響因素,這主要是由成煤物質(zhì)和煤化過程中周圍環(huán)境等造成的.2.1洗滌劑溶液用量對脫鈉效果的影響根據(jù)離子運動的規(guī)律,鈉離子在該洗滌溶液和煤組成的體系中,往往由濃度高的一邊向濃度低的一邊運動擴散,所以在相同的加煤量下,洗滌溶液用量對脫鈉效果具有較大的影響,因此,本部分考察加煤量和洗滌溶液用量的比例關(guān)系對脫鈉效果的影響.實驗在準(zhǔn)東煤顆粒粒度為3mm~6mm,溫度為100℃,停留時間為10min,加煤量為20g條件下,考察了不同洗滌溶液用量下的脫鈉效果,結(jié)果見圖2.由圖2可知,鈉脫除量隨著洗滌溶液用量的增加而增大,脫除率也隨之上升,最后趨向平緩,這與相關(guān)理論較為符合.隨著洗滌溶液用量的加大,相應(yīng)的溶液中鈉濃度降低,煤顆粒表面和孔隙中存在的可溶鈉(NaCl晶體及水合離子Na等)隨著洗滌溶液用量的增加更容易脫除.但是,當(dāng)洗滌溶液與煤質(zhì)量比為5時,洗滌溶液用量的增加對脫鈉效果的作用減弱.由此可知,洗滌溶液對準(zhǔn)東煤中鈉的脫除效果主要受到準(zhǔn)東煤中鈉脫離煤炭主體向洗滌溶液中的擴散速度限制.2.2不同洗滌劑時間對鈉脫除量的影響為了具體考察洗滌時間對準(zhǔn)東煤脫鈉的影響規(guī)律,實驗在加煤量為20g,煤粒度為3mm~6mm,溫度為100℃,洗滌溶液用量為40g下,測試了洗滌時間為2min~30min的鈉脫除量,結(jié)果見圖3.由圖3可知,在洗滌時間較短(10min以內(nèi))的情況下,鈉脫除量幾乎相同,而10min后,鈉脫除量有所上升;在20min后,鈉脫除量基本上達(dá)到相同水平,這主要是因為煤顆粒表面的鈉與洗滌溶液接觸,能快速被洗滌溶液脫除,所以在一定時間內(nèi)會有一個基本脫除量.由于準(zhǔn)東煤具有一定的孔隙結(jié)構(gòu),所以后期的洗滌時間主要由洗滌溶液擴散進(jìn)孔隙內(nèi)時間與孔隙中鈉與擴散進(jìn)來的洗滌溶液接觸并由孔隙擴散到煤顆粒外溶液時間兩部分組成.因此,在10min后,鈉脫除量會有一個上升過程,最后鈉脫除量趨向飽和.2.3溫度和壓力對準(zhǔn)東煤脫鈉效果的影響實驗首先單獨考察了壓力對準(zhǔn)東煤脫鈉效果的影響.實驗條件如下:加煤量為20g,粒度為3mm~6mm,洗滌溶液用量為40g,恒溫時間為10min,結(jié)果見表3.由表3可知,在常溫下,隨著壓力的變化,鈉脫除量差別較小,脫除率基本沒有變化.由此可知,為了達(dá)到較高的脫鈉效果,必須在保證洗滌溶液不蒸發(fā)的情況下提高溫度.在常壓條件下考察溫度為30℃~100℃對準(zhǔn)東煤脫鈉效果的影響.實驗條件如下:加煤量為20g,粒度為3mm~6mm,洗滌溶液用量為40g,恒溫時間為10min,壓力為0.1MPa,結(jié)果見圖4.由圖4可知,在常壓下,一定時間內(nèi),隨著溫度增加,鈉溶解加快,鈉進(jìn)入洗滌溶液中的擴散速度增加,準(zhǔn)東煤脫鈉效果較好.但是,受鈉在準(zhǔn)東煤顆?？紫秲?nèi)的洗滌溶液中向外擴散速率的限制,導(dǎo)致溫度從20℃增加至100℃對其脫鈉效果影響并不顯著.在其他條件不變的情況下,考察溫度在100℃~200℃壓力對準(zhǔn)東煤脫鈉效果的影響,實驗選擇在密閉容器中進(jìn)行,壓力為對應(yīng)溫度洗滌溶液的飽和蒸汽壓,結(jié)果見圖5.溫度和壓力對無機鹽溶解、離子和分子擴散運動都是一個重要的影響因素.由圖5可以看出,隨著溫度從100℃繼續(xù)上升,飽和蒸汽壓增大,鈉脫除量快速增加,脫除率明顯上升,特別是在200℃時,效果更加明顯.這主要是因為隨著溫度的增加,洗滌溶液脫除可溶性無機鈉及部分有機鈉(羧酸鈉、配位形式的鈉等)的能力增加;同時,在較高溫度和壓力的作用下,煤結(jié)構(gòu)中以較弱鍵結(jié)合的側(cè)鏈和一些含氧官能團(tuán)可能分解,析出二氧化碳等氣體,將準(zhǔn)東煤孔隙中的高鈉濃度洗滌溶液驅(qū)除出孔隙,大大降低了處理后準(zhǔn)東煤中的鈉含量;另一方面,在壓力的作用下,洗滌溶液更容易進(jìn)入煤的孔隙中,可將較多的鈉從準(zhǔn)東煤孔隙中帶出而使之脫離準(zhǔn)東煤顆粒.2.4煤中脫鈉效果的分析為考察不同溫度條件下攪拌對準(zhǔn)東煤脫鈉效果的影響,實驗選擇在密閉容器中,不通氮氣,加煤量為20g,粒度為3mm~6mm,洗滌溶液用量為40g,恒溫時間為10min,溫度為100℃~200℃,壓力為相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓,攪拌轉(zhuǎn)速為550r/min條件下測試了脫鈉效果,結(jié)果見圖6.由圖6可知,在130℃下,溫度和壓力增加以及攪拌對鈉脫除量的貢獻(xiàn)并不是很明顯,這是由于溫度較低時煤結(jié)構(gòu)中以較弱結(jié)合的側(cè)鏈和一些含氧宮能團(tuán)尚未分解,孔隙結(jié)構(gòu)中鈉的擴散阻力依然較大;隨著溫度和壓力增加,攪拌對鈉脫除效果增加較為明顯.在較高溫度和壓力下,由于攪拌速度過大,攪拌槳葉打碎了煤顆粒,煤和洗滌溶液的接觸面積增加.同時,由于煤顆粒尺寸的減少,鈉向洗滌溶液中的擴散距離減少,內(nèi)擴散限制減弱,使煤中的鈉容易脫離煤炭主體進(jìn)入溶液中.但是若顆粒太小,細(xì)小顆粒會吸附大量的洗滌溶液,使得鈉的脫除量反而比粗顆粒時的低.3東煤中鈉的擴散速率1)準(zhǔn)東煤中的鈉多以可溶性形式存在,且若煤種的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),則更有利于洗滌溶液進(jìn)入煤炭主體內(nèi)部對煤中鈉進(jìn)行脫除.2)溫度是準(zhǔn)東煤脫鈉的主要影響因素,而洗滌溶液用量、洗滌時間、壓力和煤炭顆粒尺寸對準(zhǔn)東煤脫鈉影響較小.鈉脫除量隨著洗滌溶液用量的增加而增大,但是當(dāng)?shù)较礈烊芤号c煤質(zhì)量比為5以上時,洗滌溶液用量的增加對鈉脫除率上升的貢獻(xiàn)急劇降低,表明該洗滌過程主要受準(zhǔn)東煤中鈉由煤炭孔隙內(nèi)向溶液中的擴散速率限制;溫度對脫鈉效果的影響顯著,隨著溫度增加,脫鈉效果提高.3)實驗所選擇的準(zhǔn)東煤是一種孔隙結(jié)構(gòu)較不發(fā)達(dá)、鈉含量卻很高的煤種,在合適的預(yù)處理條件下成功地將該煤種中的鈉含量降