洗涤溶液脱除准东煤中钠的研究

洗涤溶液脱除准东煤中钠的研究

0新疆准东高钠煤脱钠提质技术新疆准东地区煤炭资源丰富，预测储量39900亿t。目前，勘探结果表明，准东油田年产量为1363亿t。准东油田的成煤面积为14000公里。这是中国最大的煤炭整理田。根据中国目前的煤炭年产量计算，一个准东油田可以在全国使用100年。由于历史原因和当地特殊的自然地理环境，准东煤碱金属氧化钠的含量（按养分计算，下同）普遍超过2%，部分煤炭含量达到10%，远高于其他地区的军转煤炭（中国国内能源氧化钠的含量不到1%）。然而，高钠含量容易导致燃烧时东煤炉中的集渣、污染、污泥和腐蚀，这严重影响了东煤的正常运行。因此，避免了局部高温区的还原，减少了煤气表中的钠含量，并采用了防雨装置。目前，东煤的燃烧利用主要采用合理的锅炉设计与运营、添加剂、燃料预处理和热处理方法。为了避免还原给局部高温区带来的气候性气氛和局部高温区，减少了相中钠含量。为了控制东煤中的钠，使用浓度差可以将部分钠脱除在洗脱液中。因此，作为控制高钠煤燃烧、污染和积灰的过程，采用了分散环钠提取方法。此外，还有许多碱性金属丝。在燃烧和使用过程中，也存在燃烧和去除大部分生物化工中的钾、钠和氯的问题。因此，上海延科技术大学和上海机宜电子站有限公司在新疆准东提出了一项技术提取许可证，并在实验室中研究了该技术的脱钠效果。1实验部分1.1内水含量对煤质分析结果的影响实验采用上海机易电站设备公司提供的洗涤溶液,煤样为内水含量较低的新疆准东煤,其煤质分析结果见表1.由于内水含量低,煤样孔隙结构较不发达,增加了脱除难度,但更能体现该方法的脱除效果.1.2火焰原子吸收光谱法准东煤洗涤溶液脱钠常压实验:将一定量的洗涤溶液煮沸,称取20g煤样倒入其中,再煮沸一定时间,冷却,过滤,取澄清液体1mL移入100mL容量瓶中,用水定容至刻度,摇匀,再用火焰原子吸收光谱法对该溶液中钠含量进行测定.加压、搅拌和高温(100℃以上)实验在密闭容器脱钠反应器中进行,实验装置和流程见图1.脱钠反应器容积为250mL,每次实验时,打开脱钠反应器,放入20g准东煤,同时加入40g洗涤溶液,通过加热器升温,热电偶控制温度,控制脱钠停留时间在10min,即恒温和搅拌时间为10min,实验完毕后,降温取出样品过滤,得到含钠溶液,采用火焰原子吸收光谱法对该溶液中钠含量进行测定,考察不同压力、温度、搅拌条件下该洗涤溶液对准东煤的脱钠效果.1.3煤中钠的可靠性实验脱钠溶液中钠的测定采用火焰原子吸收光谱法,此方法抗干扰能力强,测得的结果准确度和精密度都较高,是国内外对煤中钠测定较为科学的方法.为验证洗涤脱钠数据的可靠性,实验称取约20g煤样,加入100mL烧杯中,加入20g洗涤溶液,煮沸,洗涤时间为10min,过滤,测定洗涤溶液的质量及钠的浓度,再测出洗涤后煤样中钠的含量,两次实验结果见表2.由表2可知,两次实验得到煤样中钠总量的平均值为5.52%,与灰分分析得到的煤中钠总量为5.5%基本一致,表明本实验得到的数据具有较好的可靠性.1.3.2钠的总含量实验数据以灰分为基准:式中:w(Na)为钠脱除量(以灰分计),%;cNa为过滤溶液中钠的浓度,μg/g;m(filterliquid)为过滤溶液的质量,g;m(ash)为原煤灰的质量,g;wt为原煤灰中钠的总含量,%;f为钠脱除率,%.2煤中钠的分布煤中钠以多种形式存在,既以无机形式存在,也有部分以有机形式存在.无机钠有多种存在形式,如氯化钠晶体形式和水合离子形式等;有机钠则分为以羧酸盐形式存在的钠和以配位形式出现在煤结构的含氮或氧官能团上的钠等.对煤中钠存在形式的分析普遍采用萃取方法,萃取液主要有稀盐酸、水和醋酸铵.稀盐酸能溶解除硅铝酸盐以外的其他无机钠和有机钠;以水作为萃取液可以萃取出以氯化钠晶体和水合离子形式存在的无机钠;醋酸铵除了可以萃取水溶性钠外,还可以萃取以羧酸盐形式存在的有机钠.一般认为,不可溶钠以硅铝酸盐形式存在.通过萃取研究发现煤阶、显微组分和氯含量为煤中钠存在形式的主要影响因素,这主要是由成煤物质和煤化过程中周围环境等造成的.2.1洗涤剂溶液用量对脱钠效果的影响根据离子运动的规律,钠离子在该洗涤溶液和煤组成的体系中,往往由浓度高的一边向浓度低的一边运动扩散,所以在相同的加煤量下,洗涤溶液用量对脱钠效果具有较大的影响,因此,本部分考察加煤量和洗涤溶液用量的比例关系对脱钠效果的影响.实验在准东煤颗粒粒度为3mm~6mm,温度为100℃,停留时间为10min,加煤量为20g条件下,考察了不同洗涤溶液用量下的脱钠效果,结果见图2.由图2可知,钠脱除量随着洗涤溶液用量的增加而增大,脱除率也随之上升,最后趋向平缓,这与相关理论较为符合.随着洗涤溶液用量的加大,相应的溶液中钠浓度降低,煤颗粒表面和孔隙中存在的可溶钠(NaCl晶体及水合离子Na等)随着洗涤溶液用量的增加更容易脱除.但是,当洗涤溶液与煤质量比为5时,洗涤溶液用量的增加对脱钠效果的作用减弱.由此可知,洗涤溶液对准东煤中钠的脱除效果主要受到准东煤中钠脱离煤炭主体向洗涤溶液中的扩散速度限制.2.2不同洗涤剂时间对钠脱除量的影响为了具体考察洗涤时间对准东煤脱钠的影响规律,实验在加煤量为20g,煤粒度为3mm~6mm,温度为100℃,洗涤溶液用量为40g下,测试了洗涤时间为2min~30min的钠脱除量,结果见图3.由图3可知,在洗涤时间较短(10min以内)的情况下,钠脱除量几乎相同,而10min后,钠脱除量有所上升;在20min后,钠脱除量基本上达到相同水平,这主要是因为煤颗粒表面的钠与洗涤溶液接触,能快速被洗涤溶液脱除,所以在一定时间内会有一个基本脱除量.由于准东煤具有一定的孔隙结构,所以后期的洗涤时间主要由洗涤溶液扩散进孔隙内时间与孔隙中钠与扩散进来的洗涤溶液接触并由孔隙扩散到煤颗粒外溶液时间两部分组成.因此,在10min后,钠脱除量会有一个上升过程,最后钠脱除量趋向饱和.2.3温度和压力对准东煤脱钠效果的影响实验首先单独考察了压力对准东煤脱钠效果的影响.实验条件如下:加煤量为20g,粒度为3mm~6mm,洗涤溶液用量为40g,恒温时间为10min,结果见表3.由表3可知,在常温下,随着压力的变化,钠脱除量差别较小,脱除率基本没有变化.由此可知,为了达到较高的脱钠效果,必须在保证洗涤溶液不蒸发的情况下提高温度.在常压条件下考察温度为30℃~100℃对准东煤脱钠效果的影响.实验条件如下:加煤量为20g,粒度为3mm~6mm,洗涤溶液用量为40g,恒温时间为10min,压力为0.1MPa,结果见图4.由图4可知,在常压下,一定时间内,随着温度增加,钠溶解加快,钠进入洗涤溶液中的扩散速度增加,准东煤脱钠效果较好.但是,受钠在准东煤颗粒孔隙内的洗涤溶液中向外扩散速率的限制,导致温度从20℃增加至100℃对其脱钠效果影响并不显著.在其他条件不变的情况下,考察温度在100℃~200℃压力对准东煤脱钠效果的影响,实验选择在密闭容器中进行,压力为对应温度洗涤溶液的饱和蒸汽压,结果见图5.温度和压力对无机盐溶解、离子和分子扩散运动都是一个重要的影响因素.由图5可以看出,随着温度从100℃继续上升,饱和蒸汽压增大,钠脱除量快速增加,脱除率明显上升,特别是在200℃时,效果更加明显.这主要是因为随着温度的增加,洗涤溶液脱除可溶性无机钠及部分有机钠(羧酸钠、配位形式的钠等)的能力增加;同时,在较高温度和压力的作用下,煤结构中以较弱键结合的侧链和一些含氧官能团可能分解,析出二氧化碳等气体,将准东煤孔隙中的高钠浓度洗涤溶液驱除出孔隙,大大降低了处理后准东煤中的钠含量;另一方面,在压力的作用下,洗涤溶液更容易进入煤的孔隙中,可将较多的钠从准东煤孔隙中带出而使之脱离准东煤颗粒.2.4煤中脱钠效果的分析为考察不同温度条件下搅拌对准东煤脱钠效果的影响,实验选择在密闭容器中,不通氮气,加煤量为20g,粒度为3mm~6mm,洗涤溶液用量为40g,恒温时间为10min,温度为100℃~200℃,压力为相应温度下的饱和蒸汽压,搅拌转速为550r/min条件下测试了脱钠效果,结果见图6.由图6可知,在130℃下,温度和压力增加以及搅拌对钠脱除量的贡献并不是很明显,这是由于温度较低时煤结构中以较弱结合的侧链和一些含氧宫能团尚未分解,孔隙结构中钠的扩散阻力依然较大;随着温度和压力增加,搅拌对钠脱除效果增加较为明显.在较高温度和压力下,由于搅拌速度过大,搅拌桨叶打碎了煤颗粒,煤和洗涤溶液的接触面积增加.同时,由于煤颗粒尺寸的减少,钠向洗涤溶液中的扩散距离减少,内扩散限制减弱,使煤中的钠容易脱离煤炭主体进入溶液中.但是若颗粒太小,细小颗粒会吸附大量的洗涤溶液,使得钠的脱除量反而比粗颗粒时的低.3东煤中钠的扩散速率1)准东煤中的钠多以可溶性形式存在,且若煤种的孔隙结构发达,则更有利于洗涤溶液进入煤炭主体内部对煤中钠进行脱除.2)温度是准东煤脱钠的主要影响因素,而洗涤溶液用量、洗涤时间、压力和煤炭颗粒尺寸对准东煤脱钠影响较小.钠脱除量随着洗涤溶液用量的增加而增大,但是当到洗涤溶液与煤质量比为5以上时,洗涤溶液用量的增加对钠脱除率上升的贡献急剧降低,表明该洗涤过程主要受准东煤中钠由煤炭孔隙内向溶液中的扩散速率限制;温度对脱钠效果的影响显著,随着温度增加,脱钠效果提高.3)实验所选择的准东煤是一种孔隙结构较不发达、钠含量却很高的煤种,在合适的预处理条件下成功地将该煤种中的钠含量降