洁净煤--整理介绍

第一节洁净煤技术基本概念及框架体系 1.洁净煤技术(Clean Coal Technology,简称CCT)的概念是20世纪80年代中期美国首先提出的,是指在煤炭开发和加工利用全过程中旨在减少污染与提高利用效率的加工﹑燃烧﹑转换及污染控制等技术的总称,是使煤作为一种能源应达到最大限度潜能的利用,而释放的污染物控制在最低水平,达到煤的高效清洁利用的技术。 2.我国煤炭工业洁净煤技术重点发展为4个领域10个方面,即煤炭加工:选煤、型煤、动力配煤、水煤浆;洁净燃煤:循环流化床锅炉;煤炭转化:煤炭气化(含地下气化)与煤炭直接液化;资源化利用:煤矸石综合利用、矿井水与煤泥水净化及利用和煤层气开发利用。 3.清洁生产是将污染预防战略持继地应用于生产全过程,通过不断地改善管理和技术进步,提高资源利用率,减少污染物排放,以降低对环境和人类的危害。清洁生产的核心是从源头抓起,预防为主生产全过程控制,实现经济效益和环境效益的统一。 清洁生产的内容包括清洁的能源、清洁的生产过程以及清洁的产品三个部分。 4.国内洁净煤技术研究发展现状在有关部门的配合与支持下,我国洁净煤技术开发、应用、推广方面有显著的进展。主要表现在:煤炭的深加工有所进步,煤炭入洗比重逐年提高;工业型煤和水煤浆技术开发和应用开始起步,已有示范性项目投入使用;煤炭气化技术已比较成熟,煤气已成为城市民用燃料的重要组成部分;正在进行煤炭液化的性能和工艺条件试验,以及煤炭液化商业性示范厂的可行性研究。但是,我国在洁净煤技术研究和产业化方面还存在许多问,主要是我国洁净煤技术层次不高,还没有形成推进洁净煤技术产业化的有效,推进洁净煤技术产业化的法规不健全,政策不配套,措施不具 体,力量不集中,资金筹集渠道不畅。 5.发展洁净煤技术的重大意义 首先,采用煤炭加工技术,可有效降低原料煤的灰分和硫分,实现煤炭燃前脱硫降灰,大幅度减少大气污染物排放,减少煤炭利用的外部成本。 其次,发展煤基合成燃料可以促进能源供应来源的多样性,改善单一的能源结构,在相当程度上缓解我国石油、天然气供应不足的问题,且经济投入和运行成本大大低于采用石油和天然气,有利于我国清洁能源的发展及长远的能源安全。 第三,洁净煤技术汇集了电子、信息、自动化、环境科学等高新技术,已不再是传统的煤利用技术。 总之,洁净煤技术的开发与应用正处方兴未艾之势,国民经济和社会发展第十个五年已将洁净煤技术列为能源建设的重要内容,我国洁净煤技术将进入产业化发展阶段。 二.主要讲述煤岩学基础;煤的主要性质;我国煤炭质量和煤的分类;煤的主要质量分级及工业用煤质量标准等。 要求掌握煤的水分、灰分、硫分、挥发分、发热量、热稳定性、煤灰熔融软化温度等概念、煤的主要元素组成和灰成分有哪些、各种化验基准及相互换算关系; 一般熟悉我国煤炭的主要分类、煤的主要显微组成及煤岩类型、煤的灰分分级标准、硫分分级标准、挥发分分级标准、发热量分级标准; 了解中国煤质特征、各种煤主要用途、其它煤的质量分级标准、各种工业用煤质量标准等。 1.煤岩学是一门研究可燃岩石的学科,是用肉眼或运用光学仪器来研究自然状态下固体可燃矿产并作为有机岩石加以研究的学科。 2.整个成煤作用可划分为两个阶段:泥炭化/腐泥化作用和煤化作用。 3.煤的显微组分按其成因和工艺性质的不同,大致可分为镜质组、壳质组和惰质组三大类。 4.煤中矿物质可分为三类。 (1)植物成因的原生矿物质:来自原始植物的无机成分。 (2)陆源碎屑成因的矿物质:煤化作用第一阶段或煤矿床形成时由水或风带入其中的无机成分。 (3)化学和生物化学成因的矿物质:煤化作用第一阶段的同生-成岩矿物和煤化作用第二阶段形成的次生、后生矿物。 5.按矿物成分和性质,可将煤中矿物质分成以下几种类型。 (1)粘土类矿物:常见的粘土类矿物有高岭石、水云母、伊利石等。 (2)硫化物类矿物:此类矿物包括黄铁矿、白铁矿等。 (3)碳酸盐类矿物:主要包括方解石和菱铁矿。 (4)氧化物类矿物:氧化物类矿物主要是石英等。 (5)硫酸盐类矿物:硫酸盐类矿物主要是石膏。 6.煤中的水分:煤中的水分可分为游离水和化合水。煤中游离水是指与煤呈物理态结合的水,它吸附在煤的外表面和内部孔隙中。 7.灰分:将煤在815℃的条件下完全燃烧后所得的残渣为煤的灰分,用A表示。测定灰分时所用的煤样是粒度小于0.2mm的空气干燥基煤样,因此测定结果是空气干燥基的灰分产率,用Aad表示。 8.煤的发热量:也称煤的热值,是指单位质量的煤完全燃烧后所释放出的热能,用KJ/g或MJ/g表示。一般采用氧氮法测定煤的发热量,用Qb,ad表示,即弹筒发热量。为了得到接近实际的发热量值,需对弹筒发热量进行校正,发热量均是指恒容发热量。 第二章煤炭洗选、脱硫与动力配煤 要求掌握动力配煤基本原理及其优化、动力配煤的固硫技术; 熟悉煤炭洗选新工艺、新方法、新设备。 了解贵州煤炭洗选现状及发展趋势。 1.根据工业锅炉对煤质的特定要求, 将几种不同性质的单种煤, 按一定比例进行配合而得到一种对锅炉燃烧最有利的燃料煤, 就称为动力配煤。 2.动力配煤的主要优点 煤炭作为燃料使用, 一般都应按照就地取材, 就近使用的方针, 充分利用当地的煤炭资源, 特别是一些低质煤和小窑煤都要充分利用, 但这些煤往往因为质量较差和质量不稳定, 造成使用困难, 也使锅炉热效率大大降低, 采用动力配煤可以使用户得到质量稳定的煤炭, 即使煤炭质量差些, 如能保证煤质稳定, 用户也可通过改造锅炉和提高司炉工人的操作技术, 掌握燃用一定质量煤炭的最佳条件, 使质量较差的煤也能充分发挥其作用, 使煤的利用效率和锅炉热效率得到提高。另外, 在进行配煤时还可使煤中块末分开, 将块煤以较高价格供给需用块煤的用户以提高经济效益, 这样即可实现煤炭的就近使用, 节约运力, 物尽其用, 使煤炭得到合理的利用。 3.动力配煤的原则 1) 生产的配煤必须满足工业锅炉的基本要求使煤质与锅炉特点相适应, 并能保证配煤质量有相对的稳定性; 2) 配煤要有利于提高锅炉热效率, 保证锅炉的正常出力,以节约煤炭; 3) 本着节约优质煤的原则, 在配煤中要尽量扩大低质煤的比例, 做到物尽其用; 4) 要注意延长锅炉寿命和保护环境, 配煤中的硫分要控制合适的界限; 5) 要充分考虑尽量缩短煤炭运输距离, 就近找煤, 以缓解运输紧张局面; 6)配煤品种要尽可能地少些, 以简化配煤工艺, 降低配煤成本。 4.动力配煤的优化设计 动力配煤的优化设计的原则是在一定约束条件下追求目标函数的极值, 具体 分为四个步骤: 即确定约束条件, 确定目标函数, 建立数学模型和解出最优配方。 1) 确定约束条件:工业锅炉对煤质的各种指标都有特定的技术要求, 这就是动力配煤的基本约束条件。 2) 确定目标函数:目标函数的确定是依据实际情况, 针对所要达到的目标而确定, 5.在动力配煤中应追求的目标主要有以下三方面: (1) 追求成本最低 (2) 追求优质煤配比最小 (3) 追求低质煤配比最大 6.动力配煤的固硫技术 1、国内外燃煤脱(固)硫技术现状 燃煤脱(固)硫技术可分为三大类:①燃烧前脱硫,如选煤等;②燃烧中脱(固)硫,如工业型煤固硫、动力配煤加固硫剂固硫、炉内喷钙、循环流化床固硫等;③燃烧后脱硫,即烟气脱硫。 1)燃烧前脱硫 该方法可分为物理法、化学法及生物法三大类。 2)燃烧后脱硫(FGD) FGD技术主要是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中的SO2,并使其转化为较稳定的硫的化合物或单体硫。 3)燃烧中脱硫 该技术使在煤中添加一定的固硫剂,将煤在燃烧气化时生成的气态硫氧化物在炉内吸收,气相中残存的硫氧化物与刚进入炉内的脱硫剂接触而被吸收,这样排出的气体中二氧化硫含量就大大降低了。这种方法可大大减少燃烧后脱硫设备,但固硫剂部分或全部参与燃烧过程,将会影响煤的燃烧性能。此外,固 硫剂中的碱性物质等的利用率低,以及形成的硫酸盐的再分解等,导致脱硫效果下降。目前,使用最普遍的是以石灰、石灰石、方解石、白云石等为主的钙系固硫剂。 第三章型煤 型煤的概念、种类;型煤粘结剂;民用型煤和工业型煤在我国的应用情况及特点。 要求掌握型煤常用的粘结剂;熟悉型煤的工艺;了解型煤的分类。 1.型煤是用机械方法,将粉煤制成具有一定强度和形状的煤制品。型煤按用途可分为两大类:民用型煤和工业型煤。 2.型煤粘结剂不同用途的型煤对粘结剂有一定的要求,型煤粘结剂通常应具备如下条件: (1) 粘结能力强、流动性好、在煤粒表面易扩散、分布均匀; (2) 能很好润湿煤表面也且增加粒子间的作用力; (3) 来源广、价廉、无污染; (4) 无机物含量低、尽量少增加型煤灰分、固硫效果好; (5) 制备工艺简单; (6) 使型煤具有抗湿防水性能。 根据其基本性质可分为四大类。 (1)有机粘结剂: 焦油、沥青、淀粉、腐植酸、本质素磺酸盐、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚氨酶等。 (2)无机粘结剂: 粘土、膨润土、高岭土、石灰、水玻璃、石膏、水泥、氯化纳等。 (3)工业废物粘结剂: 纸浆废液、制糖废液、制革废液、酿酒废液、糠隆渣、电石渣、血浆、生化污泥等。 (4)复合粘结剂: 粘土一纸浆废液、淀粉一膨润土、麦秸一石灰等上述2 种或3种粘结剂的复合物。 3.工业型煤的种类 1、造气型煤 2、锅炉型煤 生产分为集中成型和炉前成型。后者成型工艺简单,通常 无需加粘结剂,不用烘干,使型煤生产成本大幅度降低, 得 到越来越多的用户欢迎。 3、型焦及炼焦配用型煤 4.粉煤热压成型利用煤在加热过程中产生的胶质体作为粘结剂将煤制成型煤。热压成型工艺按加热的方式可分为气体热载体快速加热热压成型工艺和固体热载体快速加热热压成型工艺两大类。 第四章水煤浆技术 水煤浆的概念、产生及发展;煤的成浆性;水煤浆的制浆工艺及添加剂;水煤浆在贵州省的应用。要求掌握煤的成浆性及制备技术;熟悉水煤浆添加剂。了解水煤浆的产生及发展、水煤浆管道输送和水煤浆在贵州的应用。 1.把洗选后的低灰分精煤加工研磨成微细煤粉,按煤约70%,水约30%的比例和适量(约1.0%)的化学添加剂配制而成的一种煤水混合物,这种煤水混合物又称水煤浆(CWS)或煤水燃料(CWF) 。 2.水煤浆特性水煤浆作为流体燃料,煤质一定后,其流体特性直接影响到它的贮存、运输及燃烧,通常用以下指标描述水煤浆流体特性。 1)水煤浆浓度:即水煤浆中固体含量,通常用重量百分数表示。水煤浆的浓度确定需根据煤质、制浆工艺及燃烧要求综合考虑,一般水煤浆浓度在62%~70%之间。 2)水煤浆流变性: 3)水煤浆的稳定性 它直接影响到水煤浆的贮存、运输和燃烧。其稳定性要求根据用户距水煤浆生产厂的距离及燃烧要求确定,一般在一个月以上。 3.影响水煤浆特性因素主要有煤的煤质特性、煤粉的粒度组成、添加剂的类型及数量、水质、制备工艺(磨制工艺、设备、搅拌强度、时间等)、温度等,对水煤浆产品总的要求是在较低粘度和较好稳定性下,尽量提高其浓度。 4.改善煤成浆性的措施 (1)配煤成浆(2)压力处理(3)热力处理(4)新型添加剂的研究与应用。 5.分散剂的主要作用是改变煤表面亲水性,降低煤水界面张力,使煤粒充分润湿和均匀分散在少量水中,改善CWM的流动性,降低CWM的粘度。 6.水煤浆添加剂化学添加剂主要作用在于(1) 改变煤颗粒间的表面性质,提高煤炭表面的亲水性,降低煤水界面间的张力;(2) 促使煤粒表面能更容易被水润湿, 使煤颗粒均匀地分散在水中,防止颗粒团聚;(3)借助于添加剂调节煤浆的酸碱度、消除浆体中的气泡和有害成分等不利因素。 制浆时所用添加剂,按其功能不同,有分散剂、稳定剂、及其他一些辅助化学药剂,如消泡剂、PH调整剂、防霉剂、表面改性剂及促进剂等多种。在这些添加剂中,不可缺少的是分散剂与稳定剂。 7.水煤浆添加剂 化学添加剂主要作用在于(1) 改变煤颗粒间的表面性质,提高煤炭表面的亲水性,降低煤水界面间的张力;(2) 促使煤粒表面能更容易被水润湿, 使煤颗粒均匀地分散在水中,防止颗粒团聚;(3)借助于添加剂调节煤浆的酸碱度、消除浆体中的气泡和有害成分等不利因素。 制浆时所用添加剂,按其功能不同,有分散剂、稳定剂、及其他一些辅助化学药剂,如消泡剂、PH调整剂、防霉剂、表面改性剂及促进剂等多种。在这些添加剂中,不可缺少的是分散剂与稳定剂。 分散剂的作用机理分散剂是一种可促进分散相(如水煤浆中的煤粒)在分散介质(如水煤浆中的水)中均匀分散的化学药剂。在水煤浆制备中分散剂的主要作用是降粘。分散剂的作用机理可从三个方面即润湿分散作用、静电斥力分散作用和空间位阻力与熵斥力分散作用得到解释。 (1)润湿分散作用润湿是指固体表面上的气体被液体取代的过程,在讨论水煤浆问题时,润湿是指煤炭表面为水所润湿。 (2)静电斥力分散作用当颗粒相互接触时,如果没有其他力量的阻挡,聚结是不可避免的。微小粒子的热运动为颗粒间相互碰撞、接触创造了机会。 (3)空间位阻与熵斥力分散作用所谓空间位阻分散作用,是指使煤粒表面吸附一层物质如添加剂、分子等,这样就在颗粒间增加了一层障碍,当颗粒相互接近时,可机械地阻挡聚结。制浆用分散剂都是一些表面活性剂,一端是由碳氢化合物构成的非极性的亲油基,另一端是亲水的极性基。非极性基疏水端易与煤炭表面结合,吸附在煤粒上,将另一端亲水基朝水。使煤粒的疏水表面转化为亲水表面,形成一层水化膜。使颗粒之间形成一种空间位阻。 2、分散剂 分散剂是最重要的化学添加剂,它一般是具有亲水基的物质,其作用主要是靠煤非极性表面天然疏水作用对分散剂疏水部分的吸附,使其亲水基朝外,以大大提高煤粒表面的润湿性,增厚稳定的水化膜,这种吸附作用也同时导致煤表面电性变化。但是,某种分散剂对某种煤制浆性能的好与坏,主要取决于煤表面对分散剂吸附能力以及这种分散剂亲水基的强弱。 分散剂属表面活性剂,大致可分离子型( 阳离子型、阴离子型) 和非离子型两大类。用于水煤浆的分散剂主要是阴离子和非离子型。阴离子型分散剂主要包括磺酸盐、羧酸盐及少量磷酸盐类;普遍应用的是荼黄酸盐、磺化腐植酸盐,木质素磺酸盐和烯烃磺酸盐等。这类阴离子型分散剂亲水基多为具有碱 性的钠离子,其分散性能多不如非离子型,但由于原料来源较为广泛,生产工艺简单,价格低廉。非离子型分散剂,其特点是分子量大。这类分散剂分子的亲水端是聚氧乙烯链或再配以少许的磺酸基;亲固端是烷基、烷基苯或烷基苯羧酸等。此类分散剂的主要优点是亲水性好, 分子量和质量易调节、控制,不受水质及煤中可溶性物质的影响,但价格昂贵,一般用量在0.5% 以上。对分散剂要求是:稳定性好,煤种适应性强,用量少,效能高,降粘效果明显;此外,价格也要经济。 3、稳定剂水煤浆的稳定性是指煤浆在储存与运输期间保持性态均匀的特性。水煤浆的稳定剂应具有使煤浆中已分散的颗粒能与周围其他颗粒及水结合,成为一种较弱但又有一定强度的三维空间结构作用。稳定剂应在加入分散剂经捏混搅拌后,再另行加入。能起这种作用的稳定剂有无机盐、高分子有机化合物。如常见的聚丙烯酰胺絮凝剂,羧甲基纤维素以及一些微细胶体粒子(如有机膨润土)等。一般用量为煤量的几万分之几至几千分之几。 4、其他辅助添加剂由于分散剂往往同时具有起泡作用,而煤浆中的气泡对浆体流动性有害,所以当分散剂带有较强的起泡性能时,需补加消泡剂。制浆时常用的消泡剂有醇类及磷酸酯类。为了取得较好的制浆效果,制浆时往往要调整煤浆的PH值,制浆时以弱碱性的溶液环境较好。助剂可改变煤炭表面性质、促进添加剂分子更好地在煤粒表面吸附。 一、名词解释: 1.洁净煤技术 2.清洁生产 3.动力配煤 4.选煤 5.型煤 6.水煤浆 7.型煤的自成型模式要使工业锅炉能普遍使用型煤, 节约能源, 就必须完全抛弃原有型煤的制作模式, 采用无粘结剂, 不经运输, 直接入炉的炉前成型模式, 也叫自成型模式。 8.水煤浆的级配技术级配技术为水煤浆产品中颗粒大小的组成情况,将原料煤磨成水煤浆产品,要求产品的粒度组成有较高的堆积效率,堆积孔隙最小,大颗粒间孔隙被小颗粒充填,以次减少空隙的水量,提高制将浓度,改善产品流动性。 二、简答题 1、煤的工业分析包括哪些? 2、什么是煤的水分、灰分、挥发分、发热量、硫分? 3、简述煤的分类? 4、煤中主要由哪些元素组成? 5、何为煤的密度、机械强度、热稳定性、粘结性、结焦性? 6、动力配煤优化设计的步骤是什么? 7、反映煤的煤化程度的指标有哪些? 8、型煤粘结剂有那几种类型? 9、影响水煤浆特性的因素有哪些? 10、水煤浆制浆方法的主要环节及功能有哪些? 三、计算题 1、如有两种煤(A种煤和B种煤)其煤质和锅炉对煤质的技术要求见下表。(12分) 技术指标煤种Vdaf(%)Qnet,ar(MJ/KgAar(%)A煤18.928.9513.62B 煤50.812.0342.57动力配煤25~4020~2310~30要求配入的优质煤最少。试求两种煤的配比? 2、已知某种煤的Mad为1.9、HGI为70,求制浆浓度,并判断其可成浆 性? 3、若已知Qb, ad=35MJ/Kg,St,d=1.5%,Hdaf=3.5%,Mad=2.3%, Mt=9%,Ad=20%。试求Qnet, ar? 四、论述题 煤泥资源化利用; 煤矸石资源化利用; 固硫剂研究; 水煤浆分散剂研究; 第五章煤的气化技术 煤的气化原理;气化用煤的特性;煤气化工艺分类,移动床、流化床、气流床和地下气化煤气化典型工艺以及煤气化技术的应用。要求掌握煤气化的基本原理。熟悉气化用煤的特征;煤气化工艺分类。了解典型煤气化工艺;煤气化技术的应用。 1.煤气化是指煤在一定的温度和压力下,通过加人气化剂而被转化为煤气的过程。它包括煤的热解、气化和燃烧。煤的热解是从固相变为气、固、液三相产物的过程,而煤的气化和燃烧包括两种类型反应:(1)非均相气固反应,气相可能是最初的气化剂,也可能是气化或燃烧过程的产物,固相主要指煤中炭。(2)均相的气相反应,反应物包括气化剂和反应产物。 2.煤气化工艺分类 1、按煤料与气化剂的接触方式,煤气化工艺可分为: 1)固定床气化。也称为移动床气化。因为在气化过程中,煤料与气化剂逆流接触,相对于气体的上升速度而言,煤料下降很慢,甚至可视为固定不动,因此称之为固定床气化;而实际上,煤料在气化过程中确是以很慢的速度向下移动的,故又称其为移动床气化。 2)流化床气化。它是以小颗粒煤为原料,并在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中,煤粒类似于沸腾的液体而剧烈地运动,从而使得煤料层内几乎没有温度梯度和浓度梯度。 3)气流床气化。这是一种并流气化,用气化剂将煤粉带人气化炉内,也可将煤粉先制成水煤浆,然后用泵打人气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下被气化剂气化,灰渣以液态形式排出气化炉。 4)熔浴床气化。也称熔融床气化,它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷人温度较高且高度稳定的熔池内,且池内熔融物保持高速旋转。作为粉煤与气化剂的分散介质的熔融物可以是熔融的灰渣、熔盐或熔融的金属。 移动床煤气化工艺 3.移动床煤气化工艺是以块煤为原料。煤料与气化剂分别从气化炉的顶部和底部人炉,煤气和灰渣则分别从气化炉的顶部和底部出炉。煤料与气化剂在气化炉内逆流接触,煤气中的大部分显热用于煤料的干燥与干馏,而灰渣的大部分显热用于气化剂的预热。因此,这是一种比较理想的煤完全气化方式。 第六章煤的液化技术 要求熟悉煤的直接液化和煤的间接液化概念。了解直接液化和煤的间接液化工艺。 1.煤的直接液化是煤在适当的温度和压力下,催化加氢裂化(热解、溶剂萃取、非催化液化等)成液体烃类,生成少量气体烃,脱除煤中氮、氧和硫等杂原子的深度转化过程。典型的工艺主要包括原料煤的破碎与干燥、煤浆制备、加氢液化、固液分离、气体净化、液体产物分馏和精制以及液化残渣气化制取氢气等部分。直接液化的主要产品是优质汽油、喷气燃料油、柴油和芳烃以及炭素化工原料,并付产燃料气、液化石油气、硫磺和氨等。工艺热效率高达70%。 2.煤的间接液化是以煤基合成气(CO+H2)为原料,在一定的温度和压力下,定向地催化合成烃类燃料油和化工原料的工艺,包括煤炭气化制取合成气、气 体净化与变换、催化合成烃类产品以及产品分离和改质加工等过程。典型的工艺是F-T合成法,又称CO加氢法。