型煤的發(fā)展及應用

型煤的發(fā)展及應用

作為世界上最重要的煤炭大國，中國的煤炭產量占世界煤炭產量的37%。雖然量大,但我國人均煤炭資源相對較低。我國的資源特點是“富煤、貧油、少氣”,因此,煤炭是主要能源,占一次能源生產和消費總量分別為76%和69%。在未來相當長的時期內,我國能源結構仍將是以煤碳為主。我國煤炭的消費主要是直接燃燒,煤炭的直接燃燒造成了我國典型的煙煤型污染狀況。據(jù)國家環(huán)保局統(tǒng)計,目前由于SO2污染產生的酸雨危害面積已達到國土總面積的30%,全國年均降水pH值低于5.6的城市地區(qū)已占全國面積的70.6%。除此之外燃燒排放的煙煤也對人體健康造成嚴重危害,煙煤既可以直接作用于呼吸系統(tǒng),誘發(fā)和加重慢性阻塞性肺炎,也可以間接地作用在其他系統(tǒng),造成死亡率的增加,這不容忽視。目前,我國煤炭利用技術十分落后,表現(xiàn)在工業(yè)用燃料方面和城鄉(xiāng)居民生活用煤方面的直接燃燒。但由于燃用煤炭的嚴重浪費、低效率、污染物排放多,而造成經濟效益較差,同時在環(huán)保方面很不樂觀,表現(xiàn)更突出的是原煤中的煤末直接入爐燃燒,效益更差,污染更為嚴重。基于以上,我們不論是從環(huán)境保護還是從節(jié)約能源角度看,發(fā)展?jié)崈裘菏且粋€毫無疑問、有絕對必要的舉措。它不僅可以實現(xiàn)經濟能源可持續(xù)發(fā)展,還能保護環(huán)境,造福子孫后代。潔凈煤的核心技術領域是煤炭的高效潔凈燃燒,從我國國情出發(fā),發(fā)展和使用型煤又是節(jié)約能源、增加經濟效益和保護環(huán)境的合理有效措施。從目前我國型煤的研究和應用來看,由此帶來的節(jié)能、環(huán)保效益均十分明顯,因此,發(fā)展型煤是勢在必行。型煤燃燒技術的主要優(yōu)點有:(1)原料充足:現(xiàn)今機械化采煤造成了資源的劣質化,所產生粉煤含量較高,這不僅增加了煤炭應用中的困難,也大大降低了企業(yè)的經濟效益。將這些煤粉利用起來制成型煤具有積極意義;(2)能改變單一煤種的性能缺陷:在制造型煤的過程中都會加入適當?shù)呐淞?這樣就能生產出在諸如著火點、灰熔點、灰分、硫分、揮發(fā)分及固定碳發(fā)熱量等指標方面表現(xiàn)優(yōu)良的型煤制品;(3)固塵和固硫效果明顯:在燃燒過程中,型煤生產中加入的粘結劑和固硫劑會將煤中的大部分硫分固化于燃余灰燼中,也降低了粉塵的排放量;(4)提高煤炭的燃燒效率:型煤制品在制型上較為合理,可以充分保證燃料間的空隙率,由此來提高燃燒效率。(5)擴大原煤的使用范圍:我國不準開采和使用的但蘊藏量較多的高硫煤資源。但是以配煤方式和加入高效固硫劑的方式將它制作成型煤,就可以成為可利用的資源了;(6)能完全滿足環(huán)保要求:在鍋爐用型煤使用中,據(jù)相關統(tǒng)計資料顯示,使用型煤能節(jié)約20%燃料,煙塵排放量降低了60%,SO2的排放量降低了60%,環(huán)保效果明顯;(7)可以將大量廢料回收利用:型煤的生產需要粘結劑,而大量的工業(yè)廢料和農業(yè)廢料就可以滿足,這樣廢料利用,變廢為寶,大大降低了型煤的生產成本,與此同時也減少了廢料對環(huán)境的污染;(8)型煤產業(yè)投入少、見效快:型煤生產制造工藝簡單,建廠投資少等等。綜合上述種種優(yōu)勢,發(fā)展型煤產業(yè)是最適合我國國情的具有廣泛性的潔凈煤技術。1國外型煤生產設備許多國家如前蘇聯(lián)、美、英、德、法、日、韓國等國,早已經設有型煤研究機構和生產廠家,在褐煤成型、型焦生產、鍋爐和機車型煤應用等方面,已取得了許多成果。前蘇聯(lián)在1985年型煤產量己超過1.3億t。美國在懷俄明州建的型煤研究基地研究了世界150個煤種,同時也在此生產了其中50個煤種。英國在“倫敦煙霧事件”發(fā)生后,開始著手研究開發(fā)多種型煤工藝,制取無煙燃料成功地解決了煤煙污染。德國在20世紀初,用年輕褐煤采生產褐煤磚。法國在1861年就建有型煤廠,到1976年生產能力達4Mt,目前有6個型煤廠。日本在1933年開始工業(yè)生產蒸汽機車用型煤,這樣節(jié)約了大量煤炭資源。韓國于20世紀60年代開始普及使用型煤,政府也在各個方面大力扶植型煤產業(yè)的發(fā)展,80年代是型煤的高峰時期,韓國的型煤產量達2400萬t。目前,國外對于型煤的發(fā)展從未停止,生物質型煤技術的研究是現(xiàn)今一大熱點。2免烘干無煙煤造氣型煤技術的進展我國從20世紀50年代為了節(jié)能和減少污染開始研究民用型煤,主要是蜂窩煤。20世紀60年代由于工業(yè)上的需求,開始著手研究并生產工業(yè)領域方面使用的型煤。在“七五”期間國家組織多項工業(yè)型煤技術攻關,此期間研究出多種型煤成型工藝、粘結劑技術。進入20世紀80年代,進入發(fā)展無煙煤型煤技術的新階段。在“八五”期間及以后,免烘干無煙煤造氣型煤技術取得可喜進展。目前中國的型煤技術除能“固硫”、“清潔”、“高效”、“快速點燃”、“型煤代焦”等外,已達到可以控制型煤的燃燒性能,如控制燃燒溫度、速度等,以及改善型煤的結渣性、結焦性,反應活性、熱穩(wěn)定性等性能。雖然我國型煤技術發(fā)展較為迅速,但是還是要看到很多不足。在型煤技術的深度研究和產業(yè)化方面還存在諸多問題,主要表現(xiàn)在我國潔凈煤技術層次不高,還沒有形成推進型煤產業(yè)化的有效機制和推進型煤技術產業(yè)化的法規(guī),同時政策不配套、措施不具體、力量不集中和資金籌集渠道不暢等問題。21世紀以來,在國外優(yōu)良的型煤技術不斷進入中國大好機遇,我國在生物質型煤技術、環(huán)保固硫型煤、型煤粘結劑及煙煤型煤技術等方面都取得了巨大進展,強有力地促進了我國型煤技術的發(fā)展。同時各種型煤技術也在不斷完善,不斷細化,努力趕上世界型煤技術發(fā)展的腳步。3粘結劑的選擇型煤的粘結劑就是把煤粉黏結在一起,成型后保證型煤具有特定的形狀和性能的粉狀或液態(tài)的型煤輔助原料。在型煤技術的發(fā)展中,型煤添加劑的研究與應用具有重要的作用,而粘結劑又是添加劑中最主要的一種。大部分粉煤成型必須添加粘結劑,優(yōu)良的粘結劑不僅可提高型煤性能,而且還可簡化成型工藝。不同用途的型煤對粘結劑有一定的要求,民用型煤對粘結劑要求較低,只需要型煤成型后有一定的強度,能保證短距離的周轉和倉儲,同時具有一定的熱強度,對含碳量、發(fā)熱量要求較低。與此相比工業(yè)鍋爐型煤要求較高,對發(fā)熱量和含硫量有較高要求,并且必須要具備一定的熱強度和熱穩(wěn)定性,起火要快、含渣要少。造氣型煤的要求更高,難度最大,制約和影響因素較多,所以必須根據(jù)用途的不同選擇不同類別的粘結劑,才能生產出適合各種需求的合格產品。型煤粘結劑通常應具備如下條件:(1)粘結能力強、流動性好、在煤粒表面易擴散、分布均勻;(2)粘結劑在型煤中不增加灰份和不降低發(fā)熱量;(3)能使型煤有較好的防水性(不吸潮、不吸水);(4)制備工藝簡單;(5)來源廣、價廉、無二次污染。目前很難找到同時具有良好氣化性能,滿足冷強度要求,而且還不產生二次污染,不增加太多灰分,最好還要有催化氣化等作用的型煤粘結劑。3.1根據(jù)粘合劑和機械論主要分為水化結合、化學結合、縮聚結合、粘附結合和凝聚結合。3.2根據(jù)粘合劑的性質分類一般分為:無機粘結劑、有機粘結劑、合成高分子粘結劑、工業(yè)廢物粘結劑和復合粘結劑。3.2.1煤炭工業(yè)用水泥生產用煤為原料的法如水玻璃、粘土、石灰、高嶺土、膨潤土、水泥、陶土、石膏以及氯化納等各類無機鹽等。這類粘結劑價格低廉,具有一定粘結強度,并且內含的一些成分還能和煤中硫起反應,起到固硫作用,在復合粘結劑中通常是不可缺少的組成部分。但是它使型煤的發(fā)熱量降低,防潮、防水性能差,并且增加灰份。粘土和石灰(碳酸化)是最早被使用的型煤粘結劑。而石灰,是用得最廣,功能最多的粘結劑,用其制成的型煤活性好,且具有固硫作用。石灰粘結性并不強,在單獨使用時,添加量高達25%~30%。我國用型煤的小肥廠基本采用石灰碳化煤球,用Ca(OH)2制成的型煤遇CO2氣體生成CaCO3,以使型煤冷熱強度滿足要求。而國外使用石灰主要用作固硫劑或硬化劑。使用水泥作為粘結劑可獲得一定強度的型煤,在免烘干工藝中是常用的粘結劑,但是在高溫下固結的水泥因脫水而失去網絡結構,導致型煤熱強度和熱穩(wěn)定性的顯著降低。因此要控制好水泥用量、水分和養(yǎng)護方式。有些粘結劑為無機復合物,像晉城市太陽石實業(yè)有限公司的靳民主等發(fā)明的專利,以鈉水玻璃為主體,再配以重鉻酸鉀、硫酸鉻鉀、硫酸鋁鉀、硫酸亞鐵、硫酸鈉及水組成的無機復合改性劑。3.2.2生物質粘結劑這類粘結劑一般粘結性能較好,燃燒后殘余灰分少,本身能部分或全部燃燒,有一定的發(fā)熱量,但多數(shù)有機粘結劑的熱性能較差。瀝青、粘結劑和焦油。它們均具有一定的熱值,所以用它們制成的型煤不僅易儲存和運輸,強度和熱性能也都很好。瀝青和焦油目前的應用較多,煤焦油瀝青在結構上與性質上與煤相近,和煤具有很強的親合力,能夠很好地潤濕煤粒,固化后能與煤粒緊緊地粘結在一起,因此許多生產廠采用煤焦油瀝青作為粘結劑生產型煤和型焦。比如在美國通常使用石油瀝青作為粘結劑,而在歐洲通常用焦油瀝青作為粘結劑。在型煤煉焦工藝流程中,新日鐵公司用6%~7%瀝青作為粘結劑;日本住友公司用被稱為住友法或sumi-Coal法的ASP(減壓殘油和熱裂解瀝青)為粘結劑;德國用被稱為RBS法的70%粗焦油為粘結劑。20世紀70年代中葉,由于焦油瀝青需加熱熔化,且用量偏大,具有刺激性,易造成二次污染,隨著各國環(huán)保法令的頒布和實施,這一類粘結劑的應用逐漸受到限制,一些使用焦油瀝青的型煤廠或者改用其他粘結劑,或者對焦油瀝青改性,或者關閉。生物質粘結劑,生物質粘結劑的來源較為廣,例如農業(yè)上的玉米棒干及其莖、甜菜碎片、向日葵莖、木質素、木糖等,還有淀粉、土豆、高梁面粉、薯類、不溶于水的碳水化合物等。它們不僅有較好的發(fā)熱量,同時還不增加型煤的灰份,在經化學處理后具有較好的粘結性,生產的型煤燃點低,燃燒不結渣,故逐漸受到人們的重視。木碎片、鋸屑、樹木用堿金屬氫氧化物水溶液處理后最適宜作為銅精礦成型的粘結劑,但對型煤有參考價值。工農業(yè)廢料粘結劑。此類粘結劑可實現(xiàn)廢物的回收利用,降低環(huán)境污染。它們絕大多數(shù)為有機化合物或以有機化合物為主體,性能比較好,近年來廣泛應用,是型煤粘結劑發(fā)展的新趨勢。但是,單一的工農業(yè)廢棄物作為粘結劑存在一些缺陷,所以這類粘結劑若與合適的熱穩(wěn)定性劑、防水劑復合使用,將可制成高強防水及物化性質優(yōu)良的型煤,但此項工作還需深入研究。在目前用于制造型煤的工農業(yè)廢料種類很多,例如薯類廢渣、紙漿廢液、皮革及化工廠廢料、廢棄淀粉、脂肪酸殘渣、糠醛渣、生物淤泥、電石渣、制糖廢液、廢蜜糖、甘油殘泥、纖維廠的亞硫酸廢渣等。美、英等國用水解纖維素,纖維物質或用纖維素酶降解纖維素制成生物型煤粘結劑,還有一些國家則在高溫、高壓下將煤與鋸末直接混合成型。我國利用植物纖維和堿法草漿原生黑液、腐植酸鈉渣等作粘結劑,用氫氧化鈉處理稻草制備的粘結劑生產型煤。日本綠色援助計劃生物質型煤項目在我國山東臨沂礦務局得到實施,生產能力為1萬t/年,型煤供鍋爐用。腐植酸類也是很好的粘結劑選擇。土壤中有機質的主要成分是腐植質,腐植質的組成和結構,目前還沒有完全查明,但可以肯定,腐植酸是其主要的組成部份。腐植酸是由碳、氫、氧、氮等元素組成,是高分子的混合物,難溶于水,呈酸性,與強堿作用生成腐植酸鹽,其鈉鹽和氨鹽易溶于水。腐植酸粘結劑能很好地潤濕煤的表面,并且對煤親和作用較強。腐植酸本身具有膠體性質,因此以此粘結劑所制成的型煤強度較高,燃燒后灰分也相對較低。但是在制備腐植酸粘結劑的過程中,煤堿質量比往往不確定。國內有人做過相關研究,如郝又科和郝保國所做的腐植酸粘結劑中煤堿質量比為3.3∶1,李永恒等所做的腐植酸粘結劑煤堿質量比為12.5∶1,但是在制備粘結劑時所添加堿基本上都是NaOH,較為單一。張釗等從云南褐煤中提取腐植酸來制備腐植酸型煤粘結劑,用了NaOH、Na4P2O7、Na2CO3和K2CO3等對腐植酸進行提取,并考察了用由不同腐植酸粘結劑制成型煤的氣化性能和機械強度等重要特性。3.2.3聚羧酸酯pva這類粘結劑粘結能力強,防水性好,具有一定熱值,但有的熱穩(wěn)定性較差,防水性也不理想,價格較高。還有的需要添加硬化劑,因此在應用方面并不是很廣泛。但從文獻看,各國對于用于型煤的這類粘結劑進行了大量的研究,如聚乙烯醇、聚酰胺、酚醛樹脂、聚乙烯醇水溶液及其甲醛、尿醛復合膠、HM粘結劑(即聚乙酸乙烯酯乳液、改性的無規(guī)則聚丙烯(APP)、以及苯乙烯交聯(lián)珠的副產品或廢品。國內資料用PVA0.1與淀粉、石膏復合時,型煤冷強度提高200~300N/球,但熱強度很差。國外用丁二烯、苯乙烯、PVA制成分子量為4000,pH為9的共聚物乳液,在150℃下成型,制成型煤抗壓強度為3000N/cm,密度為1.15~1.44g/cm。英國CPL的一家型煤廠已采用酚醛樹脂作為粘結劑生產民用型煤,7天后其抗壓能力達到180kg左右,年產量為20萬t。3.2.4多煤煉焦添加型煤粘結劑復合粘結劑由上述兩類或兩類以上的粘結劑組成,一般來說復合粘結劑的添加量相對要大些。如焦油、焦油瀝青和其他無機粘結劑的混合物,石油瀝青和膨潤土的混合物,玉米淀粉與氨中和后的氨基磺酸和硫酸的混合物,熟石灰、腐植酸鹽的混合物等。同時,復合粘結劑往往也把助燃和固硫的作用考慮在內。晉城使用淀粉—煤瀝青有機復合粘結劑制作無煙煤。大同煤礦以發(fā)生爐焦油、石油瀝青、焦油瀝青及其它無機粘結劑作為復合粘結劑制取型煤或型焦,還有以2%~7%石油瀝青或3%~5%石油瀝青加3%~5%粘土作為型煤的粘結劑。冶金工業(yè)中用由硬煤或白云石、焦炭粉、無煙煤和煤焦油與石油瀝青組成的粘結劑制成的煤球作為焦炭代替物既具有很好的熱效率又經濟。還有,樹脂和金屬屑或廢礦物油和石油瀝青、沉積巖、廢滑潤脂膏也可以作為型煤粘結劑。我國到目前開發(fā)的十五個系列粘結劑中大部分為復合粘結劑。比如FS-3粘結劑采用的是濃縮紙漿及含不溶于水的碳水化合物的工業(yè)廢渣作為復合粘結劑。紙漿廢液價廉,但基本無防潮性,因此很少單獨使用。還有有機粘結劑MJ3與膨潤土(白泥)混合使用可作為型煤的復合粘結劑。還有低級的硅灰石、熟石灰、腐植酸鹽的混合物可作為型煤粘結劑。褐煤加廢塑料、污水、淤泥、木、紙和無金屬的廢渣制成的型煤,易于氣化。歐洲采用亞硫酸鹽廢液添加3%的CaCO3制燃料型煤。用氨基磺酸、玉米淀粉和磷酸被氨中和后的混合物在1400℃的條件下煮3min使之成膠狀物也可以作為型煤的粘結劑。4節(jié)能環(huán)保方面縱觀目前廠家使用的各種各樣的粘結劑,粘結劑的發(fā)展有了一個很好的基礎,但是從型煤冷強度、熱強度、耐水性、固定碳、經濟性的指標要求看,還沒有一種理想的粘結劑品種。當前,復合粘結劑是當前粘結劑發(fā)展的主流。為了減少型煤的灰分,比較重視有機粘結劑研究,同時,為了改進煤炭的燃燒和減少污染物的排放也注重了改進燃料添加劑的研究。在節(jié)能環(huán)保方面,充分利用工農業(yè)的廢棄物方面也是研究的熱點。為了降低型煤生產的成本和縮短型煤生產線,各國普遍重視免烘干型煤粘結劑的開發(fā),國內已經又一些型煤廠開始采用新型粘結劑,這樣節(jié)省了建造成型后的烘干設備的投入。我們覺得,粘結劑的選擇不要理想化,每類粘結劑均有它的優(yōu)點和缺陷,因此選擇粘結劑是有方法、有技巧的。要根據(jù)煤種性能去選擇粘結