水煤漿熱法固硫提質裝置和工藝及檢測實驗臺的製作方法
2023-07-28 05:42:21 2
本發明涉及水熱化學技術領域，尤其涉及水煤漿熱法提質的領域。
背景技術：
水熱方法以高溫液態水作為反應介質和反應物，其能量高、反應速度快、物料通量大、進料方便、產物分離效率高，特別是避免了高含水物料的水分蒸發環節，具備高能效生產生物油及化學品的潛力。相比常溫液態水，高溫水還具有近似有機溶劑的介電常數，可通過溫、壓調節離子積，能溶解非極性/弱極性的物質並催化/促進離子反應或需要酸鹼催化的反應，因而有利於有機反應的進行。
當前，水熱技術被認為是低階能源品質提升、生物質資源化/能源化最具潛力的技術之一。
技術實現要素：
發明目的：為了實現現有技術中存在的空缺，本發明提供水煤漿熱法固硫提質裝置和工藝，提升煤的熱值，降低水煤漿粘度，改善水煤漿成漿及流變性能，進一步提高水煤漿流動性和漿體濃度，其產品的檢測實驗臺研究了水熱處理對煤的熱值、硫元素分布特性的影響。
技術方案：為實現上述目的，本發明的技術方案如下：
水煤漿熱法固硫提質裝置，包括氬氣瓶、水熱反應釜、循環水供應裝置、冷卻器、氣樣瓶和數據處理器，所述循環水供應裝置與水熱反應釜循環連接，所述氬氣瓶的出氣端與水熱反應釜的進氣閥連接，所述冷卻器內裝有冰水混合物，所述水熱反應釜的出氣閥與冷卻器的進氣端連接，所述冷卻器的出氣端與氣樣瓶回收連接；所述數據處理器與水熱反應釜連接。
水煤漿熱法固硫提質工藝，具體步驟如下：
a)將裝有樣品的石英管置於水熱反應釜內，合上上蓋，開啟水熱反應釜內的攪拌裝置，且設定攪拌速度200轉/分；
b)開啟氬氣瓶，氬氣瓶內的氬氣通入水熱反應釜內，待水熱反應釜內充滿氬氣後，依次關閉水熱反應釜的出氣閥和進氣閥；
c)打開水熱反應釜的加熱裝置，關閉攪拌裝置，待水熱反應釜內溫度升至240℃～280℃時，設定水熱反應釜的保溫時間為0.5h，0.5h內為恆溫保溫；為了更便於後面的烘乾固化，也可以為特定的非恆溫保溫，針對該特定的非恆溫保溫的方法，保溫時間的0.5h內，前一個0.25h內，由加熱結束的加熱溫度勻增速增加溫度50℃直至正好滿0.25h，後0.25h內，保持恆溫保溫，恆溫保溫的溫度範圍為：290℃～330℃，直至保溫時間結束；
d)打開循環水供應裝置，迅速降低物料溫度，待水熱反應釜內的壓力降至常壓後，打開上蓋，取出樣品；
e)取出的樣品進行固液分離，固體產物置於真空恆溫狀態下加熱乾燥，在103℃-105℃環境中乾燥至恆重，得到最終產品；
水煤漿熱法固硫提質產品的檢測實驗臺，包括臥式電加熱爐、石英反應管、溫度控制器、煙氣分析儀和數據採集系統，所述溫度控制器與臥式電加熱爐連接，在所述臥式電加熱爐的一側端連接有石英反應管，所述石英反應管與煙氣分析儀連通，所述煙氣分析儀將收集的數據信號傳輸至數據採集系統；所述石英反應管內裝有需要實驗的最終樣品。
所述溫度控制器的信號輸出端與臥式電加熱爐的信號輸入端連接，所述臥式電加熱爐將其加熱溫度信息反饋至溫度控制器中。
水熱反應釜在240℃、260℃和280℃加熱環境下固硫提質後的三種最終樣品，分別為一號樣品、二號樣品和三號樣品，將四分之一份的一號樣品、二號樣品和三號樣品裝入石英反應管中，通過所述溫度控制器設定臥式電加熱爐的加熱溫度分別為850℃、900℃、950℃和1000℃，完成四種溫度環境下的檢測實驗後續分析處理。
檢測實驗臺的實驗方法如下：
將一號樣品的四等分之一裝入石英反應管，所述臥式電加熱爐的加熱溫度設定為850℃，氣體流量為0.5L/min的條件下煤燃燒時煙氣中SO2的含量隨燃燒時間的變化，在燃燒過程進行到50秒左右，煙氣中SO2的含量達到最大值，為82ppm，整個燃燒過程中，煙氣中SO2的濃度隨時間的變化呈現拋物線分布，原煤比水熱煤完全燃燒所用的時間更長，同樣條件下，原煤完全燃燒所花時間為160秒，而水熱處理後煤的燃燒時間僅為100秒，整個燃燒過程中，原煤燃燒釋放的更多SO2，與原煤相比，水熱處理後煤的SO2釋放量降低了34.56％；
同理將二號樣品和三號樣品重複上述試驗過程；
將一號樣品的四等分之一裝入石英反應管，所述臥式電加熱爐的加熱溫度設定為900℃，氣體流量為0.5L/min的條件下煤燃燒時煙氣中SO2的含量隨燃燒時間的變化，水熱煤在燃燒過程進行到40秒左右時煙氣中SO2的含量達到最大值，為85ppm，而原煤在50秒左右才達到最大的SO2排放量90ppm，整個燃燒過程中，煙氣中SO2的濃度隨時間的變化呈現拋物線分布，但對稱性變差，原煤比水熱煤完全燃燒所用的時間更長，同樣條件下，原煤完全燃燒所花時間為200秒，而水熱處理後煤的燃燒時間僅為140秒，整個燃燒過程中，原煤燃燒釋放的更多SO2，與原煤相比，280℃下水熱處理30分鐘後的煤燃燒後SO2釋放量降低了24.88％，若在水熱過程中加入一定量的調理劑，則SO2的排放量大大降低，與原煤相比降低了38.10％；
同理將二號樣品和三號樣品重複上述試驗過程；
將一號樣品的四等分之一裝入石英反應管，所述臥式電加熱爐的加熱溫度設定為950℃，氣體流量為0.5L/min的條件下煤燃燒時煙氣中SO2的含量隨燃燒時間的變化，水熱煤在燃燒過程進行到50秒左右時煙氣中SO2的含量達到最大值，為113ppm，而原煤在60秒左右才達到最大的SO2排放量150ppm，整個燃燒過程中，煙氣中SO2的濃度隨時間的變化呈現拋物線分布，但逐步體現為2個燃燒階段，原煤比水熱煤完全燃燒所用的時間更長，同樣條件下，原煤完全燃燒所花時間為325秒，而240℃水熱處理後煤的燃燒時間僅為200秒，280℃水熱處理後的煤的燃燒時間僅為175秒，整個燃燒過程中，原煤燃燒釋放的更多SO2，與原煤相比，280℃下水熱處理30分鐘後的煤燃燒後SO2釋放量降低了49.77％；
同理將二號樣品和三號樣品重複上述試驗過程；
將一號樣品的四等分之一裝入石英反應管，所述臥式電加熱爐的加熱溫度設定為1000℃，氣體流量為0.5L/min的條件下煤燃燒時煙氣中SO2的含量隨燃燒時間的變化，燃燒進行到25秒左右時煙氣中SO2的含量達到最大值，為113ppm，前50秒的燃燒過程中，煙氣中SO2的濃度隨時間的變化呈現拋物線分布，由於燃燒溫度高，樣品的熱解速度是影響燃燒速度的次要因素，因而與其他溫度條件相比，水熱處理對煤的燃燒時間的影響不大，不超過25秒，但總體原煤比水熱煤完全燃燒所用的時間更長，整個燃燒過程中，原煤燃燒釋放的更多SO2，與原煤相比，280℃下水熱處理30分鐘後的煤燃燒後SO2釋放量降低了8.23％。與其他組相比，在降低SO2排放方面，該組的優勢並不明顯，這與該燃燒溫度下硫元素的轉化特性有關；
同理將二號樣品和三號樣品重複上述試驗過程。
有益效果：1、本發明水煤漿熱法固硫提質裝置及工藝提升了煤的熱值，降低水煤漿粘度，改善水煤漿成漿及流變性能，進一步提高水煤漿流動性和漿體濃度。
2、本發明水煤漿熱法固硫提質產品的檢測實驗臺充分研究了水熱處理對煤的熱值、硫元素分布特性的影響。
附圖說明
附圖1為水煤漿熱法固硫提質裝置的設備結構連接示意圖。
附圖2為水煤漿熱法固硫提質產品的檢測實驗臺的設備結構連接示意圖；
附圖3為850℃煤燃燒時煙氣中SO2的含量(ppm)隨燃燒時間的變化圖；
附圖4為900℃煤燃燒時煙氣中SO2的含量(ppm)隨燃燒時間的變化圖；
附圖5為950℃煤燃燒時煙氣中SO2的含量(ppm)隨燃燒時間的變化圖；
附圖6為1000℃煤燃燒時煙氣中SO2的含量(ppm)隨燃燒時間的變化圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
如附圖1所示，水煤漿熱法固硫提質裝置，包括氬氣瓶、水熱反應釜、循環水供應裝置、冷卻器、氣樣瓶和數據處理器，所述循環水供應裝置與水熱反應釜循環連接，所述氬氣瓶的出氣端與水熱反應釜的進氣閥連接，所述冷卻器內裝有冰水混合物，所述水熱反應釜的出氣閥與冷卻器的進氣端連接，所述冷卻器的出氣端與氣樣瓶回收連接；所述數據處理器與水熱反應釜連接。
水煤漿熱法固硫提質工藝，具體步驟如下：
a)將裝有樣品的石英管置於水熱反應釜內，合上上蓋，開啟水熱反應釜內的攪拌裝置，且設定攪拌速度200轉/分，保持攪拌；
b)開啟氬氣瓶，氬氣瓶內的氬氣通入水熱反應釜內，待水熱反應釜內充滿氬氣後，依次關閉水熱反應釜的出氣閥和進氣閥；
c)打開水熱反應釜的加熱裝置，關閉攪拌裝置，待水熱反應釜內溫度升至240℃～280℃時，設定水熱反應釜的保溫時間為0.5h，0.5h內為恆溫保溫；為了更便於後面的烘乾固化，也可以為特定的非恆溫保溫，針對該特定的非恆溫保溫的方法，保溫時間的0.5h內，前一個0.25h內，由加熱結束的加熱溫度勻增速增加溫度50℃直至正好滿0.25h，後0.25h內，保持恆溫保溫，恆溫保溫的溫度範圍為：290℃～330℃，直至保溫時間結束；
d)打開循環水供應裝置，迅速降低物料溫度，待水熱反應釜內的壓力降至常壓後，打開上蓋，取出樣品；
e)取出的樣品進行固液分離，固體產物置於真空恆溫狀態下加熱乾燥，在103℃-105℃環境中乾燥至恆重，得到最終產品。
水煤漿熱法固硫提質產品的檢測實驗臺，包括臥式電加熱爐、石英反應管、溫度控制器、煙氣分析儀和數據採集系統，所述溫度控制器與臥式電加熱爐連接，在所述臥式電加熱爐的一側端連接有石英反應管，所述石英反應管與煙氣分析儀連通，所述煙氣分析儀將收集的數據信號傳輸至數據採集系統；所述石英反應管內裝有需要實驗的最終樣品。
所述溫度控制器的信號輸出端與臥式電加熱爐的信號輸入端連接，所述臥式電加熱爐將其加熱溫度信息反饋至溫度控制器中。
水熱反應釜在240℃、260℃和280℃加熱環境下固硫提質後的三種最終樣品，分別為一號樣品、二號樣品和三號樣品，將四分之一份的一號樣品、二號樣品和三號樣品裝入石英反應管中，通過所述溫度控制器設定臥式電加熱爐的加熱溫度分別為850℃、900℃、950℃和1000℃，完成四種溫度環境下的檢測實驗後續分析處理。
水煤漿熱法固硫提質具體實施方式：
稱取水煤漿200g，並轉移到Φ50×180mm的石英管中，隨後將裝有水煤漿的石英管置於水熱反應釜中併合上反應釜上蓋。開啟水熱反應釜的攪拌裝置，設定攪拌速度為200轉/分，並向水熱反應釜內緩慢通入氬氣，待水熱反應釜內空氣排淨後依次關閉出氣閥和進氣閥。設定反應溫度，開啟反應釜加熱裝置，待反應釜內溫度升至預定溫度240℃時，設定保溫時間為0.5h。反應結束後開啟循環水供應裝置，迅速降低石英管內樣品溫度，待水熱反應釜內壓力降至常壓後，打開水熱反應釜上蓋，取出樣品並進行固液分離，固體產物置於真空乾燥箱中103-105℃恆溫乾燥至恆重，至此完成水熱提質實驗。再重複上述實驗兩次，其中，水熱反應釜內溫度分別設置為預定溫度260℃和280℃時。
將水熱反應釜內溫度為240℃時，所得最終樣品均勻混合後，分成四等分(標記為一號樣品)用於後續分析處理；將水熱反應釜內溫度為260℃時，所得最終樣品均勻混合後，分成四等分(標記為二號樣品)用於後續分析處理；將水熱反應釜內溫度為280℃時，所得最終樣品均勻混合後，分成四等分(標記為三號樣品)用於後續分析處理。
為了研究水熱處理對水煤漿燃燒時硫元素轉化特性的研究，搭建了圖2所示的水煤漿熱法固硫提質產品的檢測實驗臺，該檢測實驗臺包括臥式電加熱爐、石英反應管、溫度控制器、煙氣分析儀和數據採集系統，所述溫度控制器與臥式電加熱爐連接，在所述臥式電加熱爐的一側端連接有石英反應管，所述石英反應管與煙氣分析儀連通，所述煙氣分析儀將收集的數據信號傳輸至數據採集系統。水熱反應釜在240℃、260℃和280℃加熱環境下固硫提質後的三種最終樣品，分別為一號樣品、二號樣品和三號樣品，將四分之一份最終樣品(分別是一號樣品、二號樣品和三號樣品)裝入石英反應管中，通過所述溫度控制器設定臥式電加熱爐的加熱溫度分別為850℃、900℃、950℃和1000℃，完成四種溫度環境下的檢測實驗後續分析處理。
其中，檢測實驗的四個穩定的加熱溫度是通過所述溫度控制器的信號輸出端與臥式電加熱爐的信號輸入端連接，所述臥式電加熱爐將其加熱溫度信息反饋至溫度控制器來保證的。
檢測實驗臺的具體實施方式：將一號樣品的四等分之一裝入石英反應管，所述臥式電加熱爐的加熱溫度設定為850℃，氣體流量為0.5L/min的條件下煤燃燒時煙氣中SO2的含量(ppm)隨燃燒時間的變化，如圖3所示。在燃燒過程進行到50秒左右，煙氣中SO2的含量達到最大值，為82ppm。整個燃燒過程中，煙氣中SO2的濃度隨時間的變化呈現拋物線分布。原煤比水熱煤完全燃燒所用的時間更長，同樣條件下，原煤完全燃燒所花時間為160秒，而水熱處理後煤的燃燒時間僅為100秒。整個燃燒過程中，原煤燃燒釋放的更多SO2，與原煤相比，水熱處理後煤的SO2釋放量降低了34.56％。可以看出水熱處理縮短了煤的燃燒時間，降低了燃煤的SO2釋放量，促進了煤的燃燒。
同理將二號樣品和三號樣品重複上述試驗過程。
將一號樣品的四等分之一裝入石英反應管，所述臥式電加熱爐的加熱溫度設定為900℃，氣體流量為0.5L/min的條件下煤燃燒時煙氣中SO2的含量(ppm)隨燃燒時間的變化，如圖3所示。可以看出，水熱煤在燃燒過程進行到40秒左右時煙氣中SO2的含量達到最大值，為85ppm，而原煤在50秒左右才達到最大的SO2排放量90ppm。整個燃燒過程中，煙氣中SO2的濃度隨時間的變化呈現拋物線分布，但對稱性變差。原煤比水熱煤完全燃燒所用的時間更長，同樣條件下，原煤完全燃燒所花時間為200秒，而水熱處理後煤的燃燒時間僅為140秒。整個燃燒過程中，原煤燃燒釋放的更多SO2，與原煤相比，280℃下水熱處理30分鐘後的煤燃燒後SO2釋放量降低了24.88％，若在水熱過程中加入一定量的調理劑，則SO2的排放量大大降低，與原煤相比降低了38.10％。可以看出水熱處理縮短了煤的燃燒時間，降低了燃煤的SO2釋放量，促進了煤的燃燒。
同理將二號樣品和三號樣品重複上述試驗過程。
將一號樣品的四等分之一裝入石英反應管，所述臥式電加熱爐的加熱溫度設定為950℃，氣體流量為0.5L/min的條件下煤燃燒時煙氣中SO2的含量(ppm)隨燃燒時間的變化，如圖5所示。可以看出，水熱煤在燃燒過程進行到50秒左右時煙氣中SO2的含量達到最大值，為113ppm，而原煤在60秒左右才達到最大的SO2排放量150ppm。整個燃燒過程中，煙氣中SO2的濃度隨時間的變化呈現拋物線分布，但逐步體現為2個燃燒階段。原煤比水熱煤完全燃燒所用的時間更長，同樣條件下，原煤完全燃燒所花時間為325秒，而240℃水熱處理後煤的燃燒時間僅為200秒，280℃水熱處理後的煤的燃燒時間僅為175秒。整個燃燒過程中，原煤燃燒釋放的更多SO2，與原煤相比，280℃下水熱處理30分鐘後的煤燃燒後SO2釋放量降低了49.77％。
同理將二號樣品和三號樣品重複上述試驗過程。
將一號樣品的四等分之一裝入石英反應管，所述臥式電加熱爐的加熱溫度設定為1000℃，氣體流量為0.5L/min的條件下煤燃燒時煙氣中SO2的含量(ppm)隨燃燒時間的變化，如圖6所示。可以看出，燃燒進行到25秒左右時煙氣中SO2的含量達到最大值，為113ppm。前50秒的燃燒過程中，煙氣中SO2的濃度隨時間的變化呈現拋物線分布。由於燃燒溫度高，樣品的熱解速度是影響燃燒速度的次要因素，因而與其他溫度條件相比，水熱處理對煤的燃燒時間的影響不大，不超過25秒，但總體原煤比水熱煤完全燃燒所用的時間更長。整個燃燒過程中，原煤燃燒釋放的更多SO2，與原煤相比，280℃下水熱處理30分鐘後的煤燃燒後SO2釋放量降低了8.23％。與其他組相比，在降低SO2排放方面，該組的優勢並不明顯，這與該燃燒溫度下硫元素的轉化特性有關。
同理將二號樣品和三號樣品重複上述試驗過程。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。