一種包覆有低階煤和生物質顆粒的型煤原料的提質工藝的製作方法
2023-10-31 00:45:17 1
本發明涉及一種適用於搗固焦爐的包覆有低階煤和生物質顆粒的型煤原料的提質工藝，屬於低階煤提質轉化技術領域。
背景技術：
自十八世紀以來，煤炭已成為人類世界廣泛使用的能源之一，就我國的能源消費結構而言，目前煤炭佔據70％左右，是國民賴以生存的主要能源。依據結構和組成的不同，煤炭分為褐煤、煙煤和無煙煤三大類，其中煙煤又分為低變質煙煤和中變質煙煤，低變質煙煤又稱作次煙煤，其與褐煤一起統稱為「低階煤」。據統計，我國低階煤的儲量佔全國已探明的煤炭儲量的55％以上，高達5612億噸，但由於低階煤作為煤化作用初期的產物，具有含碳量低、水分高、易粉化、易自燃、揮發份高、浸水強度差、抗跌強度差等特點，因而嚴重限制了低階煤的直接開發利用，這無疑造成了巨大的資源浪費。另外，隨著國內能源需求的日益增大和優質煤炭資源量的銳減，低階煤的提質轉化與綜合利用已然成為當前我國能源研究與開發的重點領域。
迄今為止，國內外針對低階煤的提質加工技術大致可分為熱解提質技術、非蒸發脫水提質技術和成型提質技術三大類，其中，對於成型提質技術而言，低階煤在成型過程中，高壓或剪切等物理作用對其凝膠結構和孔隙系統產生了不可逆的破壞，因而能夠從本質上提升低階煤的煤階，使其煤化程度也隨之提高，從而解決了乾燥低階煤的粉塵大、易重新吸水、易 於自燃等不足。但目前的低階煤提質技術均處於試驗研究和工程化初始應用階段，不存在使其大規模工業化應用的設備，由此限制了低階煤的開發利用。
生物質能是綠色植物將太陽能轉化為化學能而貯存在生物質內部的能量，即以生物質為載體的能量形式，它直接或間接地來源於綠色植物的光合作用，可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源，同時也是唯一一種可再生的碳源。近年來研發的生物質固化成型技術改變了傳統的生物質能利用方式，將鬆散的生物質轉化為高密度的成型燃料，直接燃燒或用作氣化、液化原料，成為生物質能開發利用的一種有效途徑，也是替代常規能源的有效方法，然而遺憾的是，目前尚不具備使生物質燃料大規模工業化應用的設備。
搗固焦爐是煤的焦化工藝中使用的大型化設備，其佔地面積廣，投資基建費用大。煤焦化是以煤為原料經高溫乾餾生產焦炭，同時獲得煤氣、煤焦油並回收其它化工產品的一種煤轉化工藝，其焦炭產品主要是冶金焦或化工焦。由於工業上對這類焦炭的品質要求很高，使得生產冶金焦或化工焦所採用的煤原料主要是焦煤、1/3焦煤、氣煤、肥煤、瘦煤、貧瘦煤等煤種，屬於中變質煙煤，但是近年來煤炭資源的短缺，特別是用於焦化工業的中高品質煤原料的減少，使得焦化行業的原料成本與日俱增，加之近幾年鋼鐵、冶金等大量需要冶金焦或化工焦的行業的衰退，導致焦炭產品的需求量減少、價格下滑，從而迫使焦化廠急劇縮減焦炭產量，由此帶來的後果是搗固焦爐停止運行，而一旦焦爐停用便會報廢，那麼為了保護斥巨資投建的搗固焦爐設備，就不得不在最低程度內維持焦爐的運行，這 樣不僅降低了搗固焦爐的利用度，還會造成焦化行業的產能過剩。因此，如何拯救瀕臨負增長的焦化產業，提高搗固焦爐的利用度，解決焦化行業產能過剩的問題已成為當前遏制焦化行業發展的瓶頸。
綜上所述，在目前的形勢下如何能夠將搗固焦爐應用於低階煤和生物質的開發利用領域以使上述問題都得以迎刃而解，是困擾本領域技術人員的一個技術難題。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題在於克服現有技術無法實現低階煤和生物質能大規模應用的缺陷及現有的搗固焦爐利用度低的問題，進而提供一種適於搗固焦爐的含有低階煤和生物質顆粒的型煤原料的提質工藝。
為此，本發明實現上述目的的技術方案為：
一種包覆有低階煤和生物質顆粒的型煤原料的提質工藝，包括：
(1)將生物質原料乾燥、粉碎並壓製成顆粒物，備用；
(2)將低階煤與有機粘結劑混合形成混合物，所述混合物經粉碎後再與步驟(1)的顆粒物混勻形成低階煤本體原料，備用；
其中，所述有機粘結劑在850℃隔絕空氣條件下的乾餾失重小於50％，以質量計所述顆粒物的加入量為所述低階煤本體原料質量的20-50％；
(3)對非低階煤進行加壓成型，形成非低階煤型煤底層；在所述非低階煤型煤底層上加入所述低階煤本體原料和非低階煤，並使所述非低階煤位於所述低階煤本體原料的外圍，對所述低階煤本體原料和所述非低階煤進行加壓成型，形成型煤中層；再在所述型煤中層上繼續加入非低階煤並加壓成型，得到最終的型煤原料；
(4)將步驟(3)的型煤原料推入焦爐內進行提質處理，控制提質溫度為850-950℃，提質時間不小於16小時，收集溢出的粗煤氣、焦油、粗苯的混合物，同時得到副產品焦炭。
乾燥後的所述生物質原料的含水率為13-17wt％，所述顆粒物的密度為1.2-1.4g/cm3。
以質量計，所述有機粘結劑的加入量為所述低階煤質量的5-40％。
所述有機粘結劑為軟化點大於100℃的瀝青質。
所述瀝青質為軟化點不小於120℃的煤瀝青或石油瀝青。
所述瀝青質為高溫瀝青，以質量計，所述高溫瀝青的固定碳含量在25％以上，碳氫比為8-11。
所述低階煤的g值小於50、揮發分含量大於40％；
以質量計，所述低階煤本體原料的加入量為所述型煤原料質量的40-70％。
所述低階煤本體原料的加入量為所述型煤原料質量的40-50％。
所述顆粒物的加入量為所述低階煤本體原料質量的20-35％。
所述提質處理在搗固焦爐中進行，所述型煤原料在搗固設備中進行搗固成型。
本發明所述的提質工藝採用的顆粒物可以是任意形狀的，其體積以不超過25cm3為宜。
本發明的上述技術方案具有如下優點：
1、本發明提供的包覆有低階煤和生物質顆粒的型煤原料的提質工藝，通過加入在850℃隔絕空氣條件下乾餾失重小於50％的有機粘結劑，利用其 粘結性將低階煤和生物質顆粒粘結成型，一方面可使低階煤和生物質顆粒能夠推入搗固焦爐中進行提質處理，另一方面還使得低階煤和生物質顆粒提質完成後的固體產物不易粉化，易於搗固焦爐的推焦，更重要的是上述有機粘結劑與低階煤和生物質顆粒混合後，有機粘結劑中的有效成分可促進低階煤和生物質中的高分子聚合物在高溫下的降解，從而有助於提高低階煤和生物質原料的油氣產量，使油氣總量增產10％以上。
並且，本發明的提質工藝通過將非低階煤設置在低階煤本體原料的外部，使得低階煤本體原料在高溫提質過程中產生的液體滲入至非低階煤中，有助於提高低階煤本體原料產生的焦炭的質量。由此，本發明的提質工藝不僅解決了現有技術因不存在大規模的工業化設備而使低階煤和生物質應用受限的問題，還有效克服了現有的搗固焦爐利用度低、提質行業產能過剩的問題。
本發明的提質工藝充分利用高溫乾餾能使生物質如農業廢棄物秸稈中的有機物轉換成油氣、且殘餘物可用作化工焦的特性，通過在低階煤中嵌入適量的生物質顆粒，不僅有利於在降低型煤原料生產成本的條件下仍能確保較高的油氣和焦炭產率，還可有效實現對生物質能的資源化利用，減少因農業廢棄物的盲目焚燒所造成的環境汙染，使得本發明既有可觀的經濟效益又有一定的社會效益。
2、本發明提供的包覆有低階煤和生物質顆粒的型煤原料的提質工藝，優選有機粘結劑為軟化點不小於120℃的煤瀝青或石油瀝青，如此可提高低階煤和生物質原料提質後的固體產物—焦炭的品質，使得焦炭中的揮發分不大於3-4％，從而可用於發電、造氣以及其它化工目的。
具體實施方式
下面將對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。此外，下面所描述的本發明不同實施方式中所涉及的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互結合。
本發明所述的提質工藝中的煤成分適用於所有的低階煤、中階煤、高階煤或中高階煤原料。為便於比較和說明，以下實施例中，wt％表示質量百分含量，幹煤的質量＝(低階煤的質量×75％+生物質顆粒的質量×85％+非低階煤的質量×90％+有機粘結劑的質量)，「kg/t幹煤」指每噸幹煤得到的產品的千克數，「nm3/t幹煤」指每噸幹煤得到的粗煤氣的體積換算成25℃、1個標準大氣壓下的立方米數。
實施例1
(1)將含水量為17wt％的秸稈打捆後壓製成密度為1.2g/cm3的顆粒物，備用；
(2)將次煙煤和有機粘結劑共同粉碎後再與步驟(1)的顆粒物混勻，形成低階煤本體原料，備用；
其中，次煙煤的g值為45，揮發份含量大於40％；有機粘結劑為在850℃隔絕空氣條件下的乾餾失重為45％的煤瀝青，其軟化點為105℃；在該低階煤本體原料中，以質量計，顆粒物的加入量為低階煤本體原料質量的20wt％，有機粘結劑的加入量為次煙煤質量的40wt％；
(3)採用搗固設備對粉碎的1/3焦煤進行搗固成型，形成非低階煤 型煤底層，並在該非低階煤型煤底層上加入1/3焦煤和步驟(2)的低階煤本體原料，在這一過程中1/3焦煤沿裝煤箱的兩端加入，即1/3焦煤圍繞低階煤本體原料進行裝煤粉的過程，繼續採用搗固設備對上述煤原料進行搗固成型，形成型煤中層，最後在該型煤中層上繼續加入1/3焦煤進行搗固成型，形成非低階煤型煤頂層，從而得到最終的型煤原料，也即是，型煤原料的中部為低階煤型煤本體，低階煤型煤本體的上、下及左右側面均包覆有1/3焦煤層；
以質量計，低階煤本體原料的加入量為型煤原料質量的40wt％；
(4)將步驟(3)的型煤原料推入焦爐內進行提質處理，控制提質溫度為850℃，提質時間為18小時，收集溢出的粗煤氣、焦油、粗苯的混合物，同時得到副產品焦炭；採用常規工藝分離得到粗煤氣、焦油，並進一步從煤氣中分離出粗苯，所述粗煤氣的量為395nm3/t幹煤，所述焦油的量為56kg/t幹煤，所述粗苯的量為14kg/t幹煤，所述焦炭的量為640kg/t幹煤，所述焦炭中的固體碳含量不小於80％、揮發分含量不大於4％，焦炭篩分後粒徑在40mm以上的顆粒總質量為焦炭總質量的70％，粒徑在25mm以上的顆粒總質量為焦炭總質量的90％。
實施例2
(1)將含水量為15wt％的秸稈打捆後壓製成密度為1.3g/cm3的顆粒物，備用；
(2)將次煙煤與有機粘結劑共同粉碎後與步驟(1)的顆粒物混勻，形成低階煤本體原料，備用；
其中，次煙煤的g值為40，揮發份含量為50％；有機粘結劑為在850℃ 隔絕空氣條件下的乾餾失重為40％的石油瀝青，其軟化點為120℃；在該低階煤本體原料中，以質量計，顆粒物的加入量為低階煤本體原料質量的35wt％，有機粘結劑的加入量為次煙煤質量的5wt％；
(3)採用搗固設備對粉碎的焦煤進行搗固成型，形成非低階煤型煤底層，並在該非低階煤型煤底層上加入焦煤和步驟(2)的低階煤本體原料，在這一過程中焦煤沿裝煤箱的兩端加入，即焦煤圍繞低階煤本體原料進行裝煤粉的過程，繼續採用搗固設備對上述煤原料進行搗固成型，形成型煤中層，最後在該型煤中層上繼續加入焦煤進行搗固成型，形成非低階煤型煤頂層，從而得到最終的型煤原料，即型煤原料的中部為低階煤型煤本體，低階煤型煤本體的上、下及左右側面均包覆有焦煤層；
以質量計，低階煤本體原料的加入量為型煤原料質量的47.5wt％；
(4)將步驟(3)的型煤原料推入焦爐內進行提質處理，控制提質溫度為900℃，提質時間為16小時，收集溢出的粗煤氣、焦油、粗苯的混合物，同時得到副產品焦炭；採用常規工藝分離得到粗煤氣、焦油，並進一步從煤氣中分離出粗苯，所述粗煤氣的量為430nm3/t幹煤，所述焦油的量為52kg/t幹煤，所述粗苯的量為14kg/t幹煤，所述焦炭的量為600kg/t幹煤，所述焦炭中的固體碳含量不小於80％、揮發分含量不大於4％，焦炭篩分後粒徑在40mm以上的顆粒總質量為焦炭總質量的45％，粒徑在25mm以上的顆粒總質量為焦炭總質量的65％。
實施例3
(1)將含水量為13wt％的秸稈打捆後壓製成密度為1.4g/cm3的顆粒物，備用；
(2)將褐煤與有機粘結劑共同粉碎後與步驟(1)的顆粒物混勻，形成低階煤本體原料，備用；
其中，褐煤的g值為0，揮發份含量為48％；有機粘結劑為在850℃隔絕空氣條件下的乾餾失重為42％的高溫石油瀝青，其軟化點為125℃，以質量計該高溫石油瀝青中的固定碳含量為30％，碳氫比為8；在該低階煤本體原料中，以質量計，顆粒物的加入量為低階煤本體原料質量的30wt％，有機粘結劑的加入量為褐煤質量的22.5wt％；
(3)採用搗固設備對粉碎的1/3焦煤進行搗固成型，形成非低階煤型煤底層，並在該非低階煤型煤底層上加入1/3焦煤和步驟(2)的低階煤本體原料，在這一過程中焦煤沿裝煤箱的兩端加入，即焦煤圍繞低階煤本體原料進行裝煤粉的過程，繼續採用搗固設備對上述煤原料進行搗固成型，形成型煤中層，最後在該型煤中層上繼續加入1/3焦煤進行搗固成型，形成非低階煤型煤頂層，從而得到最終的型煤原料，即型煤原料的中部為低階煤型煤本體，低階煤型煤本體的上、下及左右側面均包覆有1/3焦煤層；
以質量計，低階煤本體原料的加入量為型煤原料質量的45wt％；
(4)將步驟(3)的型煤原料推入焦爐內進行提質處理，控制提質溫度為950℃，提質時間為18小時，收集溢出的粗煤氣、焦油、粗苯的混合物，同時得到副產品焦炭；採用常規工藝分離得到粗煤氣、焦油，並進一步從焦油中分離出粗苯，所述粗煤氣的量為490nm3/t幹煤，所述焦油的量為43kg/t幹煤，所述粗苯的量為12kg/t幹煤，所述焦炭的量為585kg/t幹煤，所述焦炭中的固體碳含量不小於80％、揮發分含量不大於4％，焦炭篩分後粒徑在40mm以上的顆粒總質量為焦炭總質量的40％，粒徑在 25mm以上的顆粒總質量為焦炭總質量的60％。
實施例4
(1)將含水量為17wt％的秸稈打捆後壓製成密度為1.3g/cm3的顆粒物，備用；
(2)將褐煤與有機粘結劑共同粉碎後與步驟(1)的顆粒物混勻，形成低階煤本體原料，備用；
其中，褐煤的g值為0，揮發份含量為55％；有機粘結劑為在850℃隔絕空氣條件下的乾餾失重為47％的高溫煤瀝青，其軟化點為130℃，以質量計該高溫煤瀝青中的固定碳含量為35％，碳氫比為11；在該低階煤本體原料中，以質量計，顆粒物的加入量為低階煤本體原料質量的25wt％，有機粘結劑的加入量為褐煤質量的15wt％；
(3)採用搗固設備對粉碎的焦煤進行搗固成型，形成非低階煤型煤底層，並在該非低階煤型煤底層上加入焦煤和步驟(2)的低階煤本體原料，在這一過程中焦煤沿裝煤箱的兩端加入，即焦煤圍繞低階煤本體原料進行裝煤粉的過程，繼續採用搗固設備對上述煤原料進行搗固成型，形成型煤中層，最後在該型煤中層上繼續加入焦煤進行搗固成型，形成非低階煤型煤頂層，從而得到最終的型煤原料，即型煤原料的中部為低階煤型煤本體，低階煤型煤本體的上、下及左右側面均包覆有焦煤層；
以質量計，低階煤本體原料的加入量為型煤原料質量的50wt％；
(4)將步驟(3)的型煤原料推入焦爐內進行提質處理，控制提質溫度為925℃，提質時間為20小時，收集溢出的粗煤氣、焦油、粗苯的混合物，同時得到副產品焦炭；採用常規工藝分離得到粗煤氣、焦油，並進一 步從煤氣中分離出粗苯，所述粗煤氣的量為490nm3/t幹煤，所述焦油的量為42kg/t幹煤，所述粗苯的量為14kg/t幹煤，所述焦炭的量為610kg/t幹煤，所述焦炭中的固體碳含量不小於80％、揮發分含量不大於4％，焦炭篩分後粒徑在40mm以上的顆粒總質量為焦炭總質量的40％，粒徑在25mm以上的顆粒總質量為焦炭總質量的55％。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。