粉状烟煤制成型煤的热稳定性及其干馏粉化的实验研究报告

工程中心实验报告

实验名称

粉状烟煤型煤的热稳定性及其干馏粉化研究实验

书写报告日期 2013年10月25日

1 实验目的

（1）粉状烟煤型煤的热稳定性研究；

（2）粉状烟煤型煤的干馏粉化研究。

2 实验原理

2.1 原理

2.1.1气化用煤的质量要求

煤的气化是把固体燃料煤转化为煤气的过程。通常用氧气、空气或水蒸气等作为汽化剂，使煤中的有机物转化成含H 2和CO 等成分的可燃气体。根据汽化剂

和煤气成分的不同大致可分为空气煤气、混合煤气、水煤气和半水煤气等。目前国内各种固定床气化炉的煤气平均组成成分如下表：（6-1）

炉型不同，对煤质的要求也就不同。

2.1.1.1常压固定床煤气发生炉对煤质的要求

常压固定床煤气发生炉的应用比较广泛，对煤的适应性也较强，可采用的煤种有长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、1/3焦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤。煤的品种以各粒度级块煤为宜，灰熔融性软化温度大于1250℃, 灰分（Ad ）不大于24.00％，硫分（S t ’d ）小于2.00％，热稳定性和抗碎强度亦应较高，抗

碎强度（试验后大于25mm 的块）应大于60％，热稳定性TS+6大于60.0％。对于无搅拌装置的发生炉，要求原料煤的胶质层最大厚度Y 小于12.0mm ；有搅拌装置的发生炉，则要求Y 小于16.0mm 。

为保证固定床煤气发生炉用煤的质量，已制定出了GB9143常压固定床煤气的生炉用煤质量标准。

2.1.1.2合成氨用煤对煤质的要求

目前国内普遍采用以无烟块煤为原料生产合成氨的原料气，要求原料煤有较好的热稳定性和较高的抗碎强度。因为热稳定性和抗碎强度差的无烟块煤在气化炉内，特别是在受热时易碎裂成片或粉末，降低产气率，甚至影响正常运转或造成停炉事故。一般说来，要求其热稳定性TS+6在70％以上，抗碎强度在65％以上。灰分亦以小于16％未佳，最高也不应超过24％。硫含量应尽可能低些，硫

含量过高，不仅会污染环境，腐蚀设备，而且进入煤气中的硫（大部分是H 2S ）还会使催化剂“中毒”，给整个生产工艺带来一系列的问题。硫含量一般不应超过2.00％。固定碳也是一个很重要的指标，合成氨用煤的固定碳（FC d ）含量应

在65％以上，为使气化炉能顺利运行，煤灰熔融性软化温度以在1250℃以上为宜，否则灰渣容易在气化炉内结疤挂炉，影响产气率和煤气质量，严重时会造成停炉等事故。

应该说明的是，各种气化用煤应尽量就地取材，即使某些指标差一些，但如从生产的总成本来看合算，就不要舍近求远去寻找煤源。

2.2 型煤的制备

2.2.1腐植酸钠提取工序：

腐植酸钠是将风化煤或褐煤溶于苛性碱溶液，经苛性碱抽提得到的。 提取工艺：在腐植酸钠提取桶中加入一定量的水，向桶内直接通入蒸汽，开动搅拌机，在不断搅拌下，投入一定量的固碱，继续通入蒸汽待固碱基本溶解，碱液温度约90℃，在不停搅拌的情况下，逐渐投入—定量的粉碎至1mm 以下的风化煤。投料同时不停蒸汽和搅拌，维持反应温度在 95—100℃，此时由于化学反应而放出热量，并有气体产生，液位将有所上升。应注意防止发生冒槽观象，反应温度的控制用蒸汽通入量来调节。反应时间30—40分钟，反应基本结束后，停止蒸汽，继续搅拌待用。

2.2.2粉煤粉碎混合工序：

粉煤经皮带运输机送入鼠笼式粉碎机粉碎至0-2mm ，进入双轴搅拌机与腐植酸钠溶液混合后，经皮带运输机送入沤场堆沤。

2.2.3堆沤工序：

堆沤的目的是使腐植酸钠溶液同润湿粉煤颗粒表面和浸入颗粒内部，以提高其粘结性能，根据沤制温度确定沤制时间，使水份及腐植酸钠有足够的时间均匀渗入原料煤颗粒, 以保证压棒质量。

2.2.4煤棒压制工序：

从堆沤池来的粉煤经皮带输送至单轴搅拌机，经调整水份至10-12%后经皮带进入煤棒机，经煤棒机挤压成型。

2.2.5煤棒烘干工序：

经煤棒机挤压成型后, 进入干燥炉烘干后入炉。

2.3型煤的干馏

2.3.1干馏概念

在隔绝空气及氧气的条件下，将煤或其他固体燃料加热，使其分解的过程，通称为干馏。

2.3.2干馏的分类

根据最终加热温度的高低，分为三类：

（1） 低温干馏：最终加热温度在摄氏600度左右；

（2） 中温干馏：最终加热温度在摄氏750度左右；

（3） 高温干馏：最终加热温度高于摄氏900度

3 实验设计

实验中用到的实验药品主要是粉状烟煤原煤样、腐植酸钠、粘土、清水、活性炭。

整个实验内容是从粉状烟煤型煤的制备到热稳定性及干馏粉化程度测定与评价。在制备型煤过程中，除要用到的设备主要有粉碎机、搅拌机、煤棒机、干燥箱。

从实验原理可以看出，在热稳定性测定过程中需要控制参数有加热温度、加热时间，因此需要的设备主要有智能控温仪。因试样需在隔绝空气或氧气环境下加热，因此需要氮气瓶、活性炭、耐火土。因盛试样的容器及设备需在高温下工作，因此需要用电阻炉、瓷坩埚、坩埚钳及坩埚架。

4 实验步骤

本实验内容分为原煤的取样、型煤的制备、型煤的干馏以及热稳定性测定四大部分。原煤取样部分预期需时2个工作日；型煤制备部分预期需时3个工作日，型煤干馏及热稳定性测定预期需1个工作日。

4.1原煤的取样

实验选用太西煤集团民勤实业有限公司红沙岗年产240万吨原煤一号大型机械化矿井产出烟煤。该烟煤为灰黑色块状和粉状混合物。

原煤取样流程主要分作五个步骤，即取样准备、煤样采集、煤样称重、煤样保存、煤样全分析，详细操作过程如后所述。

4.1.1 取样准备

（1）物品准备：内衬保湿膜的新化肥编织袋6条，15cm 长扎袋绳6根，铁锹1把，载重1000公斤左右的皮卡1台。

（2）人员及分工：我方负责人1名，负责与矿方接洽；司机1名，负责驾驶皮卡；其他工作人员两名，负责煤样采集、装包、装车、卸车。

4.1.2煤样采集

红沙岗一号矿产出煤分为两类堆放，一堆为前期采出煤，一堆为当期采出煤。样煤取自当期采出煤堆。取样采用煤堆取样，即参照行业标准MT/T 915-2002 中

6.4型煤堆采样方法，将子样分布在煤堆的顶、腰、底（距地面0.5m 以上）上。

将采集到的煤样装入准备好编织袋，扎好袋口，装入皮卡车厢内，运往公司型煤作业区地磅处。

4.1.3 煤样称重

将装有煤样皮卡过磅，记录重量，将煤样运往型煤作业区棒机房卸下，将皮卡再次过磅，记录重量，前后两次重量相减算得煤样重量约400公斤。

4.1.4 煤样保存

将装有煤样的编织袋靠墙直立存放在型煤作业区棒机房内待用。

4.1.5 煤样全分析

4.1.5.1分析用子煤样采集。分别解开六个装煤样的编织袋口，从六个编织袋各取等量的煤样装入备好的子煤样袋中，共采集2公斤煤样用于全分析。

4.1.5.2煤全分析及结果。煤全分析由中化分析人员按照标准分析方法分析。分析结果汇总在表1中：

4.1.5.3煤全分析人员及分工。工程中心负责到棒机房样煤编织袋中采集分析用样并送到中化实验室交给中化分析人员。中化分析人员负责对煤样各项指标分析测定并记录分析结果。

4.2 型煤的制备

该部分主要包括五个工序，即腐植酸钠提取，粉煤粉碎，混合添加剂及堆沤，煤棒压制，煤棒烘干。

为缩短实验周期，本实验中直接使用细颗粒状成品腐植酸钠，省略腐植酸钠提取工序。

本实验中添加剂选用粘土。黏土由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物和碱土金属氧化物组成，并含有石英、长石、云母及硫酸盐、硫化物、碳酸盐等杂质。粘土矿物的颗粒细小，常在胶体尺寸范围内，呈晶体或非晶体，大多数是片状，少数为管状、棒状。研究表明，碱金属氧化物用在型煤中可起到催化剂的作用，目的是提高煤的活性。因此，粘土用在型煤中起到催化剂的作用。因粘土具有可塑性、结合性，用在型煤中，还起到粘结剂的作用。

腐植酸钠系采用天然含腐植酸的优质低钙低镁风化煤经化学提炼而成，它是多功能的高分子化合物，含有羟基，醌基，羧基等较多的活性基团，具有很大的

内表面积，有较强的吸附，交换，络合，螯合能力。用在型煤中起到型煤粘合剂的作用。

4.2.1 粉煤粉碎

实验所用粉碎机为锤击式粉碎机，进料粒度≤20mm ，出料粒度≤6mm 。型煤工艺要求粉煤粉碎至粒度≤2mm 。本实验未购置破碎粒度对应的专用粉碎机，为保证粉碎后的煤粉能接近型煤工艺要求粒度。将出粉碎机的煤粉再用网孔孔径≤2mm 的钢丝网筛筛分，筛下部分装包备用。筛上部分经粉碎机再次粉碎后筛分。如此循环操作5次以上，最终使得筛上部分剩余质量少于2公斤（因2公斤剩余相对400公斤煤样，占比很小，对实验影响不大；剩余2公斤左右时，很难进一步粉碎。所以2公斤剩余时结束粉碎）。

4.2.1.1粉碎准备

（1）安装固定粉碎机。

（2）联系电工接通粉碎机电机电源及控制开关。

（3）清扫粉碎场地，使场地清洁干净，避免玷污煤样。

（4）准备两把铁锹，用于粉碎机加料，转移粉碎机出料，粉碎后粉煤筛分。

（5）解开样煤编制袋扎口绳。

4.2.1.2粉碎步骤

（1）原煤样筛分。用铁锹将原煤样分散在钢丝网筛（45度倾斜）将进行筛分，筛下部分装包备用，筛上部分堆放待粉碎。

（2）筛上部分粉碎。一个人用铁锹向粉碎机进料口加料，一个人用铁锹将粉碎后的煤样从粉碎机出料口移出堆放。

（3）粉碎后的煤样筛分。方法同（1）

（4）重复进行（2）、（3）步骤，直到筛上部分剩余质量少于2公斤，粉碎结束。

4.2.2 混合添加剂及堆沤

将粉碎后装包的细煤粉用地磅称重，重约380公斤。将盛装在编织袋中的细煤（380公斤）、腐殖酸钠（20公斤）、粘土（15公斤）、清水（约80公斤）用手推车运至型煤原料混合沤制地点，铺开塑料篷布，现将细煤在塑料篷布上倒成一堆，再将腐植酸钠及粘土均匀撒在堆上，然后反复倒堆翻混3次，基本混匀后再边洒水边翻混3次，使水分含量约达17%，混合均匀，堆成一堆后用篷布包裹堆沤24小时，制成型煤原料。

4.2.3 煤棒压制

将型煤原料从混合沤制地点用手推车运至棒机房4#棒机进料平台，取1公斤型煤原料送中化人员分析，分析结果见表2；4#煤棒机经清理、安装螺旋、安

装机头、洒水湿润、送电空转后，加入型煤原料，将出料返至加料口，经3次返料后，压出成型的煤棒；取少量湿煤棒密封于塑料袋中送中化分析，分析结果见表3。

表2 沤制煤样全分析

表3 湿煤棒样全分析

4.2.4 煤棒烘干

将刚出煤棒机的成型湿煤棒铺放在棒机房内篷布上，进行自然阴干；取少量煤棒置于棒机房外，自然风干。

4.3 型煤的干馏

4.3.1干馏的概念

干馏是固体或有机物在隔绝空气条件下加热分解的反应过程。干馏的结果是生成各种气体、蒸气以及固体残渣。气体与蒸气的混合物经冷却后被分成气体和液体。

4.3.2干馏的机理

干馏是一个复杂的化学反应过程，包括脱水、热解、脱氢、热缩合、加氢、焦化等反应。不同物质的干馏过程虽各有差别，但一般均可分为三个阶段：①脱水分解。干馏操作初期，温度相对较低，有机物首先脱水，随着温度升高，逐渐分解产生低分子挥发物。②热解。随着干馏温度的继续升高，有机物中的大分子发生键的断裂，即发生热解，得到液体有机物(包括焦油) 。这些干馏产物随干馏物质而异，如干馏糠壳可得糠醛，干馏油页岩可得页岩油和一些杂环化合物。③缩合和碳化。当温度进一步提高时，随着水和有机物蒸气的析出，剩余物质受热缩合成胶体。同时，析出的挥发物逐渐减少，胶体逐渐固化和碳化。随着温度升高、加热时间延长，所生成的固体产物中的碳含量逐渐增多，氢、氧、氮和硫等其他元素含量逐渐减少。从木材干馏可得木炭，从煤可得焦炭。

4.3.3干馏过程的条件

不同物质的干馏所需的温度差别很大，可以从 100℃以上（如木材干馏）到1000℃左右（如煤高温干馏）。压力可以是常压，也可以是减压。干馏所得气、液、固产物的相对数量随加热温度和时间变化而有差别，如低温干馏一般可获得较多的液体产物。因此，变换和调节干馏过程的条件即可达到不同的生产目的。

4.3.4实验过程

4.3.4.1试验准备。

为了排除煤棒长度和截面积差异对实验结果的影响，将压制烘干后的煤棒，用钢锯条截成5cm 长的小段并保证截面整齐，共截取8小段备用。为了保证实验用电阻炉内实验煤棒处在无氧气氛中，实验开始需用氮气将炉内空气赶出，将压力为10MPa 的氮气瓶安装好减压阀、压力表、输气管后备用。为了避免电阻炉热电偶插孔及排气管出口漏入空气，采用耐火土加水制成泥团并堵塞在电阻炉热电偶插孔外口及排气管出口空隙，因此将耐火土加水制成泥团备用。在干馏结束自然降温阶段，因降温导致电阻炉内形成负压，必定有少量空气吸入。为确保电阻炉内为无氧气氛，在瓷坩埚内装满活性炭颗粒后放置在电阻炉内，因活性炭还原性比煤棒高，故优先与漏入的空气中的氧气反应，而不与煤棒反应。试验前将活性碳颗粒装入小瓷坩埚备用。为防止升温速度过快导致煤棒粉化，升温过程采用程序升温。即每次升高100摄氏度，保持该温度15分钟，再次升温。因文献中指出实际生产中干馏温度控制在850摄氏度，故我们初次实验将干馏最终温度设定在700摄氏度。因文献指出实际生产中干馏时间在10小时，故我们初次实验将干馏最终温度下干馏时间定为2小时。

4.3.4.2试验步骤。

4.4 型煤的热稳定性测定

4.4.1热稳定性概念

热稳定是指型煤在高温作用下保持原来粒度的性质。

4.4.2热稳定性测定方法

本实验采用行业标准MT 924-2004-T 工业型煤热稳定性测定方法进行测定。

4.4.3热稳定性测定过程

将自然阴干后的煤棒放入干燥温度为105摄氏度的干燥箱内干燥4小时，除去游离水。取4小段烘干后的煤棒，称重后装入瓷坩埚内，放进850摄氏度的电阻炉加热，半小时后取出，观察形貌并拍照，置室内自然冷却，按4.4.2测定方法进行操作，记录筛上，筛间，筛下残焦质量m +13、m 3−13、 m−3。

5 实验数据处理

型煤的制备

沤制

称取腐植酸钠 20kg ，加入清水 80 kg

称取粘土 15 kg

沤制时间 24小时

型煤的干馏

烘干

烘干温度 105℃

烘干时间 4小时

干馏

升温程序 25℃-10min-260℃（保持15min ）-10min-300℃（保持15min ）干馏温度 700℃

干馏时间 2小时

干馏前型煤质量m1干馏后型焦质量m2干馏型焦产率（%）х= 80.45 %

干馏型焦产率计算：

干馏型焦产率（%）

х=m2×100 1m

式中：

X ——干基干馏型焦产率，单位为百分数（%）；

m1——干馏前型煤质量，单位为克（g ）；

m2——干馏后型焦质量，单位为克（g ）。

型煤的热稳定性实验

升温程序 900℃-8min-850℃（保持到实验结束） 热稳定性测定加热温度 850℃

加热时间 0.5小时（含前8min ） 称重

m +13m −3

热稳定性指标的计算

根据行业标准MT 924-2004-T 工业型煤热稳定性测定方法，热稳定性指标的计算 式如下：

BTS +13=

BTS −3m +13m m −3m ×100„„„（1） =×100„„„（2）

式中：

BTS +13——型煤的热稳定性指标，单位为百分数（%）；

BTS −3——型煤的热稳定性辅助指标，单位为百分数（%）；

m +13——粒度大于13mm 的残焦质量，单位为克（g ）；

m −3——粒度小于3mm 的残焦质量，单位为克（g ）；

m ——残焦总质量，单位为克（g ）。

热稳定性指标的评价

热稳定性指标的评价参照行业标准“MT/T560-1996煤的热稳定性分级”进行。

6 结果与讨论

（1） 腐植酸钠添加量对型煤热稳定性及干馏粉化程度的影响。

（2） 粘土添加量对型煤热稳定性及干馏粉化程度的影响。

（3） 煤棒原料水含量对型煤热稳定性及干馏粉化程度的影响。

（4） 煤棒原料沤制时间对型煤热稳定性及干馏粉化程度的影响。

（5） 煤棒原料煤煤质对型煤热稳定性及干馏粉化程度的影响。

（6） 煤棒原料煤煤粉粒度对型煤热稳定性及干馏粉化程度的影响。

（7） 煤棒干馏升温速度对粉化程度的影响。

（8） 煤棒干馏最终温度对粉化程度的影响。

（9） 煤棒干馏时间对粉化程度的影响。