煤炭燃烧前要如何处理和净化?
1.洗选处理除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质。1991年我国原煤洗选仅18.1%,洗选效率为85%;而发达国家原煤已全部洗选,洗选效率95%以上。
煤炭洗选是利用煤和杂质(矸石)的物理、化学性质的差异,通过物理、化学或微生物分选的方法使煤和杂质有效分离,并加工成质量均匀、用途不同的煤炭产品的一种加工技术。按选煤方法的不同,可分为物理选煤、物理化学选煤、化学选煤及微生物选煤等。
物理选煤是根据煤炭和杂质物理性质(如粒度、密度、硬度、磁性及电性等)上的差异进行分选,主要的物理分选方法有:(1)重力选煤,包括淘汰选煤、重介质选煤、斜槽选煤、摇床选煤、风力选煤等。(2)电磁选,利用煤和杂质的电磁性能差异进行分选,这种方法在选煤实际生产中没有应用。
物理化学选煤—浮游选煤(简称浮选),是依据矿物表面物理化学性质的差别进行分选。目前使用的浮选设备很多,主要包括机械搅拌式浮选和无机械搅拌式浮选两种。
煤炭自动洗选系统化学选煤是借助化学反应使煤中有用成分富集,除去杂质和有害成分的工艺过程。目前在实验室常用化学的方法脱硫。根据常用的化学药剂种类和反应原理的不同,可分为碱处理、氧化法和溶剂萃取等。
微生物选煤是用某些自养性和异养性微生物,直接或间接地利用其代谢产物从煤中溶浸硫,达到脱硫的目的。
物理选煤和物理化学选煤技术是实际选煤生产中常用的技术,一般可有效脱除煤中无机硫(黄铁矿硫),化学选煤和微生物选煤还可脱除煤中的有机硫。目前工业化生产中常用的选煤方法为淘汰、重介、浮选等选煤方法,此外干法选煤近几年发展也很快。
洗选精煤随着科技的进步及时代的发展,处于攻关或业已投入生产的某些特殊洗选工艺也将得到进一步的发展并替代传统工艺。
2.型煤加工
用机械方法将粉煤和低品位煤制成有一定形状和粒度的煤制品。高硫煤成型时可加入适量的固硫剂,大大减少二氧化硫的排放。
型煤是以粉煤为主要原料,按具体用途所要求的配比、机械强度和形状大小,经机械加工压制成型的,具有一定强度和尺寸及形状各异的煤成品。常见的有煤球、煤砖、煤棒、蜂窝煤等。型煤分工业用和民用两大类。工业型煤有化工用型煤,用于化肥造气、蒸汽机车用型煤、冶金用型煤(又称为型焦)。
民用型煤,又称为生活用煤,用于炊事和取暖,以蜂窝煤为主。
型煤生产工艺有无黏结剂成型、有黏结剂成型、热压成型3种。成型机械有冲压式成型机、对辊成型机、螺旋挤压机和蜂窝煤机等。型煤包括很多的种类,型煤可以把煤粉、煤面、煤泥,分别压成球形或者其他形状,也可以把煤粉和煤泥混合压成球形和其他形状,用于锅炉的燃烧和造气。
3.水煤浆
水煤浆热值相当于燃料油的1/2,可代替燃料油用于锅炉、电站、工业炉和窑炉,用于代替煤炭燃用,具有燃烧效益高、负荷调整便利、减少环境污染、改善劳动条件和节省用煤等优点。桂林钢厂以水煤浆代煤粉燃烧,折合标准煤约为90千克/吨材,节煤33%,烟尘排放由732降至240毫克/立方米致癌的氮氧化物含量由280.8毫克/立方米降至44毫克/立方米,使环境和劳动条件得到明显改善。此外,由于燃烧水煤浆工艺性能好,使钢材的烧损率由1.8%下降至1.5%,企业获得较好的经济效益。所以水煤浆技术不仅可用于代油,用于代煤也有节能和环保效益。
我国煤炭资源分布集中在“三西”,即山西、陕西及内蒙古西部。目前有63%的煤炭要从“三西”调出,我国长期存在北煤南运、西煤东调的格局。煤炭的管道运输投资少、建设周期短、营运费低、为全密闭输送,不污染环境。水煤浆经管道输送到终端即可供用户燃用,而且可长期密闭储存,避免了传统煤炭存储造成的污染。
煤气化作为洁净煤技术的重要组成部分,具有龙头地位。它将廉价的煤炭转化成为清洁煤气,既可用于生产化工产品,如合成氨、甲醇、二甲醚等,还可用于煤的直接与间接液化、联合循环发电(IGCC)和以煤气化为基础的多联产等领域。
迄今为止,世界上已经商业化的IGCC大型电站,均采用气流床技术,最具有代表性的是以干煤粉为原料的Shell气化技术和以水煤浆为原料的Texaco气化技术。Shell气化技术即将被引进中国建于洞庭,显现其碳转化率高、冷煤气效率高的优势。相比之下,水煤浆气化技术在中国引进得早,实践时间长,研究开发工作也做得更深入。
经过10多年的实践探索,中国在水煤浆气化技术方面,积累了丰富的操作、运行、管理与制造经验,气化技术日趋成熟与完善。经过长期科技攻关,在水煤浆气化领域,形成完整的气化理论体系,研究开发出拥有自主知识产权,达到国际领先水平的水煤浆气化技术。
煤球含炭,炭具有吸附作用。所以应该是有一点作用,但是与炭包相比,效果不敢肯定。因为煤燃烧后剩下的煤灰中,有很大一部分是属于粘土级别的物质,粘土具有较强的吸附性,所以对甲醛应该也有一定的吸附作用。
煤炭的用途十分广泛,可以根据其使用目的总结为三大主要用途:动力煤、炼焦煤、煤化工用煤,主要包括气化用煤,低温干馏用煤,加氢液化用煤等。
炼焦煤的主要用途是炼焦炭,焦炭由焦煤或混合煤高温冶炼而成,一般1.3吨左右的焦煤才能炼一吨焦炭。焦炭多用于炼钢,是钢铁等行业的主要生产原料,被喻为钢铁工业的“基本食粮”。
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煤炭开采多数以地下矿井开采为主,这种开采方式必然会造成地表塌陷,而且地表塌陷的面积要比煤炭开采面积大1倍左右,长时间的地表塌陷就会在平原地区出现积水受淹的现象。
部分地区也会出现土地资源盐渍化的现象,这对于土地资源的破坏是极其严重的,而在山地地区严重的地表塌陷还会引起山体滑坡和泥石流,对土地资源和生态环境产生了十分不利的影响,极大的破坏了生态平衡。
在煤炭开采的过程中会应用到很多的水资源,这些水资源一般在利用完之后不经处理就直接排放,而煤炭开采的废弃水资源对土地和地表植物具有很大的杀伤力,而且还造成了水资源浪费的现象。
农村冬季取暖最常用的方式就是烧煤,因此每家每户都积累很多煤灰,因此有人就在想这些煤灰究竟有什么用途呢?有的人说,可以将煤炭燃烧后的灰做成肥料,这个用途让人听起来是有点“匪夷所思”,因此,小编专门咨询了一个真这样做的过来人,接下来我们就看看过来人的经验告诉我们的答案是什么样的。
首先,从某方面是不可以用煤炭燃烧都会做肥料的,有一部分可以使用,比如:蜂窝煤然后的渣以及煤炭直接打碎当做燃料扫出来的渣,而且有的煤渣是很好的养花基质,可以作为微量无素补充肥料的,不够最好是用煤圲石煅烧后的渣做为肥料,效果比一般的煤灰要好得多,因为煤圲石中所含植物必需矿质元素量要多一点,特别是农作物生长所必须的Zn、Cu、Co、Mo、Mn等微量元素,这就保证了农作物生长期过程中对微量元素的需要;同时,煤渣是煤炭经过高温燃烧后排出的废渣,高温可以杀死细菌和一切虫卵,这样对于作物有点的防虫保护效果。
当然了,这种原材料的“肥料”是没有办法直接去使用施肥的,而是可以与土粪或者人畜尿相混合来使用的,具体方法:将煤灰粉碎过筛,与人畜粪、黑土按3:1:2的比例混合,混匀后每100千克加水20千克堆积,即可制成氮磷钾齐全的优质肥料,做基肥、种肥均可,若是作为养花的肥料,可以用煤灰1:1或1:2或3去拌匀普通菜园土,不过需要注意的是,这类型的肥料用以栽培玫瑰、月季,牡丹,芍药、木槿、胭脂花等耐偏碱性的植物,同时,煤灰对农作物有一定的增产效果,对麦、稻、油料作物一般增产10%左右,豆科作物增产幅度更大。
不过,有一点我们都知道炭是一种化学性质非常稳定的元素,煤炭的主要元素就是碳,做植物的肥料是很难在土壤中被分解和吸收的,因此还是建议在没有熟练的操作条件下,还是不建议使用这样材料当做肥料给农作物进行施肥,但是,农村有一种常见的“灰”是比较适合肥料,物美价廉哦,那就是“草木灰”!它是一种来源广泛、成本低廉、养分齐全、肥效明显的无机农家肥。而且,别小看了草木灰,对幼苗时的萝卜白菜,作用可不少,既可以杀死菜青虫和一些啃食菜苗的绿色小蚂蚱,还可以当做有机肥滋养青菜,最重要的是不污染环境。
总而言之,煤炭燃烧后的灰有部分是可以作为肥料给植物施肥的,不过为了保险起见还是不建议的,而且相对于煤炭渣还是建议使用草木灰来进行施肥更有效些,但是要注意草木灰只适于酸性土、粘质土,不宜用于含有氯的作物(例如黄豆、烟草等)
岩浆侵入对煤层气储集也具有重要的影响,主要表现在对煤的吸附特征的影响,对煤的孔容的影响,以及对煤的储层和封盖环境的影响等。
岩浆侵入煤层,通过其异常热改变了煤的物理化学结构,进而影响了煤的吸附能力。这里以四个典型侵入类型进行说明。值得指出的是,由于煤中的灰分和水分含量对煤的吸附能力都具有消极的影响,而岩浆接触变质煤一般具有高水分和高灰分,为了消除煤质差别造成对吸附能力的影响,这里的等温吸附参数均取用干燥无灰基的结果进行分析。
图3.12为红菱矿、朱庄矿、陶一矿和郭二庄矿四个矿区的样品的甲烷等温吸附测试曲线。这些样品在甲烷等温吸附前所进行的工业分析结果参见表3.2。
红菱矿岩体侵入对煤的吸附能力产生了消极的影响。从侵入处的三个样品来看,越靠近侵入岩体的样品其吸附能力越低。从变质样与未变质样的对比来看,两个未变质样的吸附能力明显要高(图3.12a)。这说明,该处的岩脉侵入降低煤的吸附能力。
图3.12 岩浆接触变质作用对煤的甲烷吸附特征曲线的影响
朱庄矿为底板侵入型,该处几个煤样的变化规律与红菱矿相反,越靠近岩体煤的吸附能力越高(图3.12b)。对于岩浆接触变质对这两处的差别影响,在煤级和接触类型两方面都找不到非常合理的解释。两处所有样品的镜质组反射率都在1.5%~2.8%之间。前人大量的研究(钟玲文,2004a;苏现波等,2005b;姚艳斌和刘大锰,2007)表明,在该煤级段煤的吸附能力是随煤的反射率增高而增加的。按照这个规律,似乎岩浆接触变质引起的煤的吸附能力提高是较为合理的,然而由于岩浆接触变质对煤的影响是多方位的,即不仅影响了煤的煤级,还影响了煤的孔隙结构的变化等,这造成岩浆对煤的吸附能力的影响产生了非常复杂的效果,很难用简单的变化规律来解释。
陶一矿为混合侵入型,该处的四个样品吸附能力均非常低,均在1m3/t以下(图3.12c)。如此低的吸附能力说明:受岩浆影响,该处煤样的物理和化学结构已发生了严重的变化,煤中的那些对吸附能力有益的组分或结构均较大程度消失。四个样品的共同特点是,煤样的Ro均在5.68%以上,且几个样品的孔容和孔表面积较其他区的样品明显要低很多(表3.2)。郭二庄矿也呈现类似的情况,即四个样品中有三个样的最大吸附量在4m3/t以下(图3.12d),同时离岩体远近不同煤的吸附能力变化规律不明显。究其原因,主要是这几个样品的煤级也都比较高,都在4.2%以上。这种超无烟煤的孔容和孔表面积都较低(表3.2),这是造成其吸附能力较低的主要原因。
对比以上四个矿区的典型样品发现,岩浆的侵入类型对煤的吸附能力的影响不大,但是岩浆侵入引起的煤级的变化主导了对吸附能力影响的变化规律,也就是侵入后引起煤的吸附能力的高低与侵入后引起的煤级的高低相关(图3.13)。当岩浆热变质影响较小,使得热变煤的反射率小于2.1%时,侵入会增强煤的吸附能力,煤的兰氏吸附体积由侵入前的7.6m3/t增加为17.5m3/t左右。当岩浆热变质影响较大,使得热变煤的反射率介于2.1%~3.4%之间时,岩浆侵入会轻微降低煤的吸附能力,使煤的兰氏吸附体积由背景值27.2m3/t降低为19.3m3/t。当岩浆侵入对煤级的影响较大,导致煤变质成为超无烟煤(Ro>3.4%)后,则岩浆侵入会显著降低煤的吸附能力,甚至使煤丧失吸附能力。笔者认为,这种规律可以从高煤级煤的演化规律来解释,即第三个煤化作用点(Ro约4.5%)是高煤级演化历程中最重要的分化性界限之一(韩德馨,1995)。在该界限前后,煤的物理及化学性质均发生了突然的变化。一般在这个阶段之后,煤的芳碳率增长减缓,环缩合指数持续明显增长,基本结构单元的堆砌度及堆砌层数达到极大值,煤的孔隙性急剧降低,这是造成煤的吸附性显著降低的主要原因。因此,对于超无烟煤,无论是否是由于岩浆接触变质引起,其吸附能力非常低是其典型特点之一。
图3.13 受岩浆变质煤样的吸附能力与煤级的关系
从岩浆侵入对煤的吸附能力影响规律可得出,一般岩浆侵入处煤层气以游离气富集为主,而吸附气可能含量很少,特别是高变质区。因此,在岩浆侵入处,应重视游离气的勘探和开发。
这是相对来说最实用的办法了。
研制新型燃烧器如低NOx燃烧器,使燃料和空气逐渐混合,或调节燃料与空气的混合比,降低火焰温度,减少NOx生成。流化床燃烧,把煤和吸附剂加入燃料床层中,沸腾燃烧,减少SO2排放,且燃烧温度较低,大大减少NOx的生成量。第二代流化燃烧技术——循环流化床,进一步降低NOx排放量并提高脱硫率和燃烧效率。
低NOx燃烧器及低氮氧化物燃烧器,是指燃料燃烧过程中NOx的排放量低的燃烧器,采用低NOx燃烧器能够降低燃烧过程中氮氧化物的排放。
在燃烧过程中所产生的氮的氧化物主要为NO和NO2,通常把这两种氮的氧化物通称为氮氧化物NOx。大量实验结果表明,燃烧装置排放的氮氧化物主要为NO,平均约占95%,而NO2仅占5%左右。
一般燃料燃烧所生成的NO主要来自两个方面:1.燃烧所用空气(助燃空气)中氮的氧化;2.燃料中所含氮化物在燃烧过程中热分解再氧化。在大多数燃烧装置中,前者是NO的主要来源,我们将此类NO称为“热反应NO”,后者称之为“燃料NO”,另外还有“瞬发NO”。
燃烧时所形成NO可以与含氮原子中间产物反应使NO还原成NO2。实际上除了这些反应外,NO还可以与各种含氮化合物生成NO2。在实际燃烧装置中反应达到化学平衡时,[NO2]/[NO]比例很小,即NO转变为NO2很少,可以忽略。
NOx是由燃烧产生的,而燃烧方法和燃烧条件对NOx的生成有较大影响,因此可以通过改进燃烧技术来降低NOx,其主要途径是:
1.选用N含量较低的燃料,包括燃料脱氮和转变成低氮燃料;2.降低空气过剩系数,组织过浓燃烧,来降低燃料周围氧的浓度;3.在过剩空气少的情况下,降低温度峰值以减少“热反应NO”;4.在氧浓度较低情况下,增加可燃物在火焰前峰和反应区中停留的时间。
减少NOx的形成和排放通常运用的具体方法为:分级燃烧、再燃烧法、低氧燃烧、浓淡偏差燃烧、烟气再循环等。
燃烧器是工业炉的重要设备,它保证燃料稳定着火燃烧和燃料的完全燃烧等过程,因此,要抑制NOx的生成量就必须从燃烧器入手。根据降低NOx的燃烧技术,低氮氧化物燃烧器大致分为以下几类:
1.阶段燃烧器。根据分级燃烧原理设计的阶段燃烧器,使燃料与空气分段混合燃烧,由于燃烧偏离理论当量比,故可降低NOx的生成。
2.自身再循环燃烧器。一种是利用助燃空气的压头,把部分燃烧烟气吸回,进入燃烧器,与空气混合燃烧。由于烟气再循环,燃烧烟气的热容量大,燃烧温度降低,NOx减少。
3.浓淡型燃烧器。其原理是使一部分燃料作过浓燃烧,另一部分燃料作过淡燃烧,但整体上空气量保持不变。由于两部分都在偏离化学当量比下燃烧,因而NOx都很低,这种燃烧又称为偏离燃烧或非化学当量燃烧。
4.分割火焰型燃烧器。其原理是把一个火焰分成数个小火焰,由于小火焰散热面积大,火焰温度较低,使“热反应NO”有所下降。
5.混合促进型燃烧器。烟气在高温区停留时间是影响NOx生成量的主要因素之一,改善燃烧与空气的混合,能够使火焰面的厚度减薄,在燃烧负荷不变的情况下,烟气在火焰面即高温区内停留时间缩短,因而使NOx的生成量降低。混合促进型燃烧器就是按照这种原理设计的。
脱硫专用的烟囱循环流化床燃烧(CFBC)技术系指小颗粒的煤与空气在炉膛内处于沸腾状态下,即高速气流与所携带的稠密悬浮煤颗粒充分接触燃烧的技术。
通常用等温吸附的兰氏(Langmuir)参数来评价煤储层的吸附性能。常用的参数有兰氏体积(V1)和兰氏压力(P1)。兰氏体积的物理意义是煤层气储层的极限吸附量,代表煤储层的吸附能力。兰氏压力的物理意义是实际吸附量达到极限吸附量50%时的压力,代表煤层气储层吸附气体的难易程度。兰氏压力小者,等温吸附线的曲率大,说明煤在低压区吸附量相对较大,而在高压区随着压力增大煤的吸附量增加速度减少。兰氏压力大者,等温吸附线的曲率小,说明煤在低压区吸附量相对较小,而在高压区随着压力增大煤的吸附量迅速增高。兰氏体积反映了煤的最大吸附能力,但并不说明在某个压力下兰氏体积大者其吸附量就大;在一定压力下,尤其在较低压力区,煤的吸附量不但与兰氏体积的大小有关,更重要的是与兰氏压力有关,兰氏压力越小吸附量就越大,反之吸附量越小。
表2.10 华北地区煤储层吸附和煤质分析实验数据表
华北地区42件平衡水煤样的等温吸附分析测试结果表明(表2.10),煤储层对甲烷的吸附能力存在以下特点:①吸附能力普遍较高。华北地区原煤的兰氏体积在6.22~43.57m3/t,均值为19.01m3/t。其中测试值小于10m3/t的占31%,在10~20m3/t之间的占21.4%,在20~30m3/t之间的占33.4%,而兰氏体积大于30m3/t的约占7.1%。②各煤田(盆地)吸附能力有一定的差异,且与研究区聚煤规律的分布有一定的关系。在华北地区北、中、南三带中,兰氏体积以中带的沁水盆地最高,平均为31m3/t,其次是焦作、安鹤、永夏和荥巩煤田,其值在21~24m3/t之间,而北带和南带相对较差,其中平顶山煤田兰氏体积平均为11.9m3/t,大同和两淮地区都在10m3/t以下,各地区的代表性样品曲线特征见图2.27。③兰氏压力相对较低。全区兰氏压力在0.2~3.83MPa,均值为0.58MPa。与我国西北地区相比(杨起等,2005),华北地区的兰氏压力普遍要低,说明该区煤储层在低压区吸附较容易,而在高压区随着压力增大煤的吸附量的增加速率减少。这样的煤层气储层如果投入开发,则在前期单位压降下的产气量会较小,而只有当压力降到一定程度后,产气量和产气速率才会迅速提高。④兰氏压力的分布规律不明显,以大同煤田和沁水盆地最高,平均约2.5MPa,平顶山煤田约1.8MPa,其他区较低都在1MPa以下。
图2.27 华北地区煤储层甲烷等温吸附曲线特征
活性炭是一种多孔径的炭化物,有极丰富的孔隙构造,具有良好的吸附特性。
对于你说的煤炭吸附瓦斯,这是因为开采煤炭的时候,会有瓦斯(也叫低透气性煤层气), 有利用价值,属于伴生产品,会吸附在煤体上。能源界也在考虑怎么利用这个资源,所以对煤炭吸附瓦斯也有研究。
但这不代表煤炭就可以当作吸附剂来使用。毕竟在地下煤层,瓦斯的吸附也是借助了地下的条件的,开采时就会散发(甚至引发爆炸)。拿出个煤块来,仍然是没用的。