一种低灰分煤制备超纯煤的系统及方法

1.本发明涉及超纯煤制备技术领域，尤其涉及一种低灰分煤制备超纯煤的系统及方法。


背景技术：

2.目前对于高纯度碳材料的需求越来越大，煤基碳材料由于其成本低、稳定性良好和制备工艺较成熟等优点，使得煤基碳材料有着广阔的应用前景。超纯煤可以作为制备煤基碳材料的原料，超纯煤制备方法主要分为化学法和物理法两大类。在物理法方面，超纯煤制备技术已经开展了大量的研究，但仍存在许多限制，如能耗高、设备维护成本高、深度脱灰效率不高等问题，只有少数方法有工业化应用，绝大多数仍停留在实验室阶段。部分化学制备超纯煤技术已经实现工业化，但是工艺方面还存在一些不足，如酸碱法虽脱灰效率高、工艺适应性强、精煤产率高，但使用药剂量大、试剂回收率不高、工艺成本高，且试剂腐蚀性强，对环境有一定的影响。传统的熔融碱沥滤法将煤直接与熔融碱进行混合，引起煤中的灰分与碱的反应速率低以及后期处理过程中碱的回收率低等一系列问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明的实施例提出一种低灰分煤制备超纯煤的系统及方法。
5.一方面，本发明提出了一种低灰分煤制备超纯煤的系统，包括：
6.熔融碱沥滤罐；
7.设置在所述熔融碱沥滤罐上游的前处理工艺系统，所述前处理工艺系统包括上下游依次设置的研磨筛分装置、微波处理设备、第一酸洗设备、第一水洗设备和第一干燥设备，所述第一干燥设备出口端连接所述熔融碱沥滤罐入口端；
8.设置在所述熔融碱沥滤罐下游的后处理工艺系统，所述后处理工艺系统包括上下游依次设置的第二水洗设备、第二酸洗设备、第三水洗设备和第二干燥设备，所述第二水洗设备入口端连接所述熔融碱沥滤罐出口端；
9.酸再生设备和碱再生设备，所述碱再生设备下游设置烟气处理装置。
10.在一些实施例中，来自电厂的高温烟气为所述第一干燥设备、第二干燥设备和所述熔融碱沥滤罐提供热源，所述高温烟气的温度大于450℃。
11.在一些实施例中，所述高温烟气在所述第一干燥设备、所述第二干燥设备和所述熔融碱沥滤罐中换热后成为中温烟气，所述中温烟气为所述第一酸洗设备提供热源，所述中温烟气的温度为380℃～400℃。
12.在一些实施例中，所述中温烟气在所述第一酸洗设备中换热后成为低温烟气，所述低温烟气为所述第二酸洗设备提供热源，所述低温烟气的温度为200℃～250℃。
13.在一些实施例中，所述低温烟气在所述第二酸洗设备中换热后通入所述碱再生设备，所述碱再生设备对所述低温烟气中的二氧化碳进行吸收利用。
14.在一些实施例中，所述第一酸洗设备、所述第一水洗设备、所述第二水洗设备、所述第二酸洗设备、所述第三水洗设备和所述熔融盐沥滤罐均采用浆式搅拌器。
15.在一些实施例中，所述第一酸洗设备、所述第一水洗设备、所述第二酸洗设备和所述第三水洗设备的废液通入所述酸再生设备。
16.在一些实施例中，所述第二水洗设备的废液通入所述碱再生设备。
17.在一些实施例中，低灰分原煤经所述研磨筛分装置处理后得到粒径在0.5mm以下的煤粉。
18.另一方面，本发明提出了一种低灰分煤制备超纯煤的方法，包括以下步骤：
19.低灰分原煤经研磨筛分、微波处理后进入第一酸洗设备进行酸洗，酸洗完成后进入第一水洗设备进行水洗，水洗完成后进入第一干燥设备干燥后通入熔融碱沥滤罐；
20.沥滤完成后得到沥滤煤，所述沥滤煤经第二水洗设备水洗后，进入第二酸洗设备进行酸洗，酸洗完成后进入第三水洗设备进行水洗，水洗完成后进入第二干燥设备干燥后得到超纯煤；
21.高温烟气为第一干燥设备、第二干燥设备和熔融碱沥滤罐提供热源，所述高温烟气换热后得到的中温烟气为第一酸洗设备提供热源，所述中温烟气换热后得到的低温烟气为第二酸洗设备提供热源，换热后的所述低温烟气通入碱再生设备。
22.相对于现有技术，本发明的有益效果为：
23.本发明在将煤粉送入熔融碱沥滤罐前对煤粉进行了微波预处理，微波预处理使得煤中部分结构发生断裂形成裂缝，增加了反应物与煤的接触区域，使得后续的酸洗以及沥滤的速度得以加快。
24.本发明对沥滤后的煤进行处理时并没有直接使用酸洗，而是先进行水洗然后进行酸洗，这样做的目的简化了酸和碱回收的步骤，提高了系统经济性。
25.本发明系统的主要能源来源于高温烟气，高温烟气中的能量经过梯级利用为系统供能，提高了能源利用效率，此外烟气最后经过碱洗液，烟气中的co2被用于碱再生，减少了co2的排放，提高了环境效益。
附图说明
26.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
27.图1为本发明低灰分煤制备超纯煤的系统示意图。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的低灰分煤制备超纯煤的系统及方法。
30.如图1所示，本发明的低灰分煤制备超纯煤的系统，包括熔融碱沥滤罐、前处理工艺系统、后处理工艺系统、酸再生设备和碱再生设备，其中，前处理工艺系统设置在熔融碱沥滤罐上游，后处理工艺系统设置在熔融碱沥滤罐下游。
31.前处理工艺系统包括上下游依次设置的研磨筛分装置、微波处理设备、第一酸洗设备、第一水洗设备和第一干燥设备，第一干燥设备出口端连接熔融碱沥滤罐入口端。
32.在利用低灰分煤制备超纯煤时，首先将低灰分原煤经研磨筛分装置进行破碎、粗磨与细磨后得到煤粉，低灰分原煤经研磨筛分装置处理后得到的煤粉的粒径在0.5mm以下；然后将煤粉送入微波处理设备中进行微波处理，煤粉经微波处理后进入第一酸洗设备进行酸洗。煤粉在第一酸洗设备中酸洗的温度为70℃～95℃，酸洗可以溶解煤中的绝大部分矿物，如fe2o3、cao、mgo、na2o和caco3等，酸洗后煤中的灰分主要为sio2、含铝矿物以及含硫矿物。在煤粉进入熔融碱沥滤罐前对煤进行了酸洗，这一步骤使得煤中绝大部分碱金属被除去，剩余灰分主要为sio2、含铝矿物以及含硫矿物，煤粉进入熔融碱沥滤罐后，naoh可以快速的与这些物质反应，使得沥滤速度与效率均得以提高，同时减少了反应物的种类，简化了后续的碱回收步骤，提高了系统经济性。
33.在将煤粉送入第一酸洗设备前对煤粉进行微波预处理，不同的物质在受到微波辐射时会表现出不同的特性，有的物质会吸收微波，但不同物质吸收微波的能力并不相同；有的物质不会吸收微波，甚至会反射微波。这种特性差异使得用微波辐射对煤粉进行预处理时，煤中的不同物质的升温速率不同，在微波加热一段时间后，煤粉中会出现相变和膨胀等现象，其中，相变主要是煤粉中含有的水的相变，在煤基质中产生内部压力，会削弱结构并产生裂缝。因此，微波预处理可以使矿物与酸、碱的的接触面积增大，使煤中的灰分更易脱除，提高脱灰效率。
34.煤粉经第一酸洗设备酸洗后，进入第一水洗设备进行水洗，水洗的作用主要是将残留的盐酸以及酸洗后产生的可溶于水的物质进行洗涤，水洗时间在1～2h，洗涤后的溶液接近中性即可。煤粉经第一水洗设备水洗后，进入第一干燥设备进行干燥，干燥完成后进入熔融碱沥滤罐。干燥后的煤粉在熔融碱沥滤罐中进行沥滤，在沥滤过程中，温度范围在370℃～390℃，沥滤时间为1～3h，煤中的含硅化合物，游离的sio2和大部分硅酸盐都能与oh-反应生成可溶性硅酸钠而被除去，高岭土类化合物和某些硅酸盐与碱作用，生成可溶于酸的衍生物na2o
·
al2o3·
2sio2·
xh2o。
35.后处理工艺系统包括上下游依次设置的第二水洗设备、第二酸洗设备、第三水洗设备和第二干燥设备，第二水洗设备入口端连接熔融碱沥滤罐出口端。沥滤过程结束后得到沥滤煤，沥滤煤经过水洗、酸洗、再水洗、干燥等步骤得到超纯煤产品。具体为，从熔融碱沥滤罐出口端流出的沥滤煤进入第二水洗设备进行水洗，水洗的作用主要是清洗沥滤煤中混合的碱，以及沥滤过程中生成的溶于水的硅酸钠等物质，使用水清洗直至水洗废液接近中性即可。经第二水洗设备水洗完成后的沥滤煤进入第二酸洗设备进行酸洗，酸洗液的温度范围为50℃～70℃，酸洗目的是脱除沥滤过程中生成的可溶于酸的物质，达到灰分深度脱除的效果。经第二酸洗设备酸洗完成后的沥滤煤进入第三水洗设备进行水洗，水洗的目的是去除残留的盐酸以及各种杂质离子，此次水洗需要反复清洗，直至水洗液呈中性。经第三水洗设备水洗完成后的沥滤煤进入第二干燥设备进行干燥处理，干燥完成后得到超纯煤。
36.沥滤煤经过了水洗、酸洗、再水洗的处理，在酸洗前加了一步水洗步骤，这样可以将沥滤煤中混合的大量的碱进行回收。若在酸洗前不进行水洗，而是直接进行酸洗，酸和碱会发生反应增加酸的用量，并且碱回收的成本大大增加。
37.在一些实施例中，第一酸洗设备、第一水洗设备、第二水洗设备、第二酸洗设备、第三水洗设备和熔融盐沥滤罐均采用浆式搅拌器。浆式搅拌器通过旋浆转动使煤粉与溶液充分混合，促进煤粉中相关物质与相应的溶液或熔融碱反应，并且浆式搅拌器的结构简单，性能可靠，易于大型化。
38.来自电厂的高温烟气为第一干燥设备、第二干燥设备和熔融碱沥滤罐提供热源，高温烟气的温度大于450℃。高温烟气在第一干燥设备、第二干燥设备和熔融碱沥滤罐中换热后成为中温烟气，中温烟气为第一酸洗设备提供热源，中温烟气的温度为380℃～400℃。中温烟气在第一酸洗设备中换热后成为低温烟气，低温烟气为第二酸洗设备提供热源，低温烟气的温度为200℃～250℃。低温烟气在第二酸洗设备中换热后通入碱再生设备，碱再生设备对低温烟气中的二氧化碳进行吸收利用。
39.具体为，整个系统中的热源主要由来自电厂的高温烟气提供，高温烟气的温度高于450℃。在第一干燥设备、第二干燥设备和熔融碱沥滤罐中，高温烟气通过换热器进行换热，从而为熔融碱沥滤罐加热熔融碱以及保持罐中温度提供热量，同时为第一干燥设备和第二干燥设备提供热源。高温烟气换热后的烟气为中温烟气，中温烟气的温度为380℃～400℃。在第一次酸洗设备中，中温烟气通过换热器进行换热，从而为第一酸洗设备的酸洗过程提供热源。中温烟气换热后的烟气为低温烟气，低温烟气的温度为200℃～250℃。在第二次酸洗设备中，低温烟气通过换热器进行换热，换热后的烟气温度为50℃～70℃。换热后的低温烟气通入碱再生设备，碱再生设备对烟气中的二氧化碳吸收以用于碱再生过程，经过洗气等步骤后烟气达到常温。在碱再生设备的下游设置烟气处理装置，烟气经碱再生设备流出后，进入烟气处理装置，烟气经烟气处理装置处理后排向大气。在此过程中，烟气先进入第一次酸洗设备再进入第二次酸洗设备是因为沥滤后的煤温度很高，自身可以提供一定的热量，因此第二次酸洗设备可以利用较低温度的烟气。本发明的系统实现了高温烟气能量的梯级利用，最大程度上提高能源的利用率，实现对低灰分煤的深度脱灰，同时为烟气的处理提供新途径。
40.第一酸洗设备、第一水洗设备、第二酸洗设备和第三水洗设备的废液通入酸再生设备。第二水洗设备的废液通入碱再生设备。具体为，酸再生设备用于酸再生过程，第一酸洗设备和第二酸洗设备产生的酸洗废液以及第一水洗设备和第三水洗设备产生的水洗废液中含有大量的酸，将废液通入酸再生设备得到酸和金属矿物副产品，得到的酸可以再次用于本发明系统，从而实现了酸的循环利用，减少了能源消耗。本发明的系统中将第一酸洗设备、第一水洗设备、第二酸洗设备和第三水洗设备的废液一起处理，简化了酸回收的工艺。碱再生设备用于碱再生过程，第二水洗设备产生的水洗废液中含有大量的碱，将该废液通入碱再生设备得到碱和硅、铝副产品，得到的碱可以再次用于本发明系统的熔融碱沥滤过程，从而实现了碱的循环利用，减少了能源消耗。碱回收的工艺为首先对废液进行碳化，即废液中通入co2，使得废液中的杂质离子生成沉淀；然后进行过滤，滤液中主要是na2co3，沉淀主要是硅、铝的一些沉淀；然后对滤液进行苛化，即加入cao与na2co3反应生成caco3沉淀与naoh，再经过一系列处理后完成碱的再生。而本发明系统中烟气中的co2正好可以为碱处理步骤提供原料，减少了co2的排放。
41.低灰分煤制备超纯煤的方法，利用本发明的低灰分煤制备超纯煤的系统，包括以下步骤：
42.低灰分原煤经研磨筛分、微波处理后进入第一酸洗设备进行酸洗，酸洗完成后进入第一水洗设备进行水洗，水洗完成后进入第一干燥设备干燥后通入熔融碱沥滤罐；
43.沥滤完成后得到沥滤煤，沥滤煤经第二水洗设备水洗后，进入第二酸洗设备进行酸洗，酸洗完成后进入第三水洗设备进行水洗，水洗完成后进入第二干燥设备干燥后得到超纯煤；
44.高温烟气为第一干燥设备、第二干燥设备和熔融碱沥滤罐提供热源，高温烟气换热后得到的中温烟气为第一酸洗设备提供热源，中温烟气换热后得到的低温烟气为第二酸洗设备提供热源，换热后的低温烟气通入碱再生设备。
45.在一具体实施例中，首先对低灰分的原煤在研磨筛分装置中进行研磨破碎、粗磨、细磨、筛分等处理，得到粒径小于0.5mm的煤粉，然后使用微波处理设备对煤粉进行微波预处理。经过微波处理后的煤首先使用浓度为2mol
·
l-1
稀盐酸溶液在95℃的条件下，在第一酸洗设备中进行酸洗处理1h，然后在第一水洗设备和第一干燥设备分别对煤进行清洗和干燥处理。清洗干燥后的酸洗煤送入熔融碱沥滤罐中与熔融状态的naoh进行混合沥滤脱灰。沥滤2小时后，对沥滤煤在第二水洗设备中进行冲洗，然后使用浓度为2mol
·
l-1
的稀盐酸溶液在70℃的条件下，在第二酸洗设备中进行酸洗处理1h，然后对酸洗后的煤分别在第三水洗设备和第二干燥设备中进行洗涤和干燥等处理，得到灰分含量小于1％的超纯煤产品。
46.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
47.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
48.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种低灰分煤制备超纯煤的系统，其特征在于，包括：熔融碱沥滤罐；设置在所述熔融碱沥滤罐上游的前处理工艺系统，所述前处理工艺系统包括上下游依次设置的研磨筛分装置、微波处理设备、第一酸洗设备、第一水洗设备和第一干燥设备，所述第一干燥设备出口端连接所述熔融碱沥滤罐入口端；设置在所述熔融碱沥滤罐下游的后处理工艺系统，所述后处理工艺系统包括上下游依次设置的第二水洗设备、第二酸洗设备、第三水洗设备和第二干燥设备，所述第二水洗设备入口端连接所述熔融碱沥滤罐出口端；酸再生设备和碱再生设备，所述碱再生设备下游设置烟气处理装置。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，来自电厂的高温烟气为所述第一干燥设备、第二干燥设备和所述熔融碱沥滤罐提供热源，所述高温烟气的温度大于450℃。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述高温烟气在所述第一干燥设备、所述第二干燥设备和所述熔融碱沥滤罐中换热后成为中温烟气，所述中温烟气为所述第一酸洗设备提供热源，所述中温烟气的温度为380℃～400℃。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述中温烟气在所述第一酸洗设备中换热后成为低温烟气，所述低温烟气为所述第二酸洗设备提供热源，所述低温烟气的温度为200℃～250℃。5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述低温烟气在所述第二酸洗设备中换热后通入所述碱再生设备，所述碱再生设备对所述低温烟气中的二氧化碳进行吸收利用。6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一酸洗设备、所述第一水洗设备、所述第二水洗设备、所述第二酸洗设备、所述第三水洗设备和所述熔融盐沥滤罐均采用浆式搅拌器。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一酸洗设备、所述第一水洗设备、所述第二酸洗设备和所述第三水洗设备的废液通入所述酸再生设备。8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二水洗设备的废液通入所述碱再生设备。9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，低灰分原煤经所述研磨筛分装置处理后得到粒径在0.5mm以下的煤粉。10.一种低灰分煤制备超纯煤的方法，其特征在于，利用如权利要求1-9中任一所述的系统，包括以下步骤：低灰分原煤经研磨筛分、微波处理后进入第一酸洗设备进行酸洗，酸洗完成后进入第一水洗设备进行水洗，水洗完成后进入第一干燥设备干燥后通入熔融碱沥滤罐；沥滤完成后得到沥滤煤，所述沥滤煤经第二水洗设备水洗后，进入第二酸洗设备进行酸洗，酸洗完成后进入第三水洗设备进行水洗，水洗完成后进入第二干燥设备干燥后得到超纯煤；高温烟气为第一干燥设备、第二干燥设备和熔融碱沥滤罐提供热源，所述高温烟气换热后得到的中温烟气为第一酸洗设备提供热源，所述中温烟气换热后得到的低温烟气为第二酸洗设备提供热源，换热后的所述低温烟气通入碱再生设备。

技术总结
本发明公开了一种低灰分煤制备超纯煤的系统及方法。本发明在将煤粉送入熔融碱沥滤罐前对煤粉进行了微波预处理，微波预处理使得煤中部分结构发生断裂形成裂缝，增加了反应物与煤的接触区域，使得后续的酸洗以及沥滤的速度得以加快。本发明对沥滤后的煤进行处理时并没有直接使用酸洗，而是先进行水洗然后进行酸洗，这样做的目的简化了酸和碱回收的步骤，提高了系统经济性。本发明系统的主要能源来源于高温烟气，高温烟气中的能量经过梯级利用为系统供能，提高了能源利用效率，此外烟气最后经过碱洗液，烟气中的CO2被用于碱再生，减少了CO2的排放，提高了环境效益。提高了环境效益。提高了环境效益。


技术研发人员：李阳 陈源茂 杨成龙 赵瀚辰 王长安 姚明宇 车得福 蔡铭 贾晨光 崔义 井庆贺 李德军 张洪清 郭洁 孙元帅
受保护的技术使用者：西安交通大学 扎赉诺尔煤业有限责任公司
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/8/1