一种水焦浆的制备方法与流程

本发明涉及水焦浆技术领域，尤其涉及一种水焦浆的制备方法。

背景技术：

煤炭分质转化利用是在较低的温度下实现煤炭的分质和利用，并对各个分级产物进行梯级利用吃干榨尽，因此，这种转化方式和转化路线具有较好的节能减排优势。具体的，从煤炭化学结构出发，通过低温热解技术对煤炭进行分质，将煤热解为气、液、固三相物质，再根据各类热解产物的物理化学性质有区别地进行利用，梯级延伸加工。

其中，煤炭在分质后必然会产生大量的低硫高碳多孔的半焦，目前，半焦梯级利用的主要途径为将半焦制备成型焦用于制造清洁燃料或者用于半焦气化，型焦可有效提高半焦的堆密度，而型焦的制备规模小，难以满足半焦的工业化生产规模的需求。

对半焦进行气化已成为主流，半焦气化技术根据煤炭梯级利用技术的不同可以采用干粉气化技术及水煤浆掺混气化技术。为了对半焦进行气化制备富氢合成气，在现有技术中，通常采用水煤浆掺混气化技术。但是，目前，煤炭分质转化后的半焦主要采用干法冷却，设备投资大，并且在半焦干法冷却之后，还需要将半焦进一步破碎，降低半焦的体积之后再与水混合成浆，成浆速度慢，操作流程长，不利于半焦的大规模成浆。

技术实现要素：

为达到上述目的，本发明实施例提供一种水焦浆的制备方法，该制备方法简单，成浆速度较快，适用于半焦的大规模成浆。

本发明实施例提供一种水焦浆的制备方法，包括：

用水对煤气化反应或者热解反应产生的半焦进行激冷，使得所述半焦发生自破裂，同时，所述水填充入所述半焦的孔隙，与发生自破裂后的半焦混合成浆。

可选的，所述水的初始温度满足：所述发生自破裂后的半焦的密度为所述水的密度的80％-120％。

可选的，所述水的初始温度根据公式ρ2＝ρ1+(t1-t2)×φ×ρ水/t1，以及所述半焦和所述水的比热来确定；其中所述ρ2表示所述发生自破裂后的半焦的密度，所述ρ1表示所述半焦的初始密度，t2表示半焦降温后的温度，所述t1表示所述半焦的初始温度，所述ρ水表示所述水的密度，所述φ表示所述半焦的孔隙率。

可选的，所述水的初始温度根据公式ρ2＝ρ1+(t1-t2)×φ×ρ水/t1，以及所述半焦和所述水的比热来确定，具体包括：

将所述半焦的初始温度t1、所述半焦的初始密度ρ1、所述发生自破裂后的半焦的密度ρ2与所述水的密度ρ水之间的预设关系、以及所述半焦的孔隙率φ代入公式ρ2＝ρ1+(t1-t2)×φ×ρ水/t1，计算所述半焦降温后的温度t2；

再根据所获得的所述半焦降温后的温度t2、所述半焦和所述水的比热，确定所述水的初始温度。

可选的，所述半焦的初始温度t1为340-380℃。

可选的，用水对煤气化反应或者热解反应产生的半焦进行激冷使得所述半焦发生自破裂，同时，所述水填充入所述半焦的孔隙，与发生自破裂后的半焦混合成浆；具体包括：

将煤气化反应或者热解反应产生的半焦连续输送至水面以下1/3-2/3高度处，以连续制备水焦浆。

可选的，将煤气化反应或者热解反应产生的半焦连续输送至水面以下1/3-2/3高度处的同时，所述制备方法还包括：将混合成浆后的水焦浆连续输出至下一工段。

可选的，所述制备方法还包括：对所述混合成浆后的水焦浆打循环。

可选的，对所述混合成浆后的水焦浆打循环的流量为将混合成浆后的水焦浆连续输出的流量的2-3倍。

可选的，将煤气化反应或者热解反应产生的半焦连续输送至水面以下1/3-2/3高度处的同时，所述制备方法还包括：

对所述半焦和所述水进行搅拌。

可选的，所述发生自破裂后的半焦的粒度为所述半焦的初始粒度的1/2-1/4。

本发明实施例提供一种水焦浆的制备方法，通过用水对煤气化反应或者热解反应产生的半焦进行激冷，由于高温半焦的强度较小，利用高温半焦与水之间的温差，使得高温半焦遇水后发生自破裂，且半焦在冷却过程中半焦孔隙内的气体降温体积缩小，使得水能够快速占据半焦颗粒中的孔隙，填充气体缩小的空间，与发生自破裂后的半焦混合成浆，在此过程中，高温半焦遇水发生自破裂相当于一个强烈搅拌，与水充分混合成浆的过程，与现有技术中干法降温，并通过机械破碎和机械搅拌进行成浆相比，该制备方法简单，成浆速度较快，适用于半焦的大规模成浆。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高温半焦在发生自破裂之前的粒度分布图；

图2为本发明实施例提供的一种高温半焦在发生自破裂后的粒度分布图；

图3为本发明实施例提供的一种半焦激冷前后的状态结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例提供一种水焦浆的制备方法，包括：

用水对煤气化反应或者热解反应产生的半焦进行激冷，使得所述半焦发生自破裂，同时，所述水填充入所述半焦的孔隙，与发生自破裂后的半焦混合成浆。

其中，需要说明的是，在煤气化反应或者热解反应过程中，煤粉快速升温的速率达到10³-10⁴℃/s，快速升温过程伴随着挥发分的快速相变，煤粉颗粒遭受挥发分快速相变的膨胀力破坏，形成多孔状的半焦。

从半焦的表观形貌上可以得知：高温半焦为多孔结构，表面大孔隙的之比高达50％以上，其密度远远小于水的密度，具有很强的疏水性，在半焦发生自破裂之后，其密度大大提升，半焦颗粒的平均粒度可降低至原有粒度的1/3(如图1所示为高温半焦未发生自破裂之前的粒度分布图；图2为高温半焦发生自破裂后的粒度分布图)，密度可提升至原有密度的200％。

需要说明的是，图1和图2分别为高温半焦发生自破裂前后的粒度分布的一种示例，用于说明高温半焦发生自破裂前后的粒度分布的变化情况，在实际应用中，高温半焦发生自破裂前后的粒度分布范围并不限于此。

基于此，通过用水对煤气化反应或者热解反应产生的半焦进行激冷，由于高温半焦的强度较小，利用高温半焦与水之间的温差，使得高温半焦遇水后发生自破裂，半焦在冷却过程中半焦孔隙内的气体降温体积缩小，使得水能够快速占据半焦颗粒中的孔隙，填充气体缩小的空间，与发生自破裂后的半焦混合成浆，在此过程中，高温半焦遇水发生自破裂相当于一个强烈搅拌，与水充分混合成浆的过程，与现有技术中干法降温，并通过机械破碎和机械搅拌进行成浆相比，该制备方法简单，成浆速度较快，适用于半焦的大规模成浆。

还需要说明的是，在所述发生自破裂后的半焦的密度接近于所述水的密度时，水可以与所述发生自破裂后的半焦融为一体，因此，可形成稳定的水焦浆。而所述发生自破裂后的半焦的密度是否接近于水的密度，与所述半焦发生自破裂的性能有关，所述水的初始温度与所述半焦的初始温度之间的温差越大，半焦在通过所述水激冷时越容易碎裂，从而能够最大程度上提升半焦的密度，因此，优选的，所述水的初始温度满足：所述发生自破裂后的半焦的密度为所述水的密度的80％-120％。这样，能够形成稳定的水焦浆。

在实际应用中，在用水对高温半焦进行激冷时，发生自破裂后的半焦的密度、所述半焦的初始密度、所述半焦的初始温度、半焦降温后的温度和半焦的孔隙率都有关系，具体推理过程如下：

假设用于半焦成浆的高温半焦的质量为1kg，其密度为ρ1，因此，其总体积为v＝1/ρ1，而由于该高温半焦的孔隙率为φ，因此，该高温半焦颗粒内存在的气体体积为v1＝1/ρ1×φ；

根据气体状态方程pv1＝nrt1，可以推导出半焦降温后的颗粒内的气体体积v2＝v1×t2/t1(这里假定无气体带出，气体总量不变)；

进入半焦颗粒内水的体积v3＝v1-v2＝v1×(t1-t2)/t1＝(t1-t2)×φ/ρ1/t1；

这时，由于在降温后，半焦孔隙中的气体体积缩小，所述水填充入气体缩小的体积内，这时，半焦激冷前后的状态结构图如图3所示，假设半焦颗粒内的气体质量为0，所述发生自破裂后的半焦的密度ρ2与总体积v的乘积等于填充水的质量和半焦的质量之和，可以用下式表示：

ρ2×v＝(t1-t2)×φ/ρ1/t1×ρ水+1；

ρ2×1/ρ1＝(t1-t2)×φ/ρ1/t1×ρ水+1；

因此，可以推导出：

所述发生自破裂后的半焦的密度ρ2＝(t1-t2)×φ/t1×ρ水+ρ1。

所述半焦的初始温度和所述半焦降温后的温度之间的温度差与所述水的初始温度又有关，基于此，所述水的初始温度根据公式ρ2＝ρ1+(t1-t2)×φ×ρ水/t1，以及所述半焦和所述水的比热来确定；其中所述ρ2表示发生自破裂后的半焦的密度，所述ρ1表示所述半焦的初始密度，t2表示半焦降温后的温度，所述t1表示所述半焦的初始温度，所述ρ水表示所述水的密度，所述φ表示半焦的孔隙率。这样，当所述发生自破裂后的半焦的密度接近于所述水的密度时，根据公式ρ2＝ρ1+(t1-t2)×φ×ρ水/t1，以及所述半焦和所述水的比热能够获得水的初始温度，用所获得具有该初始温度的水对半焦进行激冷时，能够获得较为稳定的水焦浆。

具体的，所述水的初始温度根据公式ρ2＝ρ1+(t1-t2)×φ×ρ水/t1，以及所述半焦和所述水的比热来确定，包括：

将所述半焦的初始温度t1、所述半焦的初始密度ρ1、所述发生自破裂后的半焦的密度ρ2与所述水的密度ρ水之间的预设关系、以及所述半焦的孔隙率φ代入公式ρ2＝ρ1+(t1-t2)×φ×ρ水/t1，计算所述半焦降温后的温度t2；

再根据所获得的所述半焦降温后的温度t2、所述半焦和所述水的比热，确定所述水的初始温度。

示例性的，当所述发生自破裂后的半焦的密度ρ2与所述水的密度ρ水之间的关系确定，所述半焦的初始温度t1确定时，所述半焦的初始密度ρ1和所述半焦的孔隙率φ可以根据反应条件或者通过测试获取，这样，就能够计算出所述半焦降温后的温度t2，而根据热量传递原理，可以根据所确定的半焦降温后的温度t2，所述半焦的初始温度t1、所述水和所述半焦的比热计算出所述水的初始温度。

其中，对所述半焦的初始温度t1不做限定，可以将气化反应或者热解反应产生的半焦直接用水进行激冷，也可以对气化反应或者热解反应产生的半焦降温至一定的温度后用水进行激冷，只要所述水的初始温度差满足上述条件，就能够获得较为稳定的水焦浆。

本发明的一实施例中，所述半焦的初始温度t1为340-380℃。在实际应用中，用水对半焦进行激冷时，通常需要将半焦和水输送至一定的反应容器中进行，因此，在本发明实施例中，通过将半焦的初始温度控制在以上范围内，能够降低对半焦输送元件的耐温性要求，降低输送成本。

本发明的一实施例中，用水对煤气化反应或者热解反应产生的半焦进行激冷，使得所述半焦发生自破裂，同时，所述水填充入所述半焦的孔隙，与发生自破裂后的半焦混合成浆；具体包括：

将煤气化反应或者热解反应产生的半焦连续输送至水面以下1/3-2/3高度处，以连续制备水焦浆。这样，能够实现水和所述半焦的快速混合，在半焦发生自破裂之后，所述水可快速填充入所述半焦的孔隙中，并且，还能够连续制备水焦浆。

本发明的一优选实施例中，将煤气化反应或者热解反应产生的半焦连续输送至水面以下1/3-2/3高度处的同时，所述制备方法还包括：将混合成浆后的水焦浆连续输出至下一工段。有利于连续成浆。

本发明的又一优选实施例中，所述制备方法还包括：对所述混合成浆后的水焦浆打循环。这样，能够在有限的时间段内促进成浆，从空间上延长水焦浆在反应容器内的停留时间，进一步提高水焦浆的成浆稳定性。

进一步地，将煤气化反应或者热解反应产生的半焦连续输送至水面以下1/3-2/3高度处的同时，所述制备方法还包括：对所述半焦和所述水进行搅拌。能够增强半焦的自破裂过程，进一步提高成浆浓度和成浆稳定性。

本发明的一实施例中，对所述混合成浆后的水焦浆打循环的流量为将混合成浆后的水焦浆连续输出的流量的2-3倍。能够有效强化成浆过程，提高半焦成浆的速度和稳定性。

优选的，所述发生自破裂后的半焦的粒度为所述半焦的初始粒度的1/2-1/4。有利于提高成浆稳定性和成浆浓度，满足实际应用中对水焦浆的质量需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。