一种提高燃煤孔隙结构及燃烧热的方法及系统

技术领域

本发明涉及燃煤燃烧之前的处理技术领域，具体涉及一种提高燃煤孔隙结构及燃烧热的方法及系统。

背景技术

我国煤炭资源丰富，在能源消费结构中占有举足轻重的地位，目前煤炭总产量的一半甚至更多的用于燃煤火力发电，然而燃煤在燃烧发电过程中，由于燃煤结构的不同其发电效率也不同，如果前期对燃煤的处理不到位或者不合理，将导致后期燃煤的发电效率较低，进而造成资源的大量浪费。而燃煤的发电效率和煤孔隙率有关，孔隙率大的煤，内表面积大，吸附性能高，化学反应好。煤孔隙率是指煤的毛细孔体积占总体积的百分率，煤中孔隙根据孔径可分为微孔、中孔、大孔、裂隙。褐煤中以大孔占多数，长焰煤、不黏煤以中孔为主，肥煤、焦煤等以微孔为主。煤孔径大小决定了煤层透气性。煤的孔径和孔容积分布可用氦密度法、压泵法或氮等温吸附法测定。

然而现有技术中鲜少有对于煤孔隙率的处理，对于煤孔隙率的研究多数为测量方法、表征方法等，而对于燃煤的前处理包括煤脱硫技术、干燥等，对于如何燃煤孔隙结构、孔隙率以及燃烧热的研究少有报道，这将导致燃煤容易燃烧不充分、资源浪费严重。

综上所述，为了解决现有技术中燃煤燃烧不充分、资源浪费严重的技术问题，提供一种提高燃煤孔隙结构及燃烧热的方法及系统。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高燃煤孔隙结构及燃烧热的方法及系统，目的在于提高燃煤孔隙率，降低燃煤燃点，提高燃煤的燃烧热，进而降低能源的浪费。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种提高燃煤孔隙结构及燃烧热的方法，包括以下步骤：

将原煤进行第一次浸泡处理，将第一次浸泡后的原煤进行第一次干燥处理，第一次干燥后的原煤进行破碎处理；破碎后的煤进行第二次浸泡处理，第二次浸泡后的煤进行第二次干燥处理，干燥至煤的含水量降低至要求值后将处理后的煤输送至燃煤系统进行发电。

进一步地，第一次浸泡处理的浸泡液为水，浸泡温度为T

更进一步地，浸泡温度T

更进一步地，浸泡温度T

更进一步地，浸泡后的煤以及原煤的抗拉强度、抗压强度的表征方法为：

R

R

其中，R

更进一步地，煤系岩石的点载荷强度I

I

其中，F为几何修正因子，I

更进一步地，几何修正因子F的确定方法为：

F＝(D

更进一步地，对于方形的煤或者不规则煤岩块，其等价岩芯直径的计算方法为：

其中，W为煤块试样在垂直层理方向进行点载荷加载，并在加载之前测量加载点间面的平均宽度；D为加载点的间距。

进一步地，第一次干燥采用原煤燃烧过程中的烟气进行干燥，烟气温度为60-70℃，干燥时间为12-48h。

更进一步地，干燥时间为12h。

进一步地，破碎处理后的煤的粒径为2-5mm。

进一步地，第二次浸泡采用水浸泡，水温控制在30-45℃，浸泡时间为36-48h。

进一步地，第二次干燥采用原煤燃烧过程中的烟气进行干燥，烟气温度为70℃及以上，干燥时间为12-48h。

本发明还提供一种提高燃煤孔隙结构及燃烧热的系统，应用上述的提高燃煤孔隙结构及燃烧热的方法，包括依次连接的第一次浸泡设备、第一次干燥设备、破碎机、第二次浸泡设备、第二次干燥设备，还包括除雾器，除雾器的进口端连接第二次干燥设备，除雾器的出口端连接第一次干燥设备。

进一步地，还包括浸泡水输送管道，浸泡水采用电厂余热水，浸泡水输送管道连接第一次浸泡设备以及第二次浸泡设备。

进一步地，还包括原煤的烟气排放管道，烟气排放管道连接第二次干燥设备，烟气经过第二次干燥设备后被输送至除雾器，经过除雾器的烟气进入第一次干燥设备中，烟气经过第一次干燥设备后被排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将原煤首先经过第一次浸泡，降低原煤的抗拉强度和抗压强度，之后进行干燥，干燥后的燃煤进行破碎，破碎成小粒径的燃煤，之后再进行第二次浸泡和干燥，最终使得燃煤的孔隙率提高21.33-26.23％，并且大孔所占孔容比例达到87％以上，有利于燃煤后续发电过程中的化学反应。并且能够将原煤的燃点降低7％以上，降低能耗，避免资源浪费；而且处理后的燃煤的放热量相比原煤增加了2％，提高了煤的放热量，提高燃煤燃烧效率。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为不同水温、浸泡时间均为21天下的孔隙率增加率。

图3为煤样在不同的水温速率下的燃点温度数据图。

图4为不同浸泡温度下燃煤放热的初始温度图。

图5为不同升温速度下煤燃烧放热量的数据统计图。

附图标记说明：

1-原煤进料口，2-浸泡水输送管道，3-燃煤出料口，4-烟气排放管道，5-烟气排出口。

具体实施方式

下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，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，都属于本发明的保护范围。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”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，并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。

需要说明的是，本实施例中原煤均购自中国内蒙古平庄煤业公司风水沟煤矿，原煤含水率为10.2％，灰分含量为22.5％，煤的挥发性含量为42.5％，固定碳含量为24.8％，原始孔隙率为18.32％。

本发明提供一种提高燃煤孔隙结构及燃烧热的方法，包括以下步骤：

将原煤进行第一次浸泡处理，将第一次浸泡后的原煤进行第一次干燥处理，第一次干燥后的原煤进行破碎处理；破碎后的煤进行第二次浸泡处理，第二次浸泡后的煤进行第二次干燥处理，干燥至煤的含水量降低至要求值后将处理后的煤输送至燃煤系统进行发电。

第一次浸泡处理的浸泡液为清水，浸泡温度为T

其中，第一次干燥采用原煤燃烧过程中的烟气进行干燥，烟气温度为60-70℃，干燥时间为12-48h。优选干燥时间为12h。破碎处理后的煤的粒径为2-5mm。第二次浸泡采用水浸泡，水温控制在30-45℃，浸泡时间为36-48h。第二次干燥采用原煤燃烧过程中的烟气进行干燥，烟气温度为70℃及以上，干燥时间为12-48h。

浸泡后的煤以及原煤的抗拉强度、抗压强度的表征方法为：

采用济南矿岩试验仪器有限公司生产的100KN点载荷压力机开展加载试验，现场选取工作面新切割煤块作为试样，试样选取后在垂直层理方向进行点载荷加载，加载之前测量加载点间面的平均宽度W，并记录加载点的间距D，以及煤的岩芯直径D

对于方形的煤或者不规则煤岩块，其等价岩芯直径的计算方法为：

/>

然后计算煤未经修正的点载荷强度指数I

其中，P为点载荷加载试验获得的煤的破坏载荷。

对未经修正的点载荷强度指数进行修正，得到修正后点载荷强度指数：

I

其中，F为几何修正因子，几何修正因子F的确定方法为：

F＝(D

然后确定煤的抗压强度R

R

R

浸泡温度的选择以对煤的孔隙率增加有利为准，图2为不同水温、浸泡时间均为21天后的孔隙率，Rc为对照组，S-15表示水温15℃，S-30表示水温30℃，S-45表示水温45℃，每组分别取3个煤样进行实验。不同水温条件下，浸泡21天后，大部分煤的孔隙率显著增加，15℃条件下，孔隙率增加比例为17.92％-18.92％，水温升高至30℃，孔隙率增加比例升高至21.33％-26.23％，水温升高至45℃，孔隙率增加比例为18.93％-24.9％，有所降低，30℃左右的水浸泡对煤的孔隙率增加最有利。

第二次干燥采用原煤燃烧过程中的烟气进行干燥，干燥时间的长短影响煤的孔隙率，表1为原煤和干燥后燃煤的孔隙率对比数据，干燥时间越长，煤的孔隙率增加比例越大，具体的成指数式增加。数据来源于18个煤样，经过30℃水浸泡21天后，再进行不同时间的干燥后测得孔隙率，孔隙率的测量采用低场核磁测量法，在干燥初期，即干燥2h后煤样的孔隙率增加2.7％，干燥48h后煤样的孔隙率增加比例达到20.1％。

表1原煤与干燥煤的孔隙率变化

表2为干燥过程中不同孔径范围孔隙所占的孔容百分比，微孔(<10nm)的比例在本实验所用的煤样中所占比例极低，且干燥后微孔的比例基本降低为原来的1/2，18个测试煤样中除去个别干燥后比例略有增加(试样3-3、4-2)外，平均降低为原煤微孔占比的45％，其中取同一组内的相对误差较低的2个取平均值后，干燥2h、4h、8h、12h、24h、48h后煤样中，微孔的比例为原煤的13％、55％、53％、40％、61％、61％。中孔(10-100nm)的比例除试样3-3、4-2外，其他16组煤样的平均结果显示，干燥后煤样的中孔含量降低为原来的49％，除去各组内相对误差较大的1项后，干燥2h、4h、8h、12h、24h、48h后煤样中微孔的比例降低为原煤的17％、53％、56％、45％、65％、68％。而原煤中除试样3-3外其他各原始试样中均未检测到大孔(100-1000nm)的存在，而干燥后，在干燥4-8h后各组试样中均由个别煤样能检测到大孔的存在，当干燥时间达到12h以后，所有干燥煤样均能检测到大孔的出现，且大孔的比例随干燥时间延续的逐渐增加，干燥12、24、48h煤中的大孔比例，平均达到1.2％、1.8％、7.5％，虽说随干燥时间的延续煤孔隙系统内的大孔比例增加，但大孔所占比例并不大；同时，对于干燥后的所有煤样，均检测到大于1000nm的较大孔和裂隙，其比例平均达到75％，干燥2、4、8、12、24、48h后煤样中较大孔隙和裂隙的比例分别平均达到74％、83％、83％、73％、87％、73％，以干燥24h最为显著。

表2干燥过程中不同孔径范围的孔隙所占孔容比例变化

实验结果显示干燥过程中煤中的微孔、小孔与中孔的比例显著降低，一般降低为原煤的45％-49％，而在干燥4-8h后各组试样中均有个别煤样能检测到大孔的出现，当干燥12、24、48h煤样中均能检测到大孔的存在，平均达到1.2％、1.8％、7.5％，随干燥时间的延续煤孔隙系统内的大孔比例增加，但大孔所占比例有限，当煤样干燥后，煤中大于1000nm的较大孔隙或裂隙占比达到总孔容的75％左右，一般在73％-87％范围内。

干燥过程中浅表层出现了大量的干燥裂隙，且占比达到总孔隙的75％左右，而块煤的深层发生了显著的干缩，深层的小于中孔以下孔隙的总孔容基本不发生变化，但相对比例显著降低未原煤的45％左右。高含水煤干燥过程中，孔隙率显著增加，且孔隙率的增加以浅表层的大量大于1000nm的较大孔隙和裂隙为主，煤体深层的孔隙结构基本未发生显著变化。

经过二次浸水和70℃以上高温烟气流干燥24h后，各煤样在不同的升温速率下的燃点温度如图3所示，显示浸水温度30、45℃水温条件下煤的燃点最低，说明30、45℃水温有利于降低煤的燃点温度。原煤及浸水温度15、30、45℃条件下，燃点分别为435℃、413℃、403℃、402℃，浸水温度15℃、30℃、45℃条件下煤的燃点分别降低5.07％、7.37％、7.58％，因此确定浸水温度30-45摄氏度为有利于降低燃点的温度。

图4为不同浸泡温度下燃煤放热的初始温度图，图中显示与原煤对比，浸水后干燥煤初次释放热量对应的温度降低，其中水温越高初次放热温度越低。图5为不同升温速度下煤燃烧放热量的数据统计图，原煤及不同水温处理煤样的放热量随升温速率变化具有相似的规律，升温速度5、10、20K/min条件下，放热量先增加再降低，10K/min条件下放热量最高。本实验范围内，水温45℃处理煤样的放热量最大，未经水处理的原煤的放热量最低，水温30、15℃条件下，相总体上水温15℃处理后煤样的放热量稍高于30℃处理煤样，但原煤与水温30、15℃处理煤样的放热量差异不大。升温速度5-20K/min条件下，煤经过45℃水浸泡后，放热量比原煤增加16％-8％，平均增加14％。

煤经过15、30℃水浸泡后，放热量比原煤平均增加2％。说明浸水在一定程度上可以提高煤的放热量，但水温低于30℃对煤放热量升高的影响作用不大，当水温达到45℃时，放热量会显著提高。结合燃点、孔隙结构等，确定采用30-45℃水进行浸泡后烘干有利于煤燃烧效率的提高。

本发明还提供一种提高燃煤孔隙结构及燃烧热的系统，应用上述的提高燃煤孔隙结构及燃烧热的方法，包括依次连接的第一次浸泡设备、第一次干燥设备、破碎机、第二次浸泡设备、第二次干燥设备，第一浸泡设备具有原煤进料口1，用于原煤的投放，第二次干燥设备具有燃煤出料口3，用于燃煤的输出。系统还包括除雾器，除雾器的进口端连接第二次干燥设备，除雾器的出口端连接第一次干燥设备。

系统还包括浸泡水输送管道2，浸泡水采用电厂余热水，浸泡水输送管道2连接第一次浸泡设备以及第二次浸泡设备。

系统还包括原煤的烟气排放管道4，烟气排放管道4连接第二次干燥设备，烟气经过第二次干燥设备后被输送至除雾器，经过除雾器的烟气进入第一次干燥设备中，烟气经过第一次干燥设备后的烟气排出口5被排出。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。