水熱解過(guò)程對提質(zhì)褐煤液體產(chǎn)物的影響

中國環(huán)境科學(xué)2012,32(4): 598- -602China Environmental Science水熱解過(guò)程對提質(zhì)褐煤液體產(chǎn)物的影響曾維薇,張建勝",趙勇(清華大學(xué)熱能工程系,熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100084)摘要:對來(lái)自?xún)让晒诺陌滓羧A褐煤進(jìn)行了一系列水熱解實(shí)驗,分析不同溫度和初始水煤漿濃度對水熱解產(chǎn)物過(guò)濾出的液體的影響分析了液體中TOC. COD、 BODs總氮、氨氮、CI、so2的含量以及溶液的pH值.結果顯示，水熱解溫度對于廢液中的碳和氨含量影響較大，水熱鮃溫度從200C增加到350C時(shí),水熱解溫度的升高.碳和氨分別增加了20多倍和30多倍;初始水煤漿濃度對Cl和SO,2的含量影響較大隨著(zhù)初始水煤漿濃度的升高，Cl和so,2逐漸增多水熱解溫度應低于350C,初始水煤漿濃度應綜合考慮設備材質(zhì)來(lái)選擇.關(guān)鍵詞:水熱解;褐煤;提質(zhì);廢液中圖分類(lèi)號: x705文獻標識碼: A文章編號: 1000 6923(2012)04 059805Effect of processing conditions on organics and inorganics in wastewater during bydrothermal treatment of alow-rank coal. ZENG Wei-wei, ZHANG Jian-sheng', ZHAO Yong (Key Laboratory for Thermal Science and PowerEngineering of Ministry of Education, Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beiing 100084, China).China Environmental Science, 2012,32(4); 598 -602Abstract: A series of hydrothermal treatment experiments for Bai-Inhua lignite from Inner Mongolia were conducted inthis article. The effect of processing temperature and coal slury concentration were studied by measuring TOC, COD,BOD, total nitrogen, anmonia nitrogen, Cr, so,2 and pH value of the waste water after hydrothermal treatment. Theprocessing temperature had a significant effect on the carbon and nitrogen content in the wastewater, as the processingtemperature increases from 200C to 350'C, the carbon and the nitrogen content increase more than 20 times and 30 timesseparately. The slurry concentration had a significant effect on the CI and SO2 content in the wastewater, whichincreased with the increasing coal slurry concentration. The processing temperature shall be lower than 350 C, and thecoal slurry concentration shall be identified with the consideration of the equipment material.Key words: hydrothermal dewatering; low-rank coal; upgrading; wastewater低階煤水熱解過(guò)程不僅可以去掉煤中大量TOC、 COD、CI、 so43、BODs 和pH值,旨在的水分,而且可以改變煤的化學(xué)組成和化學(xué)結構，充分認清廢水的污染情況,從而為廢水的利用方將煤提升為煤化程度更高的煤"但在水熱解過(guò)式(排污處理或直接制漿)提供理論依據并對非程中,少量的煤會(huì )分解,會(huì )有少量有機物和無(wú)機物蒸發(fā) 干燥脫水工藝做出合理評價(jià).進(jìn)入到溶液中,充分認清廢水中物質(zhì)的成分和濃1材料與方法 :度對于評價(jià)各類(lèi)脫水工藝非常必要,小試規模的維多利亞褐煤水熱解干燥工藝廢水中總有機碳1.1 材料(TOC)含量為0.3~0.7g/L2,中 試規模的廢水中實(shí)驗煤樣來(lái)為自?xún)让晒诺陌滓羧A褐煤.煤的TOC含量為1.32g/LP,而且隨著(zhù)水熱解溫度的升工業(yè)分 析和元素分析如表1所示.由表1可以看高,廢水中有機物濃度升高網(wǎng).出,白音華褐煤的水分、灰分、揮發(fā)分以及氧含關(guān)于水熱解液體產(chǎn)物中有機物的分析大多量都很高,發(fā)熱量低.局限于roC[5,而對于COD和BOD5以及水體1.2實(shí)驗裝 置及流程中的氮含量研究甚少.本研究對來(lái)自?xún)让晒诺陌资樟掌? 201-08-10音華褐煤進(jìn)行了不同溫度和不同初始水煤漿濃基金項目: 國家“863"項20A052216)度的水熱解實(shí)驗研究,分析了廢液中總氮、氨氮、● 責任作者，救授, zangjsharsinghua edu.cn4期曾維微等:水熱解過(guò)程對提質(zhì)褐煤液體產(chǎn)物的影響599表1原煤工業(yè)分析和發(fā)熱量分析Table 1 Raw coal proximate analysis and ultimate analysisM(w1%, d.b)A(wt%. d.b)V (w%. d.b)FC (wr%, d.b)HHV (MI/kg. d.b)工業(yè)分析0.21_10.449.8139.5822.37C(wt%, d.b)H (W%, d.b)N(wr%, d.b)S(w%, d.b)0(wt%,d.b)元素分析57.743.991.250.2926.12注:M為水分;A為灰分; V為揮發(fā)分; FC為固定碳;HV為高位熱值; d.b為干基實(shí)驗系統如圖1所示,包括3L的不銹鋼反應析其TOC、COD、BODs、總氮、氨氮、CI、釜(TFCF3- 20)、控制器和N2氣瓶反應釜攪拌器SO42 的含量和pH值.的冷卻水來(lái)自循環(huán)冷卻水系統,水熱解實(shí)驗在3L實(shí)驗工況如表2所示當溫度高于150C時(shí),的不銹鋼反應釜中進(jìn)行.反應釜最高壓力為煤中 親水的含氧官能團開(kāi)始發(fā)生分解7,所以褐20MPa,最高溫度450C,反應爹裝有一支熱電偶，煤脫水提質(zhì)過(guò)程所選溫度-般為200- 400"C圖為了保證攪拌器正常運行,不至于過(guò)熱,在整個(gè)實(shí)本實(shí)驗所選溫度為200,250,280,300,320,350C,驗過(guò)程中,循環(huán)水箱連續工作,直至反應釜冷卻至壓 力均略高于對應溫度下的飽和蒸汽壓.在進(jìn)行室溫.冷卻水系統只在反應結束后反應釜冷卻階不同溫度 實(shí)驗時(shí),加入的水煤漿濃度為25%(煤水.段啟動(dòng).比1:3),干煤量200g.由于氣化所用的水煤漿濃度大約為50%~70%,如果選用煤水比1:3進(jìn)行脫水處理，那么煤漿在經(jīng)過(guò)脫水處理之后還需要除掉HO出s 5-H:O進(jìn)部分水分,才能加入到氣化爐中氣化,所以本實(shí)驗考慮增大煤漿濃度,測試不同初始水煤漿濃度對文鵠一一口廢液的影響.因此,選用了初始水煤漿濃度為1:1、1:2、1:3共3個(gè)工況來(lái)研究初始水煤漿濃度與液體產(chǎn)物的關(guān)系.N:巍拌霉--表2實(shí)驗工況下出料清調反應釜拜建度控器Table 2 Experimental conditions序號溫度(C) 壓力MPa) 裝料量(干煤+水)_ 氣氛圖1實(shí)驗 系統示意2001.6200g+600mLN22504.0Fig.1 Schematic drawing of the experimental system2806.3008.7為使煤樣粒徑分布均勻,首先將原煤研磨至32011.7粒徑小于0.2mm.然后，將一-定 量研磨好的煤與蒸35017.2h餾水按一定的比例混合,加入到反應釜中.對反應32600g+1800mLNz11.6600g+1200mL釜進(jìn)行密閉性測試,然后充入N2吹掃空氣反應600g+600mL過(guò)程中攪拌速度為200r/min.達到設定溫度后,保持對應的溫度和壓力30min.之后將 反應釜冷卻1.3 分析方法至室溫.反應釜冷卻至室溫后,固體和液體產(chǎn)物從工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量分析根據國標其下部排出,然后進(jìn)行過(guò)濾.將固體產(chǎn)物(含水)和GB476- 20019)和GB/T212- 2001!0);C含量的測原煤分別放入105C干燥箱中充分干燥,然后進(jìn)定用 CE -440元素分析儀.行工業(yè)分析和元素分析.對過(guò)濾出的液體產(chǎn)物，分液體產(chǎn)物分析中:COD采用快速消解分光光600中國環(huán)境科學(xué)32卷度法測定";總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光10光度法測定12);氨氮采用水楊酸分光光度法測V(R)db一* 一V(U)dbC(R)db -..-- C(U)db定3);無(wú)機陰離子采用離子色譜法測定4;BOD5采用五日生化需氧量(BODs)的測定稀釋和接種法測定(4:;TOC采用生活飲用水衛生標準檢驗方法有機物指標測定"0);pH值采用玻璃電極法測定[7.202結果與討論100200300400因為主要關(guān)心不同水熱解過(guò)程條件對原料水熱解溫度(C)煤損失的影響,所以,碳含量和氮含量根據濃度值圖3水熱解溫度對煤樣揮發(fā)分和碳含量的影響(mg/L)換算成每kg干煤對應的值(mg/kg干煤),Fig.3 Effect of hydrothermal treatment temperature on而C1和sO4~對環(huán)境和氣化爐的影響關(guān)鍵在于the volatile and carbon content其濃度值,所以CI和so,2的含量仍用濃度表示.v為揮發(fā)分;為碳含量;R為原煤;U為提質(zhì)煤;db為干基2.1溫度的影響由圖2可知,隨著(zhù)溫度的升高,液體產(chǎn)物中的1000.0+總氮母so-碳含量呈指數增長(cháng)350"C時(shí)各有機碳含量達到最大.將本文數據與Favas 等[8的數據進(jìn)行比較,可.5以發(fā)現碳含量的變化規律較為一致.隨著(zhù)水熱解7.0號溫度的升高, BOD/COD呈下降趨勢，若水熱解廢液直接排污而不進(jìn)入氣化爐加以利用的話(huà),那么巖 8 200水熱解溫度越高,污水越不易被生化處理,因此,必脫 臺須選擇合適的水熱解溫度以便于污水的處理.-20050200 250350400100000圖4水熱解溫度對氮含量、 Cr、 SO2和pH值的影響Fig.4 Effect of hydrothermal treatment temperature on100000.3the content of total nitrogen, ammonia nitrogen, CIand SO.2 and pH value of the waste water29- t實(shí)線(xiàn)為本實(shí)驗數據,虛線(xiàn)為Favas 等所測TOC數據-◆- COD- B- BODs- TOC -0.1●FavasTOC - + BOD/COD由圖4可知,總氮含量隨著(zhù)溫度的升高逐漸40 0.0150200250，.300350400增多;氨氮含量在水熱解溫度低于280C時(shí),基本圖2水熱解溫度對TOC、COD、BODs的影響保持不變，當水熱解溫度高于280"C時(shí)呈線(xiàn)性增Fig.2 Effect of hydrothermal treatment temperature on the長(cháng)趨勢.由于氨氮是水體中的主要耗氧污染物，content ofTOC, COD and BOD5 of the waste water對魚(yú)類(lèi)及某些水生生物有毒害,所以在工業(yè)生產(chǎn)中必須考慮合適的水熱解溫度以控制氨氮的由圖2與圖3可以發(fā)現,隨著(zhù)水熱解溫度的產(chǎn)生CI 和so2隨水熱解溫度的升高,呈現先增升高,廢液中的有機碳增多,煤中的揮發(fā)分減少，大后降低最后升高的趨勢,但總體而言,在溫度碳含量增多.揮發(fā)分變化與廢液中碳含量變化趨低于320個(gè)范圍內,CI和so2含量的變化較勢一致說(shuō)明廢液中的有機碳主要來(lái)自于煤的揮小.pH值基本都呈弱堿性,隨水熱解溫度的變化發(fā)分分解.這與Sukaguchi等[91的實(shí)驗結果- -致.較小。! 4期曾維薇等:水熱解過(guò)程對提質(zhì)褐煤液體產(chǎn)物的影響2.2初始水煤漿濃度的影響損失.這與Favas等8)的實(shí)驗結果吻合.由圖6可知,隨著(zhù)初始水煤漿濃度的提高,總1000000.5氮和氨氮含量均降低比較水熱解溫度和初始水0.4煤漿濃度的影響可以發(fā)現,水熱解溫度對氮含量暴0000)3的影響更大- -些.廢液中的CI和SO2含量隨著(zhù)初始水煤漿濃度的提高而增多,由于CI和sO2可以1000腐蝕壓力容器2021,所以，如果水熱解廢液不排污,'+COD一-BODs0.1而是與提質(zhì)煤- - 起直接加入氣化爐中,那么就必一十TOC一+ BOD/COD1000.0須嚴格控制廢液中的CI和so2含量,以保證氣化2030l0S0爐的安全穩定運行對CI和so2濃度的要求需根初始水煤漿濃度(%)據氣化爐材質(zhì)而定，將溫度和初始水煤漿濃度對圖5初始水煤漿濃度對 TOC、COD、BODs 的影響CI和so2含量的影響進(jìn)行比較發(fā)現,在不同溫度Fig.5 Effect of coal slurry concentration on the content of情況下(初始水煤漿濃度為25%),Cl的變化范圍是TOC, COD and BODs of the water water100-700mg/L,SO2的變化范圍是100~400mg/L,3.0在不同初始水煤漿濃度的情況下(溫度為320"C),-+總氦CI的變化范圍是30~ 600mg/L, SO2的變化范圍7.5是20-600mg/L,所以總的來(lái)說(shuō)溫度和初始水煤漿60◆- x- sO2濃度對廢液中CI和SO2含量的影響相當，在實(shí)際+pH值7.0應用中,需綜合考慮溫度、初始水煤漿濃度、氣化爐材質(zhì)、廢水處理工藝等因素.-200.03結論40503.1廢液中 的碳含量和氮含量都隨著(zhù)水熱解溫圖6水煤漿濃度對氮含量、CI、so2和pH值的影響度的升高而升高,隨著(zhù)初始水煤漿濃度的升高而Fig.6 Effect of coal slury concentration on the content of降低,水熱解溫度的影響大于初始水煤漿濃度的total nitrogen, ammonia nitrogen, Cr and so,2 and pH影響.廢液中的CI和SO4-含量隨著(zhù)水熱解溫度value of the waste water的變化較小，隨著(zhù)初始水煤漿濃度的升高呈增多趨勢.由圖5可知，隨著(zhù)初始水煤漿濃度的提高,各3.2 從選擇合適的水解熱溫度的角度考慮,為有機碳含量呈下降趨勢,BOD/COD比值升高.這了 減小煤樣的碳損失、降低氨氮對水生生物的影說(shuō)明隨著(zhù)初始水煤漿濃度的升高,水熱解過(guò)程損響以及降 低CI對設備的腐蝕作用,白音華褐煤失的碳減少，廢液更容易進(jìn)行生化處理,有利于將的水熱解溫度不宜超過(guò) 320C.廢液直接加入氣化爐中.3.3從選擇合適的初始水煤漿濃度的角度考將圖2與圖5進(jìn)行比較可以發(fā)現,隨初始水慮,50%的濃度可 以減小煤樣碳損失、降低廢液煤漿濃度的升高,各有機碳含量的變化基本都是中的氨氮含量，但是Cl和so42含量都較高,因此,在同一數量級,而隨溫度的升高,各有機碳含量的需要根據氣化爐自身材質(zhì)等條件來(lái)抉擇.變化是數量級之間的.這說(shuō)明,水熱解溫度對于煤樣碳損失的影響遠大于初始水煤漿濃度的影響，參考文獻:因此,如果要將廢液直接排放,而不進(jìn)入氣化爐加[1] Mursito A r, Hingjma T Saai K Upgrading and dewatering of以利用,就不能選擇過(guò)高的溫度以免過(guò)多的能量naw tropical peat by hydrothermal treatment D Fucl, .602中國環(huán)境科學(xué)32卷2010,89(3):635-641.[12] GBT11894-1989水質(zhì)總氮的測定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外[2] Racovalis L. 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