三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)研究

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(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

我國“十三五”規(guī)劃提出“大力開展工業(yè)節(jié)能，推廣節(jié)能技術(shù)，運用節(jié)能設(shè)備，提高能源利用效率”。我國是世界上最大的煤化工生產(chǎn)國，產(chǎn)品多，生產(chǎn)規(guī)模較大，當前正處于傳統(tǒng)煤化工向現(xiàn)代煤化工轉(zhuǎn)型的重要時期，現(xiàn)代煤化工要求加強科學(xué)規(guī)劃，做好產(chǎn)業(yè)布局，提高質(zhì)量效益，化解資源環(huán)境矛盾，實現(xiàn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化。水煤漿作為一種清潔的煤化工原料，對現(xiàn)代煤化工發(fā)展具有重要意義[1]。

水煤漿是由65%～70%的煤、30%～35%的水和約1%的添加劑經(jīng)過一定加工工藝制成一種新型煤基流體燃料和氣化原料[2]。水煤漿技術(shù)發(fā)展初期，制漿原料用煤均選用成漿性較好的煤種，隨著成漿性較好的煤種儲量減少，低階煤成為主要制漿原料。因此，有必要提高成漿性差煤種的水煤漿濃度，擴大制漿原料范圍。水煤漿濃度的影響因素主要有:煤質(zhì)特性、粒度分布和添加劑。其中煤質(zhì)特性是影響成漿性能的主要內(nèi)因，在煤質(zhì)特性和添加劑確定的情況下，粒度分布情況決定了水煤漿濃度的高低[3]。不合理的水煤漿粒度分布情況，會造成水煤漿濃度偏低，穩(wěn)定性和霧化性較差，制約了水煤漿氣化效率[4]。國內(nèi)諸多研究機構(gòu)開展了低階煤水煤漿提濃技術(shù)研究，趙衛(wèi)東[5]采用水熱處理法降低低階煤的內(nèi)水和含氧官能團，可顯著提高低階煤的成漿濃度。高志芳等[6]研究了顆粒粒度分布和堆積效率對低階煤成漿性的影響規(guī)律，以寶日希勒褐煤為原料在實驗室配制出60%以上的水煤漿。中煤科工清潔能源股份有限公司開發(fā)的新一代水煤漿提濃技術(shù)通過分級研磨、粒徑控制、三峰級配和添加劑優(yōu)化，可提高水煤漿濃度4%～6%，并大幅改善水煤漿流動性、穩(wěn)定性和霧化性能。

山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司(簡稱陽煤豐喜泉稷公司)設(shè)計年產(chǎn)30萬t合成氨、52萬t尿素，項目采用水冷壁水煤漿加壓氣化技術(shù)，煤漿制備系統(tǒng)共由2臺φ3.3 m×5.8 m棒磨機生產(chǎn)線組成(2臺全開)，單臺棒磨機原煤處理量約26 t/h。由于采用單磨機制漿工藝，水煤漿粒度級配不合理，水煤漿濃度偏低，僅為60%左右，且流動性、穩(wěn)定性較差[7]。為降本增效、擴大產(chǎn)能，決定采用中煤科工清潔能源股份有限公司開發(fā)的三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)對現(xiàn)有水煤漿制備系統(tǒng)進行改造，以提高水煤漿濃度，提高氣化效率，達到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

1 原煤及焦爐氣分析

陽煤豐喜泉稷公司的原煤是典型低階神府煤，可生產(chǎn)氣化水煤漿，現(xiàn)為水煤漿提濃技術(shù)主要應(yīng)用煤種，氣化用煤煤質(zhì)特性分析[8]見表1。工業(yè)生產(chǎn)合成氣來源分為2部分，一部分為水煤漿氣化，一部分為外購焦爐氣。焦爐氣成分組成及含量見表2。

表1氣化用煤煤質(zhì)特性
Table1Coalqualitycharacteristicsofgasificationcoal

Mt/%Mad/%Aad/%Vad/%FCad/%w(St,ad)/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)13.27.59.5429.5753.390.3726.55

表2焦爐氣成分及含量
Table2Compositionandcontentofcokeovengas

成分H2COCO2CH4N2O2H2OC2H6體積分數(shù)/%56.237.462.9922.896.470.500.482.98

2 三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)理論分析

濃度高且流動性好的高濃度水煤漿要求水煤漿中的粒度分布合理，大小顆粒能夠相互充填，減少空隙，空隙中的水被更多的排出來參與煤漿流動，從而使固體占有率即堆積效率提高。提高堆積效率的技術(shù)稱為“級配”[9]。掌握好水煤漿的粒度分布是制備高濃度水煤漿的關(guān)鍵技術(shù)之一[10]。該理論在對國內(nèi)外水煤漿粒度級配理論分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合低階煤水煤漿粒度分布特點，探索粒度級配與水煤漿濃度、黏度之間的因變關(guān)系，并在“隔級堆積理論”基礎(chǔ)上提出三峰級配理論，探索出具有較高堆積效率的粒度級配模型，為制漿工藝的開發(fā)提供理論指導(dǎo)[11]。

堆積效率λ與粒度分布的關(guān)系是水煤漿制備技術(shù)的基礎(chǔ)理論之一，關(guān)于這方面研究成果較多，最簡單的是單一粒徑顆粒的堆積，其次是多種離散粒徑顆粒的堆積，最復(fù)雜、最實用的是連續(xù)分布顆粒的堆積。

Scott與Ridgway等研究表明，等徑球體隨機緊密堆積時的堆積效率為0.64～0.56，平均0.60，孔隙率ε=0.4，?？妆菳接近4.45。實際顆粒為非球體，堆積效率低于球體。對于呈多角形的煤粒，Brown與張榮曾研究表明，窄級別煤粒自然緊密堆積時的堆積效率更接近等徑球體呈正六面體緊密堆積時的堆積效率，為0.52,孔隙率ε為0.48，粒孔比B接近2.44。多種離散粒徑顆粒混合堆積時，小顆粒有可能充填到大顆粒堆積形成的空隙中，有利于提高粒群的堆積效率。韓開鋒等[12]根據(jù)Hudson理論計算得出，要使小顆粒完全充填在大顆?？障吨校枇？妆葢?yīng)至少達到5。

傳統(tǒng)單磨機制漿工藝由于棒磨機棒與棒之間是線接觸，在磨礦過程中僅對大顆粒進行有效研磨，致使煤漿中粒度比較均一，平均粒徑100～150 μm。新一代煤漿提濃工藝在大顆粒間填充了平均粒徑30 μm的細顆粒和5 μm的超細顆粒，使大小顆粒能相互填充，減少顆粒間空隙，實現(xiàn)了煤漿顆粒的三峰級配，提高了煤漿堆積效率，進而提高水煤漿濃度4%～6%。不同制漿工藝下粒度分布如圖1所示。

3 三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)的應(yīng)用

3.1 工藝流程

三峰分形級配水煤漿提濃工藝流程為:棒磨機出料槽的氣化水煤漿通過配漿泵計量后與界區(qū)外來的生產(chǎn)工藝水按照設(shè)定的目標稀釋濃度一同進入粗漿槽混合，合格的粗漿通過粗漿泵計量后進入細磨機進行磨礦，細磨機磨機出料(平均粒徑約為30 μm)自流至細漿槽，細漿槽內(nèi)小部分水煤漿通過細漿泵輸送至超細磨機進行超細研磨，細漿槽內(nèi)大部分煤漿至一定液位時溢流至超細漿槽，超細研磨機研磨合格的超細漿(平均粒徑約為5 μm)自流至超細漿槽與溢流的細漿進行混合，混合后的細漿和超細漿通過超細泵輸送至棒磨機中，最終形成水煤漿的三峰粒度級配，使成品氣化煤漿的粒度級配更加合理，從而提高水煤漿濃度，同時還能改善煤漿的流動性、穩(wěn)定性及霧化性能[13]。

圖1 不同制漿工藝的粒度分布Fig.1 Particle size distribution of different pulping processes

陽煤豐喜泉稷公司所用三峰分形級配水煤漿提濃裝置含1臺CEXM型細磨機和1臺CECXM型超細磨機及其附屬罐、泵等，其工藝流程如圖2所示。

圖2 三峰分形級配提濃工藝流程Fig.2 Three-peak fractal gradation concentration process

3.2 運行效果

3.2.1 提濃前后水煤漿質(zhì)量變化

陽煤豐喜泉稷公司煤漿提濃裝置于2018年3月10日單體試車完成，3月14日正式投料運行，調(diào)試階段細漿量逐步提高至目標值，進料口降低生產(chǎn)水量，提高水煤漿的出料濃度。在添加劑用量不變的情況下，整個水煤漿提濃裝置設(shè)備運行穩(wěn)定，各項工藝參數(shù)均達到設(shè)計要求。陽煤豐喜泉稷公司于2018-03-21T 24:00—03-24T 24:00對煤漿提濃項目進行72 h考核，提濃前后水煤漿指標結(jié)果對比見表3。由表3可知，陽煤豐喜泉稷公司采用三峰分形級配水煤漿提濃工藝后，水煤漿流態(tài)不變，水煤漿黏度符合氣化水煤漿標準，水煤漿濃度提高了4.09%。

表3提濃前后水煤漿指標對比
Table3Comparisonofcoalwaterslurryindexesbeforeandafterconcentration

項目水煤漿濃度/%黏度/(mPa·s)流態(tài)59.95574B-提濃前60.13628B-60.22655B-提濃前均值60.10619B-64.18914B-提濃后64.23923B-64.15918B-提濃后均值64.19918B-提濃前后差值4.09299—

3.2.2 提濃后氣化指標變化

水煤漿濃度的提高會使得氣化有效氣量增加，氧氣消耗量減小，其理論依據(jù)為:將水煤漿中50 ℃水加熱氣化至1 250 ℃所需熱量主要由以下2個反應(yīng)提供，即

1 mol C生成CO2放出熱量395.2 kJ，而生成CO放出熱量僅為110.5 kJ，少放出熱量284.7 kJ。生成CO2或CO的總氣體體積相同，僅是消耗的O2和放出的熱量不同。因此，在固定進氣化爐干煤量條件下，煤漿濃度提高后，將減少進氣化爐水分，從而節(jié)約部分熱量，若把水煤漿氣化爐看成一個熱量平衡爐，此部分節(jié)約的熱量可由生成CO2向CO轉(zhuǎn)變，進而增加CO總量，降低O2消耗。

氣化爐內(nèi)水分為2部分，一部分是水煤漿中水，這部分水是完全參與氣化反應(yīng)的;另一部分是激冷水，在無催化劑條件下，這部分水不參與氣化反應(yīng)。在固定進氣化爐投煤量條件下，通過計算得出1 t/h水由50 ℃氣化至1 250 ℃所需熱量為9 872 028 kJ。因此，每減少1 t水節(jié)約的熱量可將CO2轉(zhuǎn)換成CO的體積和O2減少分別為776.7和388.4 Nm3/h。為進一步了解水煤漿濃度的提高對氣化效果的影響，對水煤漿提濃前后氣化數(shù)據(jù)進行了對比，由于陽煤豐喜泉稷公司的合成氣來源分為2部分，一部分為水煤漿氣化產(chǎn)生的合成氣，另一部分為外購的焦爐煤氣。因此，僅針對氣化比煤耗(標準狀態(tài)下)、比氧耗(標準狀態(tài)下)、噸合成氨耗煤量、噸煤增合成氨量進行統(tǒng)計對比。為保證氣化指標數(shù)據(jù)能真實反映水煤漿濃度提高導(dǎo)致的指標變化，提濃前總煤耗與焦爐氣量與提濃后基本一致，結(jié)果見表4。

表4提濃前后氣化指標對比
Table4Comparisonofgasificationindexesbeforeandafterconcentration

項目有效氣含量/%比氧耗/(m3·km-3)比煤耗/(kg·km-3)噸合成氨耗煤量/t噸煤增合成氨量/t提濃前79.914206141.440.695提濃后82.123855941.390.719差值2.21-35-20-0.050.024

由表3、4可知，陽煤豐喜泉稷公司使用三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)對現(xiàn)有制漿系統(tǒng)進行改造后，在保持添加劑用量不變的前提下，水煤漿質(zhì)量和氣化效果都有了明顯改善。水煤漿濃度由提濃前的60.1%提高到64.19%，提高了4.09%;有效氣含量由提濃前的79.91%提高到82.12%，提高了2.21%;比氧耗降低了35 Nm3/kNm3，比煤耗降低了20 kg/kNm3。噸合成氨耗煤量減小了0.05 t，噸煤增合成氨量增加了0.024 t。

3.2.3 提濃后經(jīng)濟效益分析

在固定合成氨產(chǎn)量的前提下，可以通過噸合成氨耗煤量減小計算出節(jié)煤的經(jīng)濟效益，在固定煤量的前提下，可通過噸煤增合成氨量，計算出合成氨產(chǎn)量增加的經(jīng)濟效益[14]。為了更準確反映水煤漿濃度提高帶來的經(jīng)濟效益，對比了提濃前后合成氨平均完全成本(固定生產(chǎn)量約1 050 t/d)，具體見表5。

表5提濃前后合成氨平均完全成本對比
Table5Comparisonofammoniasynthesisaveragecostbeforeandafterconcentration

項目材料成本/元職工薪酬/元電費/元制造費用/元管理費用/元財務(wù)費用/元合計完全成本/元提濃前1 173.6738.79151.55221.6723.93109.161 718.77提濃后1 108.2145.04168.36237.2024.46110.051 693.32差值-65.466.2516.8115.530.530.89-25.45

由表5可知，提濃前噸煤增合成氨量為0.695 t，提濃后為0.719 t，提濃后合成氨的年增量約為0.921 6萬t。陽煤豐喜泉稷公司生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬t合成氨，可根據(jù)提濃后合成氨的年增量、噸合成氨的價格以及噸合成氨的生產(chǎn)成本，計算出經(jīng)濟效益(噸合成氨價格按照當前合成氨價格2 950元/t，稅率1.16):提濃后合成氨利潤為26 330萬元，提濃前合成氨利潤為24 730萬元。

根據(jù)提濃前后的合成氨利潤差值，可推算出水煤漿濃度提高后，陽煤豐喜泉稷公司的年經(jīng)濟效益可增加1 600萬元。

4 結(jié) 論

1)三峰分形級配提濃技術(shù)及配套設(shè)備在陽煤豐喜泉稷公司成功投用，水煤漿濃度由60.1%提高到64.19%，提高了4.09%;有效氣含量從79.91%提高到82.12%，提高了2.21%;比氧耗降低了35 Nm3/kNm3，比煤耗降低了20 kg/kNm3。噸合成氨耗煤量減小0.05 t，噸煤增合成氨量增加0.024 t，預(yù)期可為企業(yè)帶來1 600萬元的年經(jīng)濟效益。

2)開發(fā)新工藝、新裝備和適配性好的高效添加劑是解決我國水煤漿技術(shù)發(fā)展問題的關(guān)鍵[15]。制漿工藝和裝備是水煤漿制備技術(shù)的核心，完善的制漿工藝和裝備對于提高水煤漿質(zhì)量和降低制漿成本起著至關(guān)重要的作用[16]。三峰分形級配提濃技術(shù)的成功研發(fā)使得水煤漿技術(shù)具有了制漿濃度高、煤種適應(yīng)性寬、效率高、能耗更低的技術(shù)特點，未來勢必取代能耗高、效率低的常規(guī)棒磨機制漿工藝。