微粉化超凈煤燃液生產(chǎn)工藝的研究

楊國(guó)輝 ，王公華，趙慧杰，劉 峰 ，李 磊，王振華 ，路文學(xué)

（1.兗礦水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心有限公司，山東 滕州277527；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

引 言

超凈煤是灰分不超1%的潔凈煤，以洗精煤為原料，通過(guò)化學(xué)清洗、分離和過(guò)濾生產(chǎn)制得。微粉化超凈煤燃液（簡(jiǎn)稱(chēng)燃液）是微粉化超凈煤與去離子水和分散劑等按比例混合成的漿體，外觀與原油相似[1-3]，可用于直噴式燃煤發(fā)動(dòng)機(jī)。直噴式燃煤發(fā)動(dòng)機(jī)即以燃液替代柴油燃料的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，可應(yīng)用于柴油機(jī)發(fā)電和運(yùn)輸行業(yè)[4]。

2000 年，澳大利亞菲利克斯公司開(kāi)展了超凈煤技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究工作，并建設(shè)了千噸級(jí)中試研究裝置。2009 年，兗礦集團(tuán)所屬兗州煤業(yè)澳大利亞有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)兗煤澳洲)收購(gòu)菲利克斯公司的同時(shí)，一并收購(gòu)其超凈煤技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并在12 個(gè)國(guó)家獲得了專(zhuān)利授權(quán)。2013 年，兗煤澳洲在與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院合作完成燃液燃燒特性等實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)上，完成了燃液在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)上的100 h 運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，具備開(kāi)展燃液替代柴油開(kāi)發(fā)商業(yè)化的直噴式燃煤發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)條件。

兗煤澳洲的燃液技術(shù)為煤炭高效清潔利用提供了一種新途徑，可作為提高我國(guó)能源利用效率、減少環(huán)境污染的又一途徑。本文主要對(duì)燃液的生產(chǎn)工藝進(jìn)行介紹，有助于燃液在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的推廣應(yīng)用。

1 生產(chǎn)原料

燃液的生產(chǎn)原料主要為超凈煤、酸堿調(diào)節(jié)劑、去離子水、分散劑等。其中，超凈煤是將山東和陜西地區(qū)的4 種原煤經(jīng)化學(xué)方法處理后、干基灰分小于1.0%的潔凈煤。酸堿調(diào)節(jié)劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%左右的工業(yè)級(jí)試劑，主要用于調(diào)節(jié)燃液的pH 值為中性。分散劑為分子量＞10 000 的有機(jī)高分子添加劑。經(jīng)化學(xué)處理后的超凈煤煤質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)化學(xué)處理后的超凈煤煤質(zhì)分析結(jié)果 %

2 生產(chǎn)設(shè)備及檢測(cè)儀器

燃液的生產(chǎn)設(shè)備主要包括砂磨機(jī)、壓濾機(jī)、高強(qiáng)剪切設(shè)備等。其中砂磨機(jī)研磨介質(zhì)為氧化鋯珠，粒徑1.5 mm；壓濾機(jī)過(guò)濾面積40 m2，濾室容積 500 L，濾板材質(zhì)為增強(qiáng)聚丙烯；高強(qiáng)剪切設(shè)備為筒體傾翻出料方式。砂磨機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表2，高強(qiáng)剪切設(shè)備主要參數(shù)見(jiàn)表3。

燃液的分析檢測(cè)設(shè)備主要包括粒度分析儀、馬爾文流變儀等。其中馬爾文流變儀型號(hào)Lab+，根據(jù)黏度的測(cè)試范圍選擇轉(zhuǎn)子為30 mm 平板法轉(zhuǎn)子，用樣體積約 0.50 mL，設(shè)置剪切速率為 0.01 s-1～1 000 s-1、測(cè)試溫度 20 ℃。

表2 砂磨機(jī)主要參數(shù)

表3 高強(qiáng)剪切設(shè)備主要參數(shù)

3 微粉化超凈煤燃液的生產(chǎn)方法

將超凈煤、去離子水等研磨成合適粒度的漿液，然后壓濾成質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%左右的濾餅，濾餅、分散劑和一定質(zhì)量的去離子水在高強(qiáng)剪切設(shè)備中充分?jǐn)嚢?，過(guò)濾后成為燃液。

3.1 研磨工序

燃液研磨流程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 燃液研磨流程示意圖

一定質(zhì)量的超凈煤和去離子水充分?jǐn)嚢璨⒓尤胭|(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的酸堿調(diào)節(jié)劑溶液（調(diào)節(jié)劑加入量占總物料量1.5%），將pH 值調(diào)節(jié)至中性。將混合好的料漿經(jīng)物料泵送入砂磨機(jī)，研磨線速度為13 m/s，研磨溫度小于50 ℃，研磨過(guò)程中物料通過(guò)返料管多次返回砂磨機(jī)，將物料研磨至平均粒度 20 μm～30 μm。磨制完成的料漿被送入攪拌釜。

3.2 壓濾工序

粒度合格的物料泵入壓濾機(jī)過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)煤和水的分離，獲得濾餅，濾餅中固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%左右。濾餅送入下一工序，濾液通過(guò)濾液輸送泵送入廢液桶，并作為壓濾機(jī)的清洗廢水使用。

3.3 燃液高強(qiáng)剪切工序

燃液高強(qiáng)剪切流程示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 燃液高強(qiáng)剪切流程示意圖

一定質(zhì)量的濾餅、分散劑和去離子水進(jìn)入高強(qiáng)剪切設(shè)備中充分?jǐn)嚢瑁稚┩都恿繛槌瑑裘海ǜ苫┝康?.2%左右，攪拌時(shí)間50 min 左右，形成微粉化超凈煤燃液。在剪切速率0.01 s-1條件下測(cè)試燃液黏度，黏度高于12 000 mPa·s，說(shuō)明燃液穩(wěn)定性良好。將穩(wěn)定的燃液通過(guò)燃液輸送泵泵入動(dòng)態(tài)過(guò)濾器，過(guò)濾掉大顆粒后，送入噸桶存放。

4 生產(chǎn)過(guò)程控制及產(chǎn)品分析

燃液生產(chǎn)過(guò)程控制的重點(diǎn)主要包括物料研磨至合適的粒度，濾餅、分散劑、去離子水等在高強(qiáng)剪切設(shè)備中攪拌為黏度合適的燃液。

4.1 產(chǎn)品粒度控制及結(jié)果分析

產(chǎn)品粒度控制主要通過(guò)砂磨機(jī)的線速度及研磨時(shí)間等控制。將混合好的物料通過(guò)磨機(jī)給料泵送入砂磨機(jī)，進(jìn)砂磨機(jī)的原料超凈煤量為300 kg/ h，去離子水量為280 kg/h，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的酸堿調(diào)節(jié)劑量為5 kg/h。砂磨機(jī)線速度12 m/s，物料通過(guò)返料管多次返回砂磨機(jī)，pH 值經(jīng)測(cè)試為6.76，不同研磨時(shí)間下燃液粒度分布見(jiàn)表4。

表4 不同研磨時(shí)間下燃液粒度分布

由表4 得出：研磨時(shí)間30 min 時(shí)，研磨后物料平均粒度約39.31 μm，應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，燃液粒度偏粗，影響其霧化效果。研磨時(shí)間50 min 時(shí)，研磨后物料平均粒度約23.19 μm，滿(mǎn)足燃液對(duì)粒度的要求，應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，具有良好的霧化效果。研磨時(shí)間70 min 時(shí)，平均粒度約11.26 μm，滿(mǎn)足燃液對(duì)粒度的要求，但磨制能耗較高，且粒度偏細(xì)，燃液在壓濾工序會(huì)出現(xiàn)黏度較大的情況，影響其在柴油機(jī)上的輸送噴射效果。

4.2 產(chǎn)品黏度性能控制及結(jié)果分析

產(chǎn)品的黏度性能控制主要通過(guò)添加合適的分散劑及控制高強(qiáng)剪切設(shè)備的轉(zhuǎn)速及剪切時(shí)間等條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。濾餅在高強(qiáng)剪切設(shè)備中充分?jǐn)嚢?，濾餅進(jìn)料量163.33 kg/h，去離子水用量為40.61 kg/h，分散劑用量為2.21 kg/h，高強(qiáng)剪切轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，對(duì)不同剪切時(shí)間下的燃液黏度進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同剪切時(shí)間下燃液黏度測(cè)試結(jié)果

由表5 看出：剪切時(shí)間30 min 時(shí)，剪切速率大于100 s-1的條件下，其黏度值小于500 mPa·s，顯示燃液動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)良好；剪切速率在0.01 s-1條件下，其黏度值小于12 000 mPa·s，燃液靜態(tài)穩(wěn)定性稍差。剪切時(shí)間50 min 時(shí)，目測(cè)燃液流動(dòng)狀態(tài)相對(duì)適中，可從燒杯中順利流出；剪切速率在0.01 s-1條件下，其黏度值大于12 000 mPa·s，顯示燃液靜態(tài)穩(wěn)定性良好；剪切速率大于100 s-1的條件下，其黏度值小于500 mPa·s，顯示其動(dòng)態(tài)流動(dòng)性良好。說(shuō)明通過(guò)控制高強(qiáng)剪切設(shè)備轉(zhuǎn)速及剪切時(shí)間，可得到黏度性能良好的燃液。剪切時(shí)間增加至70 min 時(shí)，目測(cè)其流動(dòng)性較差；剪切速率在0.01 s-1條件下，其黏度值遠(yuǎn)大于12 000 mPa·s，燃液靜態(tài)穩(wěn)定性良好；剪切速率大于100 s-1的條件下，其黏度值大于500 mPa·s，動(dòng)態(tài)流動(dòng)性較差。

兗煤澳洲使用黏度、流動(dòng)性合適的燃液進(jìn)行了100 h 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：燃液狀態(tài)穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)停運(yùn)幾天后，燃液無(wú)需攪拌可重新使用，測(cè)試期間燃液的燃燒性能穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油缸因?yàn)槊夯叶斐傻母左w內(nèi)污染，油缸內(nèi)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)灰垢。

5 結(jié) 語(yǔ)

5.1 以灰分小于1%的超凈煤、去離子水、分散劑等為原料，經(jīng)砂磨機(jī)研磨至合適的粒度，然后經(jīng)壓濾機(jī)壓濾成濾餅，與藥劑等經(jīng)高強(qiáng)剪切設(shè)備充分?jǐn)嚢?，可制得微粉化超凈煤燃液?/p>

5.2 兗煤澳洲提出的燃液的生產(chǎn)方法生產(chǎn)的燃液有特定的流變特性，在剪切速率較低的條件下，黏度較大，有利于保持良好的靜態(tài)穩(wěn)定性；在剪切速率較高的條件下，黏度較小，具有較好的動(dòng)態(tài)流動(dòng)性。

5.3 該方法生產(chǎn)的燃液可應(yīng)用于直噴式燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，為煤的清潔利用提供了新的途徑。

5.4 兗煤澳洲下一步將積極開(kāi)發(fā)燃液在其他方面的應(yīng)用途徑，為煤的清潔利用提供更多的選擇。