新疆五彩灣煤制備氣化水煤漿的中試試驗研究

何紅興

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.國家水煤漿工程技術(shù)研究中心，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點試驗室，北京 100013；4.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點試驗室，北京 100013)

水煤漿是一種煤基流體燃料和氣化原料[1]，是由煤、水和添加劑經(jīng)過一定的制漿工藝加工而成的，有良好的流動性和穩(wěn)定性，具有燃燒效率高，環(huán)境污染小，經(jīng)濟效益好的優(yōu)點，是潔凈煤技術(shù)的重要組成部分[2]，符合我國節(jié)能減排和煤炭清潔高效利用的發(fā)展方向[3]。水煤漿多以變質(zhì)程度較高的煤為原料[4]，但我國的低階煤資源儲量豐富，利用低階煤制漿可拓寬制漿用煤來源[5，6]，降低制漿成本，具有重要的研究意義[7]。針對低階煤成漿濃度偏低的難題，國家水煤漿工程技術(shù)研究中心做了大量的研究工作[8-10]，先后開發(fā)出分級研磨制漿工藝和間斷級配制漿工藝[11]。間斷級配制漿工藝是在張榮曾教授“隔層堆積理論”和費祥俊教授“漿體水力學(xué)研究”的基礎(chǔ)上提出的[12，13]，該技術(shù)優(yōu)化了煤漿的粒度級配[14]，在保證煤漿流動性的前提下實現(xiàn)煤顆粒的最大填充，可使煤漿濃度提高6個百分點以上，提高了水煤漿燃燒和氣化效率[15]。國家水煤漿工程技術(shù)研究中心采用該工藝建成1套煤漿產(chǎn)量0.5t/h水煤漿中試試驗裝置[16]，先后以神華、榆林等多種煤進行中試試驗，煤漿濃度較傳統(tǒng)工藝可提高6～8個百分點。本研究以新疆五彩灣煤為原料進行了成漿性試驗，并在此基礎(chǔ)上進行中試試驗，為低階煤制備高濃度水煤漿技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 成漿性試驗

1.1 試驗原料

試驗原料煤為新疆五彩灣煤，在收到原料煤后對其進行分析測試，分析數(shù)據(jù)見表1、表2。

由表1、表2數(shù)據(jù)可知，制漿用原料煤的水分為6.58%，水分含量較低，干基灰分為4.10%，屬于特低灰煤，可燃基揮發(fā)分為30.35%，屬于中高揮分發(fā)煤，干基硫分為0.41%，屬于特低硫煤，干燥基高位發(fā)熱量為28.89MJ/kg，屬于高熱值煤，流動溫度在1290℃，屬于中等流動溫度灰。

表1 試驗用煤的煤質(zhì)分析

表2 試驗用煤的灰熔融性分析

1.2 試驗方法

1.2.1 實驗室的成漿性試驗

利用實驗室小型設(shè)備模擬工業(yè)化生產(chǎn)中的制漿設(shè)備，完成制漿環(huán)節(jié)。實驗室的制漿試驗分別采用傳統(tǒng)制漿工藝和間斷級配制漿工藝。

1)傳統(tǒng)制漿試驗：將原料煤破碎到3mm以下，并投入棒磨機中研磨，每次入料2.5kg；根據(jù)磨礦特性和出料粒度要求選擇不同的磨礦時間，分析樣品達(dá)到粒度要求后停止磨礦；然后按設(shè)定濃度，向制漿容器中加入煤粉、水及添加劑，用電動攪拌器進行攪拌制漿，然后對水煤漿產(chǎn)品進行分析檢測。

2)間斷級配制漿試驗：將試驗原煤破碎至3mm以下，并投入棒磨機中研磨；根據(jù)磨礦特性與出料粒度要求選擇不同的磨礦時間；將研磨后的煤粉取出用電動振篩機進行干法篩分，測出其粒度分布，直到達(dá)到相關(guān)的粒度要求為止；取出制備好的粗粒度煤粉，然后采用不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)篩對粗煤粉進行篩分，將篩下物再放入超細(xì)研磨機中研磨；對細(xì)粉使用馬爾文MS3000型激光粒度分布儀測定其粒度分布，至煤粉平均粒徑在75μm以下；制備出合格的原料粗粉和細(xì)粉后，按照設(shè)定的粗、細(xì)煤粉比以及濃度，加入粗粉、細(xì)粉、水及添加劑進行調(diào)漿，并對成品漿進行分析。

水煤漿濃度的測定按照國標(biāo)《水煤漿試驗方法—濃度測定》(GB/T 18856.2)進行；水煤漿黏度的測定按照國標(biāo)《水煤漿試驗方法—表觀黏度測定》(GB/T 18856.4)進行。水煤漿的流動性能采用的方法是目測法，把煤漿流動性能分為A、B、C三個等級：連續(xù)流動(A)、間斷流動(B)、不流動(C)，為了表示屬于某一等級范圍流動性的較小差別，分別用“+”和“-”號加以區(qū)分，“+”號表示某一等級中流動性較好者；“-”號表示某一等級中流動性較差者。水煤漿穩(wěn)定性采用傳統(tǒng)的插棒法進行測試：將被測漿樣密閉放置24h后插棒觀測，根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)判定：A級是漿體穩(wěn)定性最好，漿體保持其初始狀態(tài)，無析水，無沉淀產(chǎn)生；B級是漿體穩(wěn)定性較好，漿體存在少量的析水或少許軟沉淀產(chǎn)生；C級是漿體穩(wěn)定性較差，有沉淀產(chǎn)生，但經(jīng)攪拌作用后沉淀消失；D級是漿體穩(wěn)定性最差，漿體產(chǎn)生部分沉淀或全部硬沉淀，無法通過攪拌后再生。水煤漿粒度分布采用馬爾文MS3000型激光粒度分布儀測定，該儀器能自動計算出被測樣品的平均粒度，測出的平均粒徑為體積平均粒徑。

實驗室成漿性試驗所用的主要儀器見表3。

1.2.2 中試生產(chǎn)線的成漿性試驗

中試生產(chǎn)線主要包括細(xì)漿制備系統(tǒng)和粗粉制備系統(tǒng)，破碎后的原料煤通過行車吊裝至原煤倉內(nèi)，原煤倉中的原煤可通過三通閥將其分成兩部分，一部分進入細(xì)漿制備系統(tǒng)，一部分進入粗粉制備系統(tǒng)。細(xì)漿制備系統(tǒng)通過棒磨機和臥式細(xì)磨機制備原料細(xì)漿，臥式細(xì)磨機是制備細(xì)漿的核心設(shè)備，設(shè)備采用水平單懸臂軸的旋轉(zhuǎn)，帶動研磨介質(zhì)進行圓周運動，其線速度達(dá)到10～15m/s，通過動態(tài)渦輪離心分離裝置分離出研磨介質(zhì)和細(xì)漿，細(xì)漿通過篩網(wǎng)順利流出。粗粉制備系統(tǒng)通過輥式破碎機制備原料粗粉，輥式破碎機是制備粗粉的關(guān)鍵設(shè)備，利用多個高強度耐磨合金破碎輥相對旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高擠壓力和剪切力來破碎物料，該設(shè)備能實現(xiàn)只破碎大顆粒不破碎小顆粒，可將煤粉粒徑精準(zhǔn)控制在0.2～1mm。制備出的原料細(xì)漿和粗粉根據(jù)設(shè)定的比例混合進入高剪切均質(zhì)槽內(nèi)，進行剪切、均質(zhì)和熟化后制得產(chǎn)品水煤漿，最后將產(chǎn)品煤漿取出進行分析檢測。中試生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示。

表3 實驗室成漿性試驗所用的主要儀器

圖1 中試試驗的工藝流程圖

中試試驗所用的主要設(shè)備見表4。

2 成漿性試驗結(jié)果與討論

2.1 實驗室成漿性試驗

分別采用傳統(tǒng)制漿工藝和間斷級配制漿工藝進行制漿試驗，后者作為重點工藝進行試驗研究。傳統(tǒng)制漿工藝是模仿工業(yè)上的傳統(tǒng)單棒磨機或球磨機制漿，將破碎后的原料煤、添加劑和水按照設(shè)定的比例加入到制漿容器內(nèi)，經(jīng)攪拌后制得產(chǎn)品水煤漿。采用傳統(tǒng)制漿工藝，在添加劑用量為干基煤的0.3%條件下進行成漿性試驗，試驗結(jié)果見表5。

表4 中試試驗的主要設(shè)備

表5 傳統(tǒng)制漿工藝的成漿性試驗

由表5傳統(tǒng)制漿工藝的試驗結(jié)果可知：隨著制漿濃度的提高，水煤漿的表觀黏度逐漸增大，水煤漿的流動性變差；水煤漿的穩(wěn)定性較好，存在少量的析水或少許軟沉淀產(chǎn)生；綜合考慮表觀黏度和流動性等因素，該煤樣在傳統(tǒng)制漿工藝下的最高成漿濃度為51.01%，煤漿的流動性為B-，煤漿為間斷流動。

采用間斷級配工藝，制備出合格的原料粗粉和細(xì)粉后，在粗、細(xì)粉質(zhì)量比為6∶4，添加劑用量為干基煤質(zhì)量的0.3%條件下進行成漿性試驗，試驗結(jié)果見表6。

表6 間斷級配制漿工藝的成漿性試驗

由表6間斷級配制漿工藝的試驗結(jié)果可知：隨著制漿濃度的提高，水煤漿的表觀黏度逐漸增大，水煤漿的流動性變差；由于細(xì)漿的加入，細(xì)顆粒起到了潤滑和增黏作用，水煤漿的穩(wěn)定性變好，漿體保持其初始狀態(tài)，無析水和沉淀產(chǎn)生；采用間斷級配制漿工藝，在添加劑用量為0.3%的條件下，綜合考慮流動性和表觀黏度指標(biāo)達(dá)到較好狀態(tài)時，該煤種最高成漿濃度可達(dá)57.08%。

2.2 中試生產(chǎn)線成漿性試驗

根據(jù)實驗室得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，適量調(diào)節(jié)細(xì)漿和粗粉的粒度，按照粗粉和細(xì)漿的干基比為6∶4，綜合考慮到中試裝置添加劑的計量精度和損耗情況，適當(dāng)增大添加劑的添加比例，用量為干基總煤量(粗粉+細(xì)漿)的0.5%，煤漿的處理量為0.3t/h，細(xì)磨機的進料濃度為45%，按照中試工藝流程進行了中試成漿性試驗。將制備出的粗粉與細(xì)漿按干基煤比6∶4加入到高剪切槽內(nèi)，經(jīng)過一定時間的高速剪切均質(zhì)熟化，制備出合格的成品煤漿。中試試驗過程中的細(xì)漿系統(tǒng)和粗粉系統(tǒng)的運行情況見表7。

表7 中試生產(chǎn)線的運行參數(shù)

由表7細(xì)漿制備系統(tǒng)運行參數(shù)可知：按照設(shè)定的煤漿處理量0.3t/h，細(xì)磨機的進料濃度為45%，裝置運行穩(wěn)定后，分析細(xì)漿的實際平均濃度為44.62%，細(xì)漿的平均粒徑為25.10μm；由表7粗粉制備系統(tǒng)運行參數(shù)可知：粗粉制備系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，粗粉系統(tǒng)的處理量為0.15t/h，粗粉的入料粒徑小于6mm，經(jīng)輥式破碎機破碎后的出料平均粒徑為小于1.5mm。

中試生產(chǎn)線進行4h連續(xù)運轉(zhuǎn)，得到了一系列試驗結(jié)果見表8。

表8 中試生產(chǎn)線的成漿性試驗

試驗采用馬爾文MS3000型激光粒度儀對中試生產(chǎn)線的產(chǎn)品煤漿進行粒度分布測試，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 產(chǎn)品煤漿的區(qū)間粒度分布

圖3 產(chǎn)品煤漿的累計粒度分布

由表8可知：粗粉系統(tǒng)輥式破碎機的出料粒度較穩(wěn)定；細(xì)漿制備系統(tǒng)由于粗漿槽內(nèi)需有50%以上的粗漿液位，在棒磨機穩(wěn)定運行后才開始啟動細(xì)磨機，在系統(tǒng)運行初期，細(xì)磨機出料的平均粒度偏粗，隨著運行時間的增加，設(shè)備狀態(tài)逐步改善，最終達(dá)到最佳運行狀態(tài)；此時，細(xì)漿的出料平均濃度約為44.62%，細(xì)漿的平均粒度約25.10μm，制備出成品煤漿的平均濃度為56.19%，漿體的流動性較好。由圖2可以看出，產(chǎn)品煤漿在50μm粒級附近的含量較少，出現(xiàn)了中間部分的間斷，這是由于制漿工藝中細(xì)磨機的加入，把本來粒度連續(xù)的部分大顆粒研磨的更細(xì)，使得細(xì)顆粒的峰值出現(xiàn)在25μm左右。

比較實驗室制漿試驗和中試制漿試驗結(jié)果可知：實驗室的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠很好地指導(dǎo)中試試驗，且中試試驗結(jié)果也驗證了實驗室試驗的基礎(chǔ)理論，對將來工業(yè)化應(yīng)用起到了很好的指導(dǎo)作用。

3 結(jié) 論

1)采用傳統(tǒng)制漿工藝，該試驗煤種的最高成漿濃度僅為51.01%，屬于難成漿煤種，煤漿的流動性和穩(wěn)定性較好。

2)采用間斷級配制漿工藝，該試驗煤種的最高成漿濃度可達(dá)57.08%，較傳統(tǒng)制漿工藝相比可提高6個百分點；由于細(xì)漿的加入，優(yōu)化了煤漿的粒度分布，實現(xiàn)煤漿粒度的高效緊密堆積，成漿濃度大幅度提高，且細(xì)顆粒在煤漿中起到很好的潤滑和增黏作用，煤漿的流動性和穩(wěn)定性得到明顯改善。

3)采用中試生產(chǎn)線制漿工藝，中試裝置運行穩(wěn)定后細(xì)漿平均濃度為44.62%，細(xì)漿的平均粒度約25.10μm，制備出成品煤漿濃度為56.19%，較傳統(tǒng)制漿工藝相比提高5個百分點，但低于實驗室的間斷級配制漿工藝；中試試驗結(jié)果驗證了實驗室的小試結(jié)果。