新疆混煤制氣化水煤漿的成漿性試驗(yàn)研究*

杜麗偉，何紅興

(1. 煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2. 國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

新疆煤炭資源豐富，預(yù)測(cè)儲(chǔ)量為2.19萬億t，約占全國(guó)總儲(chǔ)量的40.5%[1]。適度發(fā)展現(xiàn)代煤化工是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化和高效利用的重要途徑，既能保障能源供應(yīng)安全，又能發(fā)揮我國(guó)煤炭資源優(yōu)勢(shì)[2]。水煤漿是一種新型煤基流體潔凈環(huán)保燃料，既保留了煤的燃燒特性，又具備了類似重油的液態(tài)燃料特點(diǎn)。水煤漿技術(shù)作為一種清潔環(huán)保煤炭潔凈煤技術(shù)之一，已被列為我國(guó)能源發(fā)展重點(diǎn)推廣技術(shù)。自20世紀(jì)80年代開始，美國(guó)、加拿大、日本、英國(guó)、瑞典等國(guó)家均投入大量研發(fā)力量開發(fā)各種水煤漿技術(shù)，水煤漿技術(shù)在國(guó)際上已日趨成熟[3]。我國(guó)水煤漿制備技術(shù)歷經(jīng)30多年的研究與開發(fā)，已應(yīng)用于工業(yè)鍋爐燃燒及煤化工轉(zhuǎn)化等多個(gè)領(lǐng)域，并達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)燃料水煤漿生產(chǎn)和使用量已達(dá)3 000萬t/a，氣化水煤漿的使用量已超過2億t/a[4]。低階煤制漿及燃燒技術(shù)、工業(yè)廢水制漿、市政污泥制漿、制漿設(shè)備大型化、裝備的開發(fā)應(yīng)用等技術(shù)是未來水煤漿產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向[5]。

水煤漿是一種復(fù)雜的固液煤基流體燃料和氣化原料，影響其質(zhì)量的主要因素有煤質(zhì)性質(zhì)、粒度級(jí)配及添加劑等[6-9]。其中，煤質(zhì)性質(zhì)是影響水煤漿成漿性和漿體流變性的首要因素；粒度級(jí)配是影響水煤漿質(zhì)量的重要因素；添加劑在制漿過程中的加入量比較少，其用于改變煤顆粒表面性質(zhì)，促使顆粒在水中分散，形成較好的流變性和穩(wěn)定性[10]。我國(guó)新疆地區(qū)的煤炭大部分屬于低階煤，較難制得高質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤漿，許多學(xué)者通過粒度級(jí)配或添加劑復(fù)配等手段來改變煤漿質(zhì)量。段清兵等[11]、王淼森[12]采用分級(jí)研磨制漿工藝對(duì)新疆當(dāng)?shù)氐膯畏N煤進(jìn)行了提濃試驗(yàn)，制得煤漿平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.75%，比傳統(tǒng)工藝提高3個(gè)百分點(diǎn)；李文明[13]研究了不同分散劑對(duì)神華新疆煤的成漿影響，單獨(dú)制漿時(shí)紅沙泉煤制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較黑山煤制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)低5個(gè)百分點(diǎn)；紅沙泉煤和黑山煤混合后，紅沙泉煤在混煤所占比例越高，成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，當(dāng)紅沙泉煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，萘系與木質(zhì)素磺酸鈉復(fù)配質(zhì)量比為4∶6，添加劑量(w)為0.4%時(shí)，制取的混煤成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為60.45%。上述研究在一定程度上提高了新疆地區(qū)的低階煤制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

為進(jìn)一步提高新疆地區(qū)低階煤的氣化煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，擴(kuò)大制漿煤源，針對(duì)某煤化工項(xiàng)目，進(jìn)行新疆混煤[紅沙泉煤為主煤(w=70%)、黑山煤為輔煤(w=30%)]制漿，要求煤氣化水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%以上，具有較好的流動(dòng)性和適宜的表觀黏度。筆者利用間斷級(jí)配制漿工藝對(duì)新疆混煤進(jìn)行成漿性試驗(yàn)，考察了不同制漿工藝下對(duì)煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏度及流動(dòng)性的影響，探索出提高新疆混煤成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最佳粒度級(jí)配。

1 試驗(yàn)部分

1.1 煤質(zhì)分析

黑山煤、紅沙泉煤2個(gè)煤樣的煤質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 煤的工業(yè)分析

由表1可見：黑山煤具有內(nèi)水含量低、特低灰、高揮發(fā)分特點(diǎn)，紅沙泉具有內(nèi)水含量高、低灰、中高揮發(fā)分特點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)儀器

5E-JCA破碎機(jī)：長(zhǎng)沙開元儀器有限公司；NXS-4C水煤漿黏度計(jì)：成都儀器廠；HB43快速水分測(cè)定儀：瑞士梅特勒-托利多公司；Mastersizer3000型激光粒度儀：英國(guó)馬爾文儀器公司；XMB-φ240×300棒磨機(jī)：武漢探礦機(jī)械廠；MKJP-3選擇性破磨機(jī)：山東九昌重工科技有限公司；QHJM-3超細(xì)磨機(jī)：湖南超牌科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水煤漿制備

采用干法制備水煤漿，根據(jù)制漿工藝的不同選擇不同的研磨設(shè)備制備粗、細(xì)煤粉，添加劑選擇國(guó)家水煤漿工程技術(shù)研究中心研發(fā)的木質(zhì)素改性添加劑，添加劑用量(w)為0.3%(干基/干粉)，每次調(diào)漿量為200 g，再經(jīng)電動(dòng)攪拌器在800 r/min條件下對(duì)物料進(jìn)行剪切，剪切時(shí)間為6 min，使之成為有流動(dòng)性的漿體，最后對(duì)水煤漿試樣進(jìn)行質(zhì)量分?jǐn)?shù)、表觀黏度、流動(dòng)性測(cè)試。

1.3.2 水煤漿性能測(cè)定方法

水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為水煤漿質(zhì)量的重要指標(biāo)，是指煤在水煤漿所占的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。多次試驗(yàn)結(jié)果表明，采用快速水分測(cè)定儀測(cè)定水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法是可行的，該方法簡(jiǎn)單、易操作、檢測(cè)時(shí)間較短。

水煤漿表觀黏度測(cè)定按GB/T 18856.4—2008《水煤漿試驗(yàn)方法 表觀黏度測(cè)定》，測(cè)試在試驗(yàn)溫度20 ℃、剪切速率100 s-1時(shí)水煤漿的表觀黏度。

氣化水煤漿的流動(dòng)性采用目測(cè)法，根據(jù)漿體自然下落的間斷狀態(tài)，可分為B和C 2個(gè)級(jí)別。B級(jí)：漿體連續(xù)流動(dòng)，漿體自然下落不粘連；C級(jí)：漿體膏狀不成漿，無流動(dòng)性。為了進(jìn)一步區(qū)分B級(jí)流動(dòng)性的較小差別，分別以“+”和“-”表示，“B+”表示B級(jí)中流動(dòng)性較好者；“B-”表示B級(jí)中流動(dòng)性較差者。

水煤漿穩(wěn)定性測(cè)定采用簡(jiǎn)單有效的插棒法進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先將制好的水煤漿試樣密封保存靜置8 h，然后將玻璃棒插入水煤漿試樣中，探測(cè)漿體的深度，并記錄煤漿沉淀狀態(tài)。水煤漿穩(wěn)定性分為4個(gè)等級(jí)：A級(jí)表示漿體無沉淀，無析水；B級(jí)表示漿體有少量析水或底部略有軟沉淀；C級(jí)表示漿體多數(shù)軟沉淀，上層析水量多，經(jīng)攪拌能恢復(fù)流動(dòng)；D級(jí)表示漿體分層嚴(yán)重，析水澄清可見，漿體變硬，玻璃棒無法插入。

水煤漿粒度測(cè)定采用篩分法，稱取一定量的需要篩分的水煤漿試樣，置于1，0.15，0.075，0.045 mm試驗(yàn)篩中，用自來水進(jìn)行篩分，將試驗(yàn)篩上的物料烘干后放入振篩機(jī)再次進(jìn)行振篩，最后算出水煤漿中大于或小于某一篩孔孔徑的物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)工藝制漿試驗(yàn)

單磨機(jī)制漿指采用棒磨機(jī)研磨出級(jí)配粒度，目前在我國(guó)氣化水煤漿制備行業(yè)中應(yīng)用較多。棒磨機(jī)的磨棒處于線接觸，因此煤中大顆粒首先受到磨碎，具有一定的選擇性磨碎作用，在磨機(jī)出口處即為水煤漿氣化原料，棒磨雖然具有磨礦效率高、能耗低、處理量大及控制上限粒度等優(yōu)點(diǎn)，但存在粒度較粗，粒度級(jí)配不合理的缺點(diǎn)，會(huì)使?jié){體質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，穩(wěn)定性與流動(dòng)性較差[14]。

黑山煤與紅沙泉煤粗粉的制備：煤種經(jīng)破碎至6 mm以下，再分別單獨(dú)入料2.5 kg加至小型棒磨機(jī)中，研磨一定時(shí)間后，取出試樣，振篩煤粉粒度，粒度符合要求后，先對(duì)單種煤制備的粗粉調(diào)漿，考察單種煤成漿性能，再用2種粗煤粉以質(zhì)量比7∶3摻勻混配后進(jìn)行配煤制漿。配煤制漿可以改善難制漿煤的成漿性能，還可擴(kuò)大原料煤種的適用范圍，實(shí)現(xiàn)原料多樣化及資源的合理利用。黑山、紅沙泉2個(gè)單種煤及混煤制漿結(jié)果表2，混煤粒度分布見表3。

表2 傳統(tǒng)制漿工藝成漿性試驗(yàn)

由表2可見：采用傳統(tǒng)制漿工藝，煤漿黏度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，這是由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大使顆粒間的自由水減少，摩擦阻力增大，進(jìn)而增大煤漿黏度，流動(dòng)性變差。在流動(dòng)性較好和表觀黏度小于1 300 mPa·s的條件下，黑山煤，紅沙泉，配煤的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60.62%，55.12%，56.39%。通過配煤，成漿性較差的紅沙泉煤的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較單獨(dú)制漿時(shí)也有所提高。

表3 新疆混煤傳統(tǒng)制漿工藝下的粒度分布

由表3可見：傳統(tǒng)制漿工藝主要以棒磨為主，存在制漿濃度低，粒度分布為單峰連續(xù)級(jí)配，粒度分布上沒有調(diào)節(jié)手段等缺點(diǎn)。顆粒間的空隙沒有更小的顆粒進(jìn)行填充，降低了堆積效率，尤其是小于0.045 mm的細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.96%，煤漿中的粒度比較均一，制得的水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

2.2 分級(jí)研磨工藝制漿試驗(yàn)

隨著水煤漿產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，制漿技術(shù)與設(shè)備也隨著制漿煤種的變化而改進(jìn)。國(guó)家水煤漿工程技術(shù)研究中心開發(fā)了分級(jí)研磨高質(zhì)量分?jǐn)?shù)制漿技術(shù)，該技術(shù)通過選擇性粗磨機(jī)和高效超細(xì)細(xì)磨機(jī)的有機(jī)組合，使粗細(xì)顆粒相互填充，達(dá)到最佳粒度級(jí)配，提高了堆積效率和質(zhì)量分?jǐn)?shù)[15]。與傳統(tǒng)制漿工藝相比，煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高2～3個(gè)百分點(diǎn)，解決了低階煤制漿時(shí)研磨能耗高、粒度級(jí)配差等技術(shù)難題[16]，已成功應(yīng)用于氣化煤漿制備領(lǐng)域。工藝流程見圖1。

圖1 分級(jí)研磨制漿工藝流程示意

紅沙泉煤與黑山煤按質(zhì)量比7∶3均勻配比后作為一種煤樣進(jìn)入棒磨機(jī)研磨，出料后的粒度作為粗粉，粗粉的平均粒徑為100～150 μm，選取部分粗粉再進(jìn)入細(xì)磨機(jī)制備成細(xì)粉，細(xì)粉的平均粒徑約為20 μm。粗細(xì)粉的配比、粒徑是制備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿的關(guān)鍵。若加入細(xì)粉比例太高，煤漿黏度上升，研究結(jié)果表明：根據(jù)煤種的不同，細(xì)粉配入比例優(yōu)選添加10%～20%。添加劑選用木質(zhì)素改性系，用量(w)0.3%(干基/干粉)，分級(jí)研磨工藝成漿試驗(yàn)結(jié)果見表4，分級(jí)研磨制漿工藝和傳統(tǒng)制漿工藝的粒度分布對(duì)比見表5。

表4 分級(jí)研磨工藝成漿性試驗(yàn)

由表4可見：采用分級(jí)研磨制漿工藝后，細(xì)粉的加入提高了水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度，在漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，漿體黏度增大，流動(dòng)性變差。通過對(duì)漿體的流動(dòng)性、表觀黏度等因素進(jìn)行考察，確定粗細(xì)級(jí)配達(dá)到最優(yōu)的條件為細(xì)粉加入比例(w)為15%，該條件下新疆混煤制備的水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.26%。較傳統(tǒng)制漿工藝(紅沙泉煤與黑山煤質(zhì)量比7∶3，水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)56.39%)提高2.87個(gè)百分點(diǎn)，但仍未滿足氣化制漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%以上的要求。

由表5可見：分級(jí)研磨工藝的各粒度的水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所提高，分級(jí)工藝中粒度小于0.075 mm水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)較傳統(tǒng)工藝提高了7.93個(gè)百分點(diǎn)，煤漿的平均粒徑有所降低，拓寬了粒度分布范圍。

表5 分級(jí)研磨制漿工藝和傳統(tǒng)制漿工藝的粒度分布對(duì)比

2.3 間斷級(jí)配工藝制漿試驗(yàn)

為進(jìn)一步提高煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)及堆積效率，國(guó)家水煤漿工程技術(shù)研究中心開發(fā)了間斷級(jí)配制漿技術(shù)。采用原煤破碎與煤粉分離技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)水煤漿粒度分布的控制，使煤漿粒度級(jí)配更加優(yōu)化，堆積效率大幅提高。該制漿技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室工藝流程示意見圖2。

圖2 間斷級(jí)配制漿工藝流程示意

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室多次對(duì)不同煤樣進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該工藝較傳統(tǒng)制漿工藝水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高4個(gè)百分點(diǎn)以上。采用間斷級(jí)配制漿工藝，在新疆混煤[紅沙泉煤為主煤(w=70%)、黑山煤為輔煤(w=30%)]，配入(w)20%～30%的細(xì)粉至粗粉中，添加劑選木質(zhì)素改性系，用量為0.3%(w) (干基/干粉)，間斷級(jí)配工藝成漿性試驗(yàn)結(jié)果見表6，間斷級(jí)配制漿工藝和傳統(tǒng)制漿工藝的粒度分布對(duì)比見表7。

表6 間斷級(jí)配工藝成漿性試驗(yàn)

由表6可見：經(jīng)實(shí)驗(yàn)室多次對(duì)不同煤樣進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該工藝較傳統(tǒng)制漿工藝質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高4個(gè)百分點(diǎn)以上。采用間斷級(jí)配制漿工藝后，漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅提高，粗細(xì)顆粒之間相互填充，在細(xì)粉填加到一定比例后，漿體有非常明顯的增黏和流動(dòng)性提高的效果。當(dāng)細(xì)粉加入量(w)為30%時(shí)，漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到63%，煤漿黏度已超過氣化標(biāo)準(zhǔn)要求(表觀黏度不大于1 300 mPa·s)，但煤漿還具有較好的流動(dòng)狀態(tài)，這是由于復(fù)合流中粗顆粒由推移形式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙七\(yùn)動(dòng)，細(xì)顆粒對(duì)大顆粒的表面起到了潤(rùn)滑作用，進(jìn)而減少了流動(dòng)阻力。

表7 間斷級(jí)配制漿工藝和傳統(tǒng)制漿工藝的粒度分布

由表7可見：采用間斷級(jí)配工藝，粒度小于0.075 mm和粒度小于0.045 mm累積含量均比傳統(tǒng)制漿工藝的含量高，分布特點(diǎn)是粗細(xì)兩端的顆粒含量增加，表現(xiàn)為粗粉粒度增大，細(xì)粉足夠細(xì)，這樣有利于提高煤漿的堆積效率，進(jìn)而提高煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

考慮工業(yè)制漿實(shí)際情況，在滿足氣化水煤漿標(biāo)準(zhǔn)的條件下，粗細(xì)粉質(zhì)量比為70∶30時(shí)，新疆混煤成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為61.38%，黏度為1 289 mPa·s，漿體流動(dòng)性和穩(wěn)定性均較好，較傳統(tǒng)制漿工藝混煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)56.39%提高了4.99個(gè)百分點(diǎn)，滿足了企業(yè)對(duì)氣化煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于60%的要求。

3 結(jié)論

以新疆紅沙泉煤和黑山混煤為原料，對(duì)比分析了傳統(tǒng)制漿工藝、分級(jí)研磨工藝和間斷級(jí)配工藝的成漿試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論。

1)采用傳統(tǒng)制漿工藝，紅沙泉煤、黑山煤2種單種煤及兩者以質(zhì)量比7∶3混煤所制水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為55.12%，60.62%，56.39%，成漿性較差，需通過優(yōu)化粒度級(jí)配來提高煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2)采用分級(jí)研磨制漿工藝，新疆混煤中細(xì)粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，水煤漿最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.26%，較傳統(tǒng)制漿工藝提高了2.87個(gè)百分點(diǎn)。該工藝的創(chuàng)新是多破少磨，粗磨與細(xì)磨結(jié)合，磨礦效率及水煤漿堆積效率較高，形成了連續(xù)級(jí)配，改善了粒度分布，與單棒磨機(jī)(傳統(tǒng)制漿)工藝相比，煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高。

3)采用間斷級(jí)配制漿工藝，粗細(xì)粉質(zhì)量比為70∶30時(shí)，混煤的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了61.38%，較傳統(tǒng)制漿工藝提高4.99個(gè)百分點(diǎn)，滿足了生產(chǎn)中氣化水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)高于60%的要求；同時(shí)，該條件下制備的水煤漿黏度為1 289 mPa·s。滿足氣化水煤漿標(biāo)準(zhǔn)。該工藝的創(chuàng)新是以隔層堆積理論為基礎(chǔ)，結(jié)合漿體水力學(xué)相關(guān)內(nèi)容，利用細(xì)顆粒包裹大顆粒提高了煤漿流動(dòng)性及堆積效率，采用原煤破碎與煤粉分離技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)水煤漿粒度分布的控制，使煤漿粒度級(jí)配更加優(yōu)化。