煤液化殘渣與神華煤制備氣化水煤漿的試驗研究*

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實驗室，北京 100013))

煤液化殘渣是在煤直接液化過程中產(chǎn)生的約占投煤量30%左右的主要副產(chǎn)物，是一種高碳、高灰、高硫且成分復(fù)雜的固體混合物[1]，主要由液化原料煤中未轉(zhuǎn)化的有機(jī)體、無機(jī)礦物質(zhì)、催化劑和部分重質(zhì)油等組成[2]。煤直接液化殘渣的合理、高效利用具有重要的研究意義，對液化過程的資源利用率、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)有著重要的影響[3]。目前，液化殘渣利用的主要途徑有焦化、氣化和燃燒3種方式，還有一些利用超臨界萃取方法制備高附加值碳素材料等[4-5]。液化殘渣具有內(nèi)在水分含量低、含氧官能團(tuán)和孔隙低的特點，有利于制備較高濃度的水煤漿。液化殘渣替代部分原料煤制備氣化水煤漿，再用水煤漿氣化方式生產(chǎn)液化過程所需要的氫氣，可以實現(xiàn)液化殘渣再利用與煤炭液化的有機(jī)結(jié)合，對于提高煤直接液化過程中的能源轉(zhuǎn)化效率和液化成本有重要的現(xiàn)實意義[6-7]。經(jīng)過幾十年的科技攻關(guān)，水煤漿制備技術(shù)得到了迅速發(fā)展，形成了多種成熟的水煤漿制備工藝，我國的制漿技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平[8-9]。制漿煤的性質(zhì)、添加劑和粒度級配是影響水煤漿成漿性的主要因素，粒度級配又是評價水煤漿質(zhì)量的重要因素[10-11]。常規(guī)制漿工藝是將原料煤、水和添加劑加入到磨機(jī)內(nèi)經(jīng)一次性研磨成漿，工藝簡單但調(diào)節(jié)手段少，煤漿屬于單峰級配，粒度分布相對集，堆積效率差，成漿濃度低[12]。分級研磨制漿工藝是將“選擇性分級研磨”和“優(yōu)化粒度級配”融入制漿工藝中，將棒磨機(jī)和細(xì)磨進(jìn)行有機(jī)組合，在提高煤漿流動性的同時優(yōu)化顆粒的堆積密度，進(jìn)而提高煤漿濃度，該工藝可使煤漿濃度提高3~5個百分點，顯著提高煤氣化效率，降低比氧耗和比煤耗，增加有效氣含量，降低了煤化工企業(yè)的生產(chǎn)運行成本[13-14]。煤漿濃度提高后，進(jìn)入氣化爐內(nèi)的水分減少，提高水煤漿氣化和煤炭資源利用效率，減少溫室氣體排放，對我國節(jié)能減排、低碳環(huán)保政策的實施具有重要的促進(jìn)作用[15]。

筆者首先通過干法制漿方式，采用常規(guī)制漿工藝和分級研磨制漿工藝對液化殘渣和神華煤進(jìn)行成漿性研究，然后通過濕法制漿方式對其結(jié)果進(jìn)行驗證，最后在此基礎(chǔ)上開展了液化殘渣和神華煤的配煤制漿試驗。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗原料為液化殘渣和神華煤，收到煤樣后對其進(jìn)行分析測試，分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗煤樣的基本性質(zhì)分析

由表1可見：液化殘渣具有水分含量較低、高灰分、中高揮發(fā)分、高硫分的特點，液化殘渣的水分較低有利于制成高濃度的煤漿，液化殘渣的硫含量較高，一部分來自原料煤，大部分來自液化過程的助催化劑。神華煤屬于水分中等、特低灰分、中高揮發(fā)分、特低硫的煤種。

1.2 試驗儀器

成漿性試驗所用的主要儀器見表2。

表2 成漿性試驗所用的主要儀器

1.3 試驗方法

先采用干法制漿，然后用濕法磨礦進(jìn)行驗證，干法制漿試驗操作過程如下：先用顎式破碎機(jī)將原料煤破碎到6 mm以下；然后用棒磨機(jī)將一定量的煤粉進(jìn)行粗磨礦，根據(jù)出料粒度要求，選取不同的磨礦時間；對不同時間點的煤樣用振動篩進(jìn)行篩分，測出粒度分布，直到達(dá)到要求。取出部分制備好的粗粉，放入超細(xì)研磨機(jī)中進(jìn)行磨礦，選取不同的磨礦時間，使用激光粒度分布儀測定其粒度分布，至煤粉的粒徑在75 μm以下。將符合粒度要求的煤粉、添加劑和水按照設(shè)定比例加入到制漿容器內(nèi)進(jìn)行調(diào)漿，將制備好的成品漿樣分別進(jìn)行濃度、表觀黏度、流動性、穩(wěn)定性的分析測試。

濕法制漿的試驗過程如下：在超細(xì)研磨機(jī)內(nèi)裝入5 kg剛玉球介質(zhì)，然后按設(shè)計濃度加入先前磨制好的粗粉、添加劑和一定量的水，濕法磨礦一定時間后制備出細(xì)漿。然后將鋼棒及煤粉放入棒磨機(jī)中，按照煤樣的設(shè)計濃度，加入一定量的添加劑、水和細(xì)漿，磨制不同時間，將制備好的成品漿試樣分別進(jìn)行濃度、表觀黏度、流動性、穩(wěn)定性的分析測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)制漿工藝成漿性試驗

常規(guī)制漿工藝是在試驗室內(nèi)采用工業(yè)上傳統(tǒng)的單棒磨機(jī)或球磨機(jī)制漿，將破碎后的原料煤、水和添加劑按設(shè)計比例加入到制漿容器內(nèi)一次攪拌成漿。采用常規(guī)制漿工藝，添加劑選擇木質(zhì)素改性添加劑，添加量(w，下同)為0.3%(干基/干粉)，分別對液化殘渣和神華煤進(jìn)行成漿性試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 常規(guī)制漿工藝條件下的成漿性試驗結(jié)果

由表3可見：隨著液化殘渣和神華煤成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸提高，水煤漿的表觀黏度逐漸增大，水煤漿的流動性明顯變差，水煤漿的穩(wěn)定性均較好。綜合考慮表觀黏度和流動性等因素，液化殘渣的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76.49%，神華煤的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.38%，2種煤樣的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均相對較高。

2.2 分級研磨制漿工藝成漿性試驗

原料煤的煤質(zhì)性質(zhì)、制漿用添加劑和粒度級配是影響成漿性的主要因素，其中粒度級配對水煤漿質(zhì)量有重要影響，優(yōu)化煤漿的粒度級配，可以提高顆粒的堆積效率，提高煤漿濃度，改善煤漿的流動性和穩(wěn)定性。采用分級研磨制漿工藝進(jìn)行成漿性研究，通過初步試驗，確定出分級研磨工藝的的合理粒度配比為粗細(xì)粉質(zhì)量比為85∶15，木質(zhì)素改性添加劑為成漿性試驗用藥劑，最優(yōu)的添加劑用量(w)為0.3%(干基/干粉)，在上述條件下進(jìn)行成漿性試驗，結(jié)果見表4。

表4 分級研磨制漿工藝條件下的試驗結(jié)果

由表4可見：液化殘渣的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.58%，神華煤的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.50%；與常規(guī)制漿工藝相比，分級研磨制漿工藝下2個煤樣的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)能提高3個百分點以上。

2.3 分級研磨制漿工藝濕法驗證

在分級研磨制漿工藝條件下，采用濕法磨礦方式模擬工業(yè)制漿，驗證干法制漿的試驗結(jié)果。采用上述試驗確定的最佳干法制漿條件，分別以液化殘渣和神華煤為原料進(jìn)行濕法磨礦試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 分級研磨制漿工藝的濕法制漿試驗結(jié)果

由表5可見：在分級研磨濕法制漿條件下，細(xì)漿加入量(w)為15%時，液化殘渣和神華煤磨礦時間分別為6 min，8 min時所制水煤漿的粒度指標(biāo)、表觀黏度指標(biāo)基本滿足要求，此時液化殘渣和神華煤的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到79.55%、65.42%，濕法制漿的試驗結(jié)果和干法制漿的試驗結(jié)果一致。

2.4 配煤制漿的成漿性試驗

根據(jù)試驗要求，在上述試驗的基礎(chǔ)上對神華煤與液化殘渣進(jìn)行配煤制漿試驗(神華煤與液化殘渣質(zhì)量比為4∶1)。在粗細(xì)粉質(zhì)量比為85∶15，添加劑選擇木質(zhì)素改性添加劑，添加劑用量(w)為0.3%(干基/干粉)的條件下，分別采用常規(guī)制漿工藝和分級研磨制漿工藝進(jìn)行成漿性試驗，試驗結(jié)果見表6。

表6 配煤制漿的試驗結(jié)果

由表6可見：神華煤與液化殘渣按質(zhì)量比4∶1比例配煤后，常規(guī)制漿工藝下的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.46%，分級研磨制漿工藝下的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.58%。與神華煤單種煤成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，2種工藝下配煤后的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均提高了2個百分點以上。

3 結(jié)論

1)采用常規(guī)制漿工藝，液化殘渣的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76.49%，神華煤的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.38%，2種煤樣的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高。

2)分級研磨制漿工藝確定的合理粒度配比為粗細(xì)粉質(zhì)量比為85∶15，木質(zhì)素改性添加劑為成漿性試驗用藥劑，最優(yōu)的添加劑用量(w)為0.3%(干基/干粉)，在上述工藝條件下，液化殘渣的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.58%，神華煤的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.50%，與常規(guī)制漿工藝相比，分級研磨制漿工藝下2個煤樣的成漿濃度能提高3個百分點以上。

3)對液化殘渣和神華煤進(jìn)行濕法磨礦驗證，液化殘渣和神華煤的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到79.55%、65.42%，濕法制漿的試驗結(jié)果和干法制漿的試驗結(jié)果一致。

4)神華煤與液化殘渣按質(zhì)量比4∶1配煤后，常規(guī)制漿工藝下的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.46%，分級研磨制漿工藝下的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.58%；與神華煤單種煤成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均可提高2個百分點以上。