氣化配煤成漿性的優(yōu)化研究*

榮令坤,崔保祿,張沛儒,孫海章,賈風(fēng)軍,李文秀,李大虎

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

煤氣化能夠達(dá)到充分利用煤炭資源的目的,是煤炭清潔高效利用的最主要途徑,更是發(fā)展煤制氣、煤制油、煤制甲醇、煤制烯烴和煤制乙二醇等現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ).鄂爾多斯市依托其豐富的煤炭資源,不斷加大煤炭資源潔凈利用率,大力發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè),目前已建成各類煤化工產(chǎn)能1 500多萬t,年煤炭轉(zhuǎn)化量可達(dá)6 500萬t,形成了全國最大的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)集群.

現(xiàn)代煤化工是以煤氣化為龍頭的.目前,主流煤氣化工藝是水煤漿氣化,包括神華煤制烯烴、達(dá)旗新奧能源、匯能煤化工等均采用這種工藝.盡可能的提高煤漿濃度可對氣化企業(yè)帶來巨大收益[1].配煤技術(shù)是改善煤成漿性的有效技術(shù)之一,它是將不同煤種按照一定的比例混合起來,人工生產(chǎn)出一種“新煤種”,以充分發(fā)揮各單煤種的優(yōu)勢,取長補(bǔ)短,降低原料煤成本的同時(shí),又能獲得優(yōu)秀的煤漿特性指標(biāo)[2].

本文選取鄂爾多斯地區(qū)成漿性較差的煤為優(yōu)化對象,研究了不同配煤比例、粒度級配和藥劑復(fù)配條件下煤漿的特性參數(shù)(包括制漿濃度、表觀黏度、流動性和穩(wěn)定性),以期為低煤化度煤的氣化配煤制漿工藝提供一些借鑒和參考.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

1)制漿煤樣

實(shí)驗(yàn)選用內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)3種代表性動力煤:納林河煤(NLH)、韓家村煤(HJC)和滿來梁煤(MLL),它們的工業(yè)分析及發(fā)熱量見表1.由表1可知,3種煤的揮發(fā)分較高,都在46%左右,說明它們煤化程度類似,都屬于較年輕的煙煤.其中韓家村煤的內(nèi)在水含量較高,超過10%,同時(shí)灰分較低,其余煤樣內(nèi)在水分較低,灰分較高,根據(jù)張榮增等[3]發(fā)明的煤的成漿性評定方法,預(yù)測后2種煤的成漿濃度應(yīng)高于韓家村煤.

表1 煤樣的工業(yè)分析和發(fā)熱量

2)制漿添加劑

本次試驗(yàn)采用了通用水煤漿氣化爐專用的水煤漿添加劑(工業(yè)純,通用電氣公司,美國,以下簡稱通用專用),為棕褐色堿性液態(tài)產(chǎn)品,密度在1.2 g/cm3左右,固體含量≥30%,雜質(zhì)含量≤3%,此外還選用了聚羧酸系水煤漿添加劑,考慮到聚羧酸系水煤漿添加劑相比于常用的萘系添加劑能夠明顯提高水煤漿的制漿濃度,可有效的降低水煤漿黏度,相比于萘系添加劑,聚羧酸系添加劑可在小用量情況下成漿[4].試驗(yàn)采用的聚羧酸系水煤漿添加劑從市場購得,為弱堿性白色粉末,堆積密度為0.6 g/cm3,固體含量≥98%.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)用到的主要設(shè)備如表2所示.

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備

1.3 水煤漿制備

本試驗(yàn)中水煤漿制備的工藝流程如圖1所示.首先將原煤破碎到一定粒度,經(jīng)篩分分級為0.3～0.154 mm,0.154～0.074 mm和-0.074 mm 3個(gè)粒度級.然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用單煤種粒度級配或不同比例配煤粒度級配,再加入一定比例的添加劑和水與煤粉混合,用1 500 r/min轉(zhuǎn)速的攪拌器攪拌15 min,得到所需水煤漿樣品.最后再采用相應(yīng)設(shè)備或方法測定水煤漿的濃度、黏度、流動性和穩(wěn)定性.

圖1 水煤漿制備流程

1.4 水煤漿性能評價(jià)

1)水煤漿濃度的測定

水煤漿濃度按照國家標(biāo)準(zhǔn)《水煤漿試驗(yàn)方法第2部分:濃度測定》(GB/T 18856.2—2008)中的干燥箱干燥法進(jìn)行測定.

2)水煤漿表觀黏度的測定

水煤漿表觀黏度按照國家標(biāo)準(zhǔn)《水煤漿試驗(yàn)方法第4部分:表觀黏度測定》(GB/T 18856.4—2008)中的方法進(jìn)行測定.

3)水煤漿流動性的測定

采用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)量資料以（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

本次試驗(yàn)采用目測法判定水煤漿的流動性,具體為:水煤漿經(jīng)過攪拌后,按其流動狀態(tài)將其流動性分為4個(gè)等級:A級,在未加干擾的情況下能夠進(jìn)行線性流動;B級,在未加干擾的情況下能夠以水滴的形式滴落;C級,需有外力干擾才能進(jìn)行流動;D級,經(jīng)過攪拌后不流動.

4)水煤漿穩(wěn)定性的測定

本試驗(yàn)中水煤漿的穩(wěn)定性測定采用棒測法,即將制得的水煤漿靜置24 h后插入玻璃棒,觀察其是否出現(xiàn)硬沉淀.

2 結(jié)果與討論

2.1 3種煤的單獨(dú)成漿性能

張頌[5]的研究表明:將>74 μm和<74 μm粒級的顆粒按照1∶1的質(zhì)量配比,能夠獲得一個(gè)較好的粒度級配效果.為此本試驗(yàn)就采用上述2個(gè)粒級的煤樣以1∶1的質(zhì)量配比進(jìn)行單種煤制漿.均采用通用專用水煤漿添加劑,添加量為0.3%,其成漿特性參數(shù)見表3.

表3 3種煤樣的成漿特性參數(shù)

由表3可知:滿來梁煤的最高制漿濃度能達(dá)到60%以上,但是其表觀黏度較高,流動性較差,靜置24 h后出現(xiàn)少許硬沉淀.韓家村煤的成漿性最差,這應(yīng)該與其較高的內(nèi)在水分有關(guān),內(nèi)在水分高使煤漿中可自由流動的水分減少,所以要達(dá)到合適的表觀黏度和流動性,其成漿濃度就很低.很明顯,納林河煤的成漿性最好,其濃度為63.25%時(shí),表觀黏度和流動性都是最好的,這可能與其內(nèi)水含量較低有關(guān).3種煤的煤漿參數(shù)說明:相比于灰分和揮發(fā)分,內(nèi)在水含量對成漿濃度的影響最大.

2.2 配煤的成漿性能

配煤技術(shù)能夠發(fā)揮不同煤種的優(yōu)良特性,不同煤種之間可以取長補(bǔ)短,將配煤的綜合指標(biāo)提高.前述,韓家村煤因內(nèi)在水含量高,使其成漿性很差.因此,本試驗(yàn)采用配煤方法來改善韓家村煤的成漿性,提高其成漿濃度,所以在配煤時(shí)著力提高韓家村煤的占比.試驗(yàn)設(shè)定納林河∶韓家村∶滿來梁3種煤的質(zhì)量配比分別為1∶7∶2,2∶6∶2和2∶5∶3,配煤的粒度級配也采用>74 μm和<74 μm粒級按1∶1的質(zhì)量配比,添加通用專用水煤漿添加劑0.3%,不同配煤的成漿性能見表4.

表4 3種配煤的成漿特性參數(shù)

由表4可知:以韓家村煤為優(yōu)化對象,隨著納林河煤和滿來梁煤占比增加,配煤的最高制漿濃度也隨之增加.采用配煤技術(shù)通過將成漿性好的煤加入難成漿煤中確實(shí)能夠改善難成漿煤種的成漿性,獲得好的經(jīng)濟(jì)效益.本試驗(yàn)中,當(dāng)3種煤的配比為2∶5∶3時(shí),不僅最高制漿濃度達(dá)到了57.54%,表觀黏度和流動性都有所改善.

2.3 不同粒度級配提高成漿濃度

楊磊等[6]對寧東煤進(jìn)行粒度級配制漿的研究發(fā)現(xiàn):粗顆粒和細(xì)顆粒煤在粒度尺寸相差較大的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)較好的粒度級配效果,制漿濃度較高,流動性好,且漿體的黏度較低.蘇鑫等[7]認(rèn)為2窄粒級煤的顆粒尺寸相差一定的大小后會明顯地改善煤炭顆粒的堆積效率,而且在制備高濃度低黏度水煤漿時(shí),需要合適的粒級配比.為找出較好的粒度級配方案,本試驗(yàn)采用0.154～0.3 mm,0.074～0.154 mm和-0.074 mm 3個(gè)粒級兩兩互配制漿.同樣,本次試驗(yàn)也采用成漿性最差的韓家村煤制漿,不同粒級質(zhì)量配比為1∶1,通用專用水煤漿添加劑用量0.3%,不同級配方案下煤漿參數(shù)見表5.

表5 不同粒度級配下韓家村煤的成漿特性參數(shù)

由表5可知:不同的粒度級配下,同種煤的成漿濃度存在差異,只有使小粒度煤能夠嵌入大粒度煤形成的間隙,即獲得較大的堆積效率,并具有一定的自由度,才能使煤的成漿濃度升高.這可能是第3種粒度級配獲得高濃度漿體的原因.結(jié)合表3數(shù)據(jù),第3種粒度級配下韓家村煤的制漿濃度較+74 μm/-74 μm粒級=1∶1制漿濃度提升了4.16%,但水煤漿表觀黏度較高,為此,接下來試著采用配煤制漿的方法降低煤漿黏度.由表4可知,3種煤質(zhì)量配比(納林河∶韓家村∶滿來梁)為2∶5∶3時(shí)較1∶7∶2,2∶6∶2時(shí),配煤的成漿濃度較大,黏度較低.為此,繼續(xù)按照納林河煤∶韓家村煤∶滿來梁煤=2∶5∶3的質(zhì)量配比制備水煤漿,其特性參數(shù)見表6,表中粒度級配為1∶1,添加劑也為通用專用水煤漿添加劑(用量0.3%).

表6 配煤粒度級配成漿特性參數(shù)

由表6可知:配煤技術(shù)確實(shí)能很好的改善韓家村煤的成漿性,使成漿濃度提高2.43%,不僅如此,表觀黏度也降低到934 MPa·s,而且流動性也得到改善.

2.4 藥劑復(fù)配提高漿體性能

分散劑對于煤炭制漿至關(guān)重要.常用的水煤漿分散劑多數(shù)為具有兩親作用的表面活性劑,如萘系、木質(zhì)素系、腐殖酸系、聚羧酸系等等.水煤漿添加劑各有所長,目前還沒有發(fā)現(xiàn)各方面性能均優(yōu)異的水煤漿添加劑.只有復(fù)配適當(dāng)?shù)姆稚w系,才具有明顯地分散劑協(xié)同效應(yīng),同時(shí)也是制備高濃度水煤漿,降低黏度的有效途徑[8].

本文制漿試驗(yàn)除采用通用氣化爐專用水煤漿添加劑外,又選擇了生產(chǎn)技術(shù)成熟且價(jià)格較低的聚羧酸系水煤漿添加劑.有報(bào)道指出聚羧酸鹽分子結(jié)構(gòu)的主鏈、側(cè)鏈和側(cè)鏈基團(tuán)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的立體作用,防止發(fā)生凝聚現(xiàn)象,可有效地將煤粉顆粒分散在水中[9].試驗(yàn)采用納林河煤∶韓家村煤∶滿來梁煤=2∶5∶3質(zhì)量配比的混配煤,粒度級配為0.154～0.3 mm粒級:-0.074 mm粒級=1∶1,添加劑用量為0.3%,2種添加劑質(zhì)量配比及成漿特性參數(shù)見表7.

表7 不同配比分散劑成漿特性參數(shù)

由表7可知:與單獨(dú)采用通用專用水煤漿添加劑相比,藥劑復(fù)配可明顯改善水煤漿性能,3種藥劑配比下的成漿濃度都較表6中的數(shù)據(jù)高,而且表觀黏度和流動性均得到顯著改善.尤其是藥劑配比為2∶3時(shí),配煤的制漿濃度最高(為60.96%),而且流動性最好,且表觀黏度也降到851 mPa·s.

3 結(jié)語

1)3種煤中韓家村煤單獨(dú)成漿性能最差,煤的內(nèi)在水分是影響制漿難易程度的關(guān)鍵因素,影響程度大于灰分的影響程度.

2)3種煤的配煤比例(納林河∶韓家村∶滿來梁)為2∶5∶3時(shí),制漿濃度較高,且流動性較好,黏度較低.

3)配煤的粒度級配為粒級為0.154～0.3 mm粒級:-0.074 mm粒級=1∶1的情況下制漿濃度較好,達(dá)到58.86 %,表觀黏度為1 011 MPa·s.

4)藥劑復(fù)配可顯著改善煤的成漿性能,藥劑配比(聚羧酸系∶通用專用分散劑)為2∶3時(shí),成漿濃度和表觀黏度分別為60.96%和851 MPa·s,可滿足II級氣化水煤漿國標(biāo)相應(yīng)指標(biāo)要求,此時(shí)漿體流動性等級為A,24 h不出現(xiàn)硬沉淀.