管輸煤漿提濃制備氣化水煤漿的工藝條件研究

李 磊，王崇峰，王東明，閆建黨，王鵬斐，王 靜

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；2.陜西神渭煤炭管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司，陜西 西安 710001)

0 引 言

管道輸煤與傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸、汽車運(yùn)輸相比，具有投資相對(duì)較低、環(huán)境影響小、輸送成本低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了煤炭的綠色封閉輸送，是煤炭運(yùn)輸方式的顛覆性變革。神渭管道輸煤工程采用的是中濃度管道輸煤技術(shù)，管輸煤漿安全輸送濃度為51%～55%。管道輸送的煤漿由于濃度較低，無(wú)法直接輸送至氣化爐氣化，必須進(jìn)行二次提濃，以達(dá)到管輸煤漿直接氣化利用的目的。

水煤漿氣化爐要求煤漿濃度>60%，但工業(yè)實(shí)踐證明，煤漿濃度對(duì)水煤漿氣化的煤耗、氧耗及合成氣產(chǎn)率至關(guān)重要。煤漿濃度每提高1個(gè)百分點(diǎn)，比煤耗降低8～10 kg/Nm3，比氧耗降低8～10 Nm3/Nm3，有效合成氣增加0.7～0.8個(gè)百分點(diǎn)，低濃度的水煤漿會(huì)嚴(yán)重影響了水煤漿氣化效率與經(jīng)濟(jì)性。王倩[1]對(duì)比了管輸煤漿與氣化水煤漿漿體特性，從制備設(shè)備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、產(chǎn)品特點(diǎn)分析對(duì)比給出了設(shè)備工藝的合理建議；梁霏飛[2]針對(duì)長(zhǎng)距離管輸煤漿對(duì)濃度、粒度組成等重要特性指標(biāo)的特殊要求，分析了高濃度水煤漿與常規(guī)濃度水煤漿特性對(duì)長(zhǎng)距離管輸?shù)挠绊?，選取適合長(zhǎng)距離管輸?shù)拿簼{濃度、粒度組成；鄧業(yè)新[3]針對(duì)神華煤成漿濃度低的問(wèn)題，進(jìn)行了粒度級(jí)配制漿技術(shù)探究，發(fā)現(xiàn)煤顆粒的粒徑及含量均對(duì)漿體的性能有著重要影響；毛成龍[4]通過(guò)三峰級(jí)配制備高濃度水煤漿成套技術(shù)的研究及工業(yè)化應(yīng)用的探索，發(fā)現(xiàn)三峰級(jí)配技術(shù)提高了水煤漿濃度和有效氣含量，擴(kuò)寬了煤種的選擇范圍，為煤化工企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。近年來(lái)，圍繞管輸煤漿制備和輸送此熱點(diǎn)，做了大量的研究，且取得了很多碩果，但大量研究集中于制備管輸煤漿和突破輸送技術(shù)，而終端管輸煤漿提濃技術(shù)研究較少，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)。神渭管輸煤漿輸送工程是我國(guó)第1個(gè)案例。

基于此，筆者以神渭管輸煤漿脫水后的壓濾細(xì)煤和離心粗煤為實(shí)驗(yàn)原料，考察了不同原料配比、不同添加劑添加量對(duì)管輸煤漿制備高濃度氣化煤漿的影響規(guī)律，其研究結(jié)果對(duì)管輸煤漿終端提濃具有較好的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)煤種采用管輸煤漿脫水后的離心煤和壓濾煤，管輸煤漿源頭礦區(qū)為陜煤集團(tuán)的紅柳林煤礦，屬于較低變質(zhì)程度的長(zhǎng)焰煤煤種，其煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1，煤的粒度分布分析結(jié)果見表2。

表1 煤樣工業(yè)分析

表2 離心煤、壓濾煤的粒度分布

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)依托工藝流程設(shè)計(jì)，目前管輸煤漿終端提濃工藝為對(duì)中濃度管輸煤漿依次進(jìn)行離心處理和壓濾處理，分別得到離心粗煤以及壓濾細(xì)煤；對(duì)壓濾細(xì)煤進(jìn)行制漿，得到壓濾細(xì)煤漿，抽取部分壓濾細(xì)煤漿進(jìn)行細(xì)磨處理和超細(xì)磨處理，分別得到細(xì)漿和超細(xì)漿；將離心粗煤、壓濾細(xì)煤漿、細(xì)漿和超細(xì)漿進(jìn)行混合，得到氣化水煤漿。

針對(duì)上述工藝流程，筆者實(shí)驗(yàn)主要開展單獨(dú)壓濾細(xì)煤成漿性實(shí)驗(yàn)，研究不同細(xì)漿和超細(xì)漿加入比例及各原料最佳配比實(shí)驗(yàn)，旨在探明各因素對(duì)管輸煤漿制備氣化水煤漿的影響，給出各工藝條件，供終端提濃工程參考。實(shí)驗(yàn)通過(guò)產(chǎn)品的濃度、流動(dòng)性能和表觀黏度進(jìn)行衡量。

1.2.1單獨(dú)壓濾細(xì)煤成漿性實(shí)驗(yàn)

壓濾細(xì)煤是管輸煤漿離心后煤泥水壓濾后的固含物，粒度較細(xì)，含水量較高，鍋爐燃燒價(jià)值較低，制備氣化水煤漿時(shí)盡可能增大壓濾細(xì)煤比例有利于提高管輸煤漿整體價(jià)值。筆者實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行單獨(dú)壓濾細(xì)煤的成漿性實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：從樣品袋里取一定量的壓濾細(xì)煤，改變添加劑比例(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.6%、0.7%)，確定滿足流動(dòng)性能≥10 cm，表觀黏度≤1 200 mPa·s條件下的最高成漿濃度，添加比例為添加劑干基與成品漿干基之比的1.001倍。

1.2.2離心粗煤、細(xì)漿和超細(xì)漿最佳配比實(shí)驗(yàn)

離心粗煤是管輸煤漿經(jīng)離心處理得到的固含物，粒度較粗，含水量較低，適用于水煤漿氣化、鍋爐燃燒等用途。通過(guò)對(duì)離心粗煤、細(xì)漿和超細(xì)漿進(jìn)行混合實(shí)驗(yàn)確定該煤種的最高成漿濃度，并確定細(xì)漿、超細(xì)漿的最佳比例，為下1步實(shí)驗(yàn)提供對(duì)照參考。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：從樣品袋里取一定量的離心粗煤，用壓濾細(xì)煤制備部分細(xì)漿和超細(xì)漿，設(shè)定細(xì)漿與超細(xì)漿比例為2∶1，摻入超細(xì)漿+細(xì)漿比例分別為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%。固定添加劑比例為0.3%，確定滿足流動(dòng)性能≥10 cm，表觀黏度≤1 200 mPa·s條件下的最高成漿濃度。

1.2.3不同原料的最佳配比實(shí)驗(yàn)

以1.2.2節(jié)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)定離心粗煤、壓濾細(xì)煤、細(xì)漿和超細(xì)漿4種原料的不同配比，要求壓濾細(xì)煤、細(xì)漿和超細(xì)漿總比例不小于1.2.2節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別設(shè)定比例為75∶15∶5∶5、70∶20∶5∶5、65∶25∶5∶5、75∶10∶10∶5、70∶15∶10∶5、65∶20∶10∶5、75∶5∶15∶5、70∶10∶15∶5、65∶15∶15∶5。固定添加劑比例為0.4%，確定滿足流動(dòng)性能≥10 cm，表觀黏度≤1 200 mPa·s條件下的最高成漿濃度。

1.2.4水煤漿成漿性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)基于制漿工藝[5-6]，采用干-濕聯(lián)用法制漿，添加劑為陰離子型甲基萘磺酸鹽甲醛縮合物(MF)。結(jié)合工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)狀況，一次制漿總量為 220 g，添加劑的添加比例按1.2.1節(jié)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)定進(jìn)行。

1.2.5水煤漿評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)氣化煤漿的成漿性能的關(guān)鍵指標(biāo)是濃度[7]、黏度[8]、流動(dòng)性[9]，此次研究在固定濃度的前提下，對(duì)黏度和流動(dòng)性2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。煤漿黏度采用 NXS-4C 型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，煤漿流動(dòng)性的測(cè)量方法：將水煤漿注滿標(biāo)準(zhǔn)截錐圓模(上口徑、下口徑、高度分別為36、 60、 60 mm)，提起截錐圓模，在流動(dòng) 30 s 后測(cè)定水煤漿在玻璃平面上自由流淌的最大直徑，用最大直徑來(lái)判斷水煤漿的流動(dòng)性。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 單獨(dú)壓濾細(xì)煤成漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于壓濾細(xì)煤中煤顆粒粒度相對(duì)較細(xì)，且粒度分布集中，比表面積較大，所以單獨(dú)成漿濃度較低?？紤]到壓濾細(xì)煤在整個(gè)管輸煤漿中占比為25%～30%，為實(shí)現(xiàn)壓濾細(xì)煤的全部再成漿回收利用，在保證漿體可輸送的狀態(tài)下，盡可能提高壓濾細(xì)煤漿體的濃度。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 單獨(dú)壓濾細(xì)煤制漿最高成漿濃度

由表3可知，壓濾細(xì)煤?jiǎn)为?dú)成漿時(shí)，整體濃度較低，隨著添加劑比例的提高，最高成漿濃度呈現(xiàn)增高趨勢(shì)，煤漿穩(wěn)定性能也逐步提高，但添加劑比例>0.5%后，濃度增幅迅速減緩，當(dāng)添加劑比例<0.1%時(shí)，最高成漿濃度約52.22%，且穩(wěn)定性能較差。造成上述現(xiàn)象的原因推斷為壓濾細(xì)煤粒度分布相對(duì)集中，無(wú)法形成高效填充，致使煤漿濃度較低；且壓濾細(xì)煤整體粒度較細(xì)，比表面積較大，添加劑加進(jìn)去后，改變了煤粒的親疏水性，將部分間隙水釋放為自由水，有利于提高煤漿的濃度；當(dāng)添加劑比例≥0.5%時(shí)，繼續(xù)增大比例，雖然也能提高濃度，但增幅明顯降低，可供轉(zhuǎn)化的間隙水減少，藥效減弱；當(dāng)添加劑比例<0.2%時(shí)，煤漿濃度較低，單位體積內(nèi)煤顆粒較少，煤漿溶液的浮力不足以支撐煤顆粒的重力，煤漿易沉，不符合工藝要求。制備的氣化水煤漿要求濃度>65%，離心粗煤的水分介于20%～25%，所以要求壓濾細(xì)煤漿濃度越高越有利于制備成品煤漿，在添加劑添加比例為0.5%的條件下，壓濾細(xì)煤漿濃度為55.21%，此為制備壓濾細(xì)煤漿的最佳工藝條件。

2.2 離心粗煤、細(xì)漿和超細(xì)漿捏混成漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)[10-13]，拓寬煤漿的粒度分布，有利于增大煤漿整體的填充效率，且合理的粒度分布，有利于改善煤漿的流動(dòng)性能和穩(wěn)定性能，便于煤漿的輸送及霧化。單獨(dú)離心粗煤顆粒較粗，容易2項(xiàng)分層，利用三峰級(jí)配工藝原理，通過(guò)離心粗煤、細(xì)漿和超細(xì)漿最佳配比實(shí)驗(yàn)，確定該煤種的最高成漿濃度，作為下一步實(shí)驗(yàn)的空白對(duì)照結(jié)果，同時(shí)確定細(xì)漿和超細(xì)漿的添加比例，供下一步實(shí)驗(yàn)參考。成漿結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同細(xì)漿/超細(xì)漿摻入比例下成漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，采用單獨(dú)離心煤制漿最高成漿濃度僅為59.8%，繼續(xù)增大濃度，煤漿性能迅速下降，甚至呈現(xiàn)不成漿的“渣狀”，煤漿濃度已達(dá)極限；隨著細(xì)漿和超細(xì)漿的摻入比例不斷增大，在同等條件下，煤漿的最高成漿濃度逐步增大，但存在1個(gè)峰值，最高成漿濃度為65.53%，煤漿黏度也逐步增大；當(dāng)摻入比例超過(guò)25%時(shí)，雖漿體濃度可進(jìn)一步提高，但表觀黏度超過(guò)1 200 mPa·s，超出氣化煤漿可接受范圍；漿體流動(dòng)性表現(xiàn)出先增大后減小的狀態(tài)。推測(cè)主要由于隨著細(xì)漿和超細(xì)漿摻入比例的不斷增大，煤漿濃度不斷升高，單位煤漿中水介質(zhì)的比例降低，且在水的種類中起潤(rùn)滑作用的自由水的比例隨著顆粒的增多也逐漸降低，導(dǎo)致煤顆粒之間有效碰撞的幾率增加，運(yùn)動(dòng)阻力增加，直接致使煤漿表觀黏度升高。同時(shí)煤漿中細(xì)顆粒的增多，既使得煤粒間的空隙率進(jìn)一步降低，同時(shí)細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒相對(duì)大顆粒體積而言則相對(duì)圓潤(rùn)，起到滾珠潤(rùn)滑作用，從而使得煤漿的流態(tài)變好。

2.3 不同原料捏混成漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于2.2節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)離心粗煤、壓濾細(xì)煤、細(xì)漿和超細(xì)漿進(jìn)行組合成漿性實(shí)驗(yàn)，壓濾細(xì)煤、細(xì)漿和超細(xì)漿占比>25%，固定煤漿濃度為64%、添加劑比例為0.4%，綜合對(duì)比4種原料以不同比例混合后制得煤漿流動(dòng)性和黏度，成漿結(jié)果見表4。

表4 不同粒度級(jí)配對(duì)煤漿性能的影響

由表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在細(xì)漿和超細(xì)漿比例不變時(shí)，隨著離心粗煤比例的降低，成品煤漿的黏度稍有增大、流動(dòng)性變差、穩(wěn)定性變好；在離心粗煤比例不變時(shí)，隨著細(xì)漿和超細(xì)漿比例的增大，成品煤漿的黏度明顯增大、流動(dòng)性變差、穩(wěn)定性明顯變好。綜合考慮粒度配比對(duì)水煤漿黏度、流動(dòng)性的影響以及現(xiàn)場(chǎng)制漿設(shè)備大小及電耗等因素，擬定粒度最佳配比為離心粗煤∶壓濾細(xì)煤∶細(xì)漿∶超細(xì)漿=70∶20∶5∶5，在此級(jí)配條件下，最高成漿濃度結(jié)果見表5。

表5 最佳級(jí)配條件下最高成漿濃度

由表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在離心粗煤∶壓濾細(xì)煤∶細(xì)漿∶超細(xì)漿=70∶20∶5∶5的條件下，使用萘系添加劑，添加量為0.4%時(shí)，最高成漿濃度為66.28%。

綜上所述，針對(duì)我國(guó)第1條管輸煤漿工程，輸送煤漿濃度為51%～55%，再終端經(jīng)過(guò)再提濃工藝技術(shù)，理論上煤漿濃度可達(dá)66%以上，相關(guān)工藝條件為：① 最佳配比為離心粗煤：壓濾細(xì)煤∶細(xì)漿∶超細(xì)漿=70∶20∶5∶5；② 萘系添加劑總添加量為0.4%，可在壓濾細(xì)煤漿制備環(huán)節(jié)和最后混合環(huán)節(jié)分2次加藥；③ 壓濾細(xì)煤漿制備濃度可達(dá)55%，此處添加劑添加比例建議0.5%。通過(guò)上述工藝的實(shí)施，離心粗煤和壓濾細(xì)煤的摻混比例約為7∶3，可實(shí)現(xiàn)管輸煤漿脫水產(chǎn)品離心粗煤和壓濾細(xì)煤泥的全部消納利用。

2.4 工藝選擇物料衡算

上述實(shí)驗(yàn)的工藝路線為先將管輸煤漿全部脫水為離心粗煤和壓濾細(xì)煤產(chǎn)品，再將二者按合理的級(jí)配進(jìn)行再混成漿，編號(hào)為工藝①。為進(jìn)一步對(duì)比不同工藝路線下管輸煤漿制備氣化煤漿的能耗，筆者設(shè)計(jì)了工藝②和工藝③，工藝②的方案如下：外購(gòu)原煤(低階煤全水按16%計(jì))，抽取部分管輸煤漿制備為細(xì)漿和超細(xì)漿，3者和53%濃度管輸煤漿摻混制備氣化煤漿；工藝③的方案如下：部分管輸煤漿進(jìn)行脫水(根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)全水按25%計(jì))，部分管輸煤漿制備為細(xì)漿和超細(xì)漿，得到的產(chǎn)品和53%濃度管輸煤漿摻混制備為氣化煤漿。固定氣化煤漿濃度為65%，3種工藝物料衡算對(duì)比見表6。

表6 不同工藝條件下物料衡算

由前述研究可知，離心粗煤和壓濾細(xì)煤泥單獨(dú)使用或二者共混時(shí)，制備的氣化煤漿整體煤漿粒度分布較粗，穩(wěn)定性較差，難以直接泵輸至用戶單位。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和物料衡算表，固定細(xì)漿與超細(xì)漿干基比例為10%時(shí)，工藝①在物料衡算上滿足工藝要求，且能實(shí)現(xiàn)離心粗煤和壓濾細(xì)煤泥的全部消納處理；工藝②需外購(gòu)70%的原煤，與53%濃度的管輸煤漿共混也可制備65%濃度的氣化煤漿，但在煤漿總量上，下游用戶單位使用的氣化煤漿只能消納約30%的富余管輸煤漿，難以滿足管道輸煤工程連續(xù)不間斷的要求；工藝③需將90%的管輸煤漿進(jìn)行脫水處置，剩余10%管輸煤漿直接制備細(xì)漿/超細(xì)漿，可制備合格的氣化煤漿，但53%濃度管輸煤漿粒度分布偏粗，不滿足細(xì)磨機(jī)和超細(xì)磨機(jī)進(jìn)料粒度要求，且粒度太粗會(huì)增加設(shè)備能耗并影響易損件使用壽命。后續(xù)若下游用戶氣化煤漿消耗量增加或能將脫水后的管輸煤全水控制在15%以下，工藝②和工藝③可作為優(yōu)化改進(jìn)的方向。

3 結(jié) 論

神渭管輸煤漿工程輸送煤漿濃度為51%～55%，無(wú)法直接用于下游煤化工用戶，基于工程終端中濃度管輸煤漿提濃工藝現(xiàn)場(chǎng)，筆者通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程樣品分析，針對(duì)工藝各環(huán)節(jié)進(jìn)行小型化實(shí)驗(yàn)分析，給出最佳配比及最佳比例，主要結(jié)論如下：

(1)在制備壓濾細(xì)煤漿環(huán)節(jié)，添加劑比例不得低于0.2%，最佳添加比例為0.5%(干基)，制得壓濾細(xì)煤漿濃度為55.21%。

(2)原料最佳配比為離心粗煤∶壓濾細(xì)煤∶細(xì)漿∶超細(xì)漿=70∶20∶5∶5，添加劑總添加量為0.4%(干基)，建議分2次加藥，在制備壓濾細(xì)煤漿時(shí)加藥量為0.5%(干基)，剩余添加劑在最后捏混環(huán)節(jié)加入。

(3)物料衡算表明，將53%濃度管輸煤漿全部脫水后，再按合理的級(jí)配制備為氣化煤漿，在實(shí)現(xiàn)富余管輸煤漿全部制備為高值氣化煤漿的同時(shí)，消納利用了全部壓濾細(xì)煤泥。