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)
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。