周 永 濤
(中煤陜西榆林能源化工有限公司,陜西榆林 719000)
水煤漿是由一定粒度級(jí)配的煤、水和添加劑按一定比例組成的煤基流體燃料和氣化原料,可用于工業(yè)鍋爐、窯爐和電站鍋爐的燃燒發(fā)電或供氣,亦可用于煤氣化生產(chǎn)合成氨、甲醇、烯烴、油品和天然氣等化工產(chǎn)品[1]。目前,大部分煤化工企業(yè)均采用以低階煤為主的制漿原料,但由于低階煤成漿性較差,制備的水煤漿濃度較低,直接影響煤炭氣化轉(zhuǎn)化效率、氣化能耗以及生產(chǎn)成本等。于海龍等[2]通過(guò)模擬計(jì)算水煤漿濃度對(duì)氣化效率的影響,認(rèn)為提高水煤漿濃度可提高氣化系統(tǒng)效率。因此如何提高低階煤的成漿濃度逐漸引起國(guó)內(nèi)企業(yè)的重視[3]。
影響水煤漿質(zhì)量的3個(gè)主要因素有原料煤煤質(zhì)、水煤漿制備工藝及水煤漿添加劑[4-5]。隨著適用于水煤漿加壓氣化的優(yōu)質(zhì)原料煤儲(chǔ)量逐漸減少以及煤炭質(zhì)量和價(jià)格的變化,制漿煤源逐漸向煤炭質(zhì)量和成漿濃度更差的低變質(zhì)程度煤種過(guò)渡[6],因此,采用水煤漿提濃技術(shù)不僅是現(xiàn)用煤種節(jié)能降耗的迫切需求,也是擴(kuò)大原料選擇范圍的必然選擇。煤質(zhì)對(duì)成漿的影響主要有煤的變質(zhì)程度、表面孔隙特性、煤巖顯微組分、內(nèi)水、O/C比、煤種可溶性高價(jià)金屬離子和可磨性等[7]。低階煤具有變質(zhì)程度較低,內(nèi)在水較高等特點(diǎn),采用單棒磨機(jī)制漿工藝存在粒度級(jí)配不合理、成漿濃度低、煤種選擇范圍窄的問(wèn)題,導(dǎo)致水煤漿在氣化過(guò)程中煤耗和氧耗偏高、有效氣含量和總有效氣含量偏低,限制了后續(xù)系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模,增加了企業(yè)生產(chǎn)成本[8]。何國(guó)鋒、段清兵等[4-5]對(duì)水煤漿制漿工藝和添加劑進(jìn)行大量應(yīng)用研究,認(rèn)為在煤質(zhì)和添加劑固定的情況下,水煤漿制備工藝對(duì)于提高水煤漿濃度、降低水煤漿生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用,完善的制漿工藝中水煤漿粒度級(jí)配是影響水煤漿濃度、黏度和流變性的關(guān)鍵因素[4-5]。杜小茹等[9]通過(guò)研究難成漿煤種,發(fā)現(xiàn)難成漿煤種必須采用先進(jìn)的制漿工藝才能提高水煤漿濃度。目前,國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)煤化工企業(yè)的水煤漿制備系統(tǒng)大多采用單棒/球磨機(jī)制漿工藝。楊紅軍[10]在制漿工藝研究中,發(fā)現(xiàn)單棒/球磨機(jī)制漿工藝流程簡(jiǎn)單,水煤漿粒度級(jí)配不合理,制備的水煤漿濃度普遍偏低,且水煤漿流態(tài)及穩(wěn)定性也很差,不利于提高煤炭氣化轉(zhuǎn)化效率。
為促進(jìn)高濃度水煤漿制備技術(shù)盡快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,以滿足我國(guó)水煤漿加壓氣化大型煤化工生產(chǎn)需要,中煤科工清潔能源股份有限公司根據(jù)低階煤煤質(zhì)特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了三峰分形級(jí)配制備高濃度水煤漿工藝技術(shù),該技術(shù)可將水煤漿濃度提高3% ~5%,改善水煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性,提高后續(xù)氣化效率。水煤漿提濃項(xiàng)目在其他企業(yè)的運(yùn)行結(jié)果顯示,水煤漿濃度每提高1%,1 000 m3(CO+H2)所需煤耗降低10.05 kg,氧耗降低 9.02 m3,有效氣含量增加0.54%,每年可為 60萬(wàn) t/a甲醇企業(yè)帶來(lái)至少1 500萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)效益[11]。鑒于此,中煤陜西榆林能源化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱中煤陜西公司)決定在原有單磨機(jī)制漿單元基礎(chǔ)上采用三峰分形級(jí)配提濃技術(shù)[12]進(jìn)行工業(yè)示范,以期降低生產(chǎn)成本,擴(kuò)大系統(tǒng)產(chǎn)能,增加企業(yè)效益。
高濃度水煤漿對(duì)于煤細(xì)度、水煤漿濃度及流動(dòng)性有一定要求,水煤漿中粒度要求分布合理,大小顆粒能相互充填,減少空隙,使固體占有率(堆積效率)提高(圖1)。提高堆積效率的技術(shù)稱“級(jí)配”。掌握好水煤漿的粒度分布是制備水煤漿的關(guān)鍵[13]。
圖1 水煤漿中顆粒填充示意Fig.1 Particle filling diagram of coal water slurry
三峰分形級(jí)配制漿是以“分形級(jí)配”理論為基礎(chǔ),增大顆粒間粒級(jí)差,使得下一級(jí)的顆粒能夠有效填充上一級(jí)顆??p隙中,最終提高煤粉顆粒堆積效率。加入的超細(xì)粉具有明顯表面物理化學(xué)特性,在其表面形成相較于自身直徑較大的束縛水膜,束縛水包裹住的超細(xì)粉顆粒此時(shí)受到的浮力與自身重力相近,進(jìn)而與水形成了類似于均質(zhì)的穩(wěn)定漿液。粗顆粒與細(xì)顆粒加入均質(zhì)漿液中,表面被均質(zhì)細(xì)漿充分潤(rùn)濕包裹,而細(xì)粉又能填充進(jìn)粗顆??p隙間,最終形成了三峰分形級(jí)配高濃度水煤漿[14-15]。
1)三峰分形級(jí)配技術(shù)將原料水煤漿研磨成合格的細(xì)漿和超細(xì)漿加入原有水煤漿制備系統(tǒng),形成連續(xù)三級(jí)粒度級(jí)配,可有效提高水煤漿堆積效率,進(jìn)而提高水煤漿濃度3%~5%,還可大幅改善氣化水煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性。
2)三峰分形級(jí)配制漿工藝中選用的新型整形研磨機(jī)(也稱細(xì)磨機(jī))具有粒度適應(yīng)范圍廣、研磨效率高和能耗低的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)細(xì)磨機(jī)研磨后的細(xì)漿平均粒徑達(dá)20~30 μm,再經(jīng)超細(xì)磨機(jī)研磨后的超細(xì)漿平均粒徑為4~8 μm。
3)三峰分形級(jí)配提濃系統(tǒng)為原有制漿系統(tǒng)的“外掛式”子系統(tǒng),是對(duì)現(xiàn)有制漿系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行的優(yōu)化提升,新增細(xì)漿制備系統(tǒng)的停運(yùn)并不影響原有制漿系統(tǒng)正常運(yùn)行。
為準(zhǔn)確判斷現(xiàn)場(chǎng)用煤成漿性情況,對(duì)中煤陜西公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)煤樣取樣(簡(jiǎn)稱榆林煤),并進(jìn)行了煤質(zhì)分析和實(shí)驗(yàn)室成漿性研究,煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬工業(yè)條件,對(duì)榆林煤進(jìn)行單磨機(jī)工藝和三峰分形級(jí)配工藝條件下的成漿性試驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)室棒磨機(jī)制取粗煤粉,利用立式攪拌磨制取細(xì)粉與超細(xì)粉。試驗(yàn)采用粗粉制漿模擬單磨機(jī)工藝下榆林煤成漿特性,采用粗粉、細(xì)粉以及超細(xì)粉模擬三峰分形級(jí)配工藝下榆林煤成漿特性,包括級(jí)配關(guān)系、添加劑性能等相關(guān)參數(shù)。最終通過(guò)工藝對(duì)比、添加劑對(duì)比以及添加劑最佳用量試驗(yàn),探索出不同工藝下的最高成漿濃度以及較好的水煤漿性能。
表1 中煤榆林現(xiàn)場(chǎng)用煤煤質(zhì)和灰熔融性分析Table 1 Coal quality and ash fusibility analysis of Yulin coal
水煤漿流動(dòng)性的檢測(cè)方法有2種:① 觀察法,直觀描述漿體的流動(dòng)狀態(tài),受主觀影響較大;② 數(shù)值法,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、易比對(duì),直觀性較差。所以試驗(yàn)中2種測(cè)量方法配合使用。
1)觀察法,根據(jù)其流動(dòng)特性,分為 A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。A:流動(dòng)連續(xù),平滑不間斷;B:流動(dòng)較連續(xù),流體表面不光滑;C:借助外力才能流動(dòng);D:泥狀不成漿,不能流動(dòng)。為了表示屬于某一等級(jí)范圍流動(dòng)性的較小差別,分別用“+”號(hào)和“-”號(hào)加以區(qū)分,“+”號(hào)表示某一等級(jí)中流動(dòng)性較好者;“-”號(hào)表示某一等級(jí)中流動(dòng)性較差者。
2)數(shù)值法,將水煤漿注滿標(biāo)準(zhǔn)截錐圓模(上口徑為36 mm,下口徑為60 mm,高度為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。用最大直徑值來(lái)判斷水煤漿的流動(dòng)性。
采用插棒法進(jìn)行水煤漿穩(wěn)定性測(cè)試:將被測(cè)漿樣密閉放置一定時(shí)間(氣化水煤漿8 h)后,插棒觀測(cè)根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)判定:A級(jí):漿體保持其初始狀態(tài),無(wú)析水和沉淀產(chǎn)生;B級(jí):有少量析水或少許軟沉淀產(chǎn)生;C級(jí):有沉淀產(chǎn)生,密度分布不均,但經(jīng)攪拌作用后可再生;D級(jí):產(chǎn)生部分沉淀或全部硬沉淀。
使用粗粉進(jìn)行成漿性試驗(yàn)。選用ZM型添加劑(ZM和MK為2種不同添加劑,ZM是現(xiàn)場(chǎng)使用添加劑,MK是新型添加劑),在添加劑用量0.18%條件下,采用單磨機(jī)工藝將試驗(yàn)用煤分別制成一系列不同濃度的水煤漿,并對(duì)漿體的濃度、黏度、流變性和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 榆林煤成漿性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Slurryability of coal water slurry
由表2可知,在單磨機(jī)制漿工藝下,水煤漿濃度由60.5%提高至62.4%,水煤漿表觀黏度升高,粒度偏粗。水煤漿濃度為62.4%時(shí),流態(tài)為C,沒(méi)有流動(dòng)性,且穩(wěn)定性較差,難以對(duì)水煤漿進(jìn)行提濃。因此,ZM型添加劑用量為0.18%時(shí),榆林煤的最高成漿濃度為61.4%。
三峰級(jí)配制漿是粗粉、細(xì)粉以及超細(xì)粉以不同比例進(jìn)行級(jí)配制備水煤漿的過(guò)程。將粗粉與細(xì)粉、超細(xì)粉進(jìn)行三峰級(jí)配試驗(yàn),比例分別為90∶5∶5、85 ∶10 ∶5、85 ∶5 ∶10。 ZM 型添加劑用量 0.18%時(shí),采用三峰分形級(jí)配制漿工藝將試驗(yàn)用煤分別制成一系列不同濃度的水煤漿,并對(duì)漿體的濃度、黏度、流變性和穩(wěn)定性進(jìn)行研究,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
由表3可知,三峰分形級(jí)配制漿工藝中,細(xì)粉和超細(xì)粉添加比例越高,水煤漿流態(tài)和穩(wěn)定性越好,水煤漿粒度更細(xì)。超細(xì)粉添加比例達(dá)到10%后,水煤漿質(zhì)量提高不明顯。因此,三峰分形級(jí)配最佳配比為85∶10∶5,此時(shí)水煤漿濃度最高為65.5%,比單磨機(jī)制漿工藝提高4.1%,漿體流動(dòng)性和穩(wěn)定性顯著改善。與單磨機(jī)試驗(yàn)相比,細(xì)漿的加入解決了水煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性問(wèn)題,說(shuō)明細(xì)漿具有改善水煤漿質(zhì)量的作用。
采用單磨機(jī)制漿工藝和三峰分形級(jí)配制漿工藝分別對(duì)ZM、MK添加劑(用量0.18%)進(jìn)行最高成漿濃度試驗(yàn),對(duì)比不同添加劑的成漿效果,結(jié)果見(jiàn)表4。
表3 榆林煤三峰分形級(jí)配成漿性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Slurryability of coal water slurry with three peak grading process
表4 不同添加劑成漿性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Comparison of slurryability for different additives
由表4可知,MK型低階煤專用添加劑針對(duì)性強(qiáng)、性價(jià)比高,在與現(xiàn)場(chǎng)添加劑同等用量情況下,單磨機(jī)工藝水煤漿濃度可提高0.9%,達(dá)到62.3%,三峰分形級(jí)配制漿工藝水煤漿濃度提高0.8%。
采用三峰分形級(jí)配制漿工藝(粗粉、細(xì)粉、超細(xì)粉配比85∶10∶5),選用MK型添加劑,在不同添加劑用量條件下,分別進(jìn)行成漿性試驗(yàn),分析漿體的濃度、黏度、流變性和穩(wěn)定性,確定MK型添加劑最佳用量,結(jié)果見(jiàn)表5。
由表5可知,采用三峰分形級(jí)配制漿工藝,選用MK型添加劑時(shí),隨著添加劑用量的增加,水煤漿表觀黏度降低,穩(wěn)定性變好。添加劑用量為0.12%時(shí),水煤漿表觀黏度為1 341 mPa·s,不滿足水煤漿生產(chǎn)使用要求;添加劑用量為0.24%時(shí),水煤漿表觀黏度、流動(dòng)性及穩(wěn)定性都較好,但與添加劑用量為0.18%相比,水煤漿質(zhì)量相差不大,因此添加劑最佳用量為0.18%。
表5 不同用量MK添加劑成漿性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Slurryability of coal water slurry with different MK additives dosage
中煤陜西公司原有水煤漿制備系統(tǒng)為單棒磨機(jī)制漿工藝(圖2),即破碎后的煤、水、添加劑進(jìn)入棒磨機(jī)進(jìn)行磨礦,磨礦出料經(jīng)過(guò)滾筒篩篩除大顆粒后即得成品水煤漿。該工藝由于水煤漿粒度級(jí)配不合理,存在水煤漿濃度偏低、水煤漿流態(tài)及穩(wěn)定性差等問(wèn)題。
圖2 改造前制漿工藝流程Fig.2 Coal water slurry process before modification
改造后在原有系統(tǒng)上增加了水煤漿提濃系統(tǒng)(圖3)。其中,棒磨機(jī)出口水煤漿槽的部分水煤漿經(jīng)稀釋后進(jìn)入細(xì)磨機(jī)研磨,研磨合格的細(xì)漿分出部分再經(jīng)超細(xì)磨機(jī)研磨,研磨合格的超細(xì)漿和剩余細(xì)漿一起輸送至原有棒磨機(jī)中,從而形成三峰分形級(jí)配,優(yōu)化氣化水煤漿的粒度級(jí)配,提高水煤漿堆積效率,進(jìn)而提高氣化水煤漿濃度,同時(shí)改善水煤漿流動(dòng)性及穩(wěn)定性。
圖3 水煤漿提濃系統(tǒng)工藝流程Fig.3 Process flow of coal water slurry concentration technology
根據(jù)工藝要求和水煤漿提濃系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模,本項(xiàng)目配置4臺(tái)細(xì)磨機(jī)CEXM630A型和2臺(tái)CECXM1120A型超細(xì)磨機(jī)及其他附屬罐、泵等設(shè)備。其中配漿泵布置于原有水煤漿制備車間低壓水煤漿槽附近,2臺(tái)CECXM1120A型超細(xì)磨機(jī)布置于其中1個(gè)棒磨機(jī)檢修孔處,其余設(shè)備均布置于水煤漿制備車間煤倉(cāng)下。
水煤漿氣化是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,提高氣化效率需通過(guò)調(diào)節(jié)水煤漿濃度、水煤漿流量、氧氣流量等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),單一改變某變量會(huì)對(duì)氣化系統(tǒng)造成沖擊,影響正常生產(chǎn)。為避免此類問(wèn)題發(fā)生,在水煤漿提濃系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中,采取分階段逐漸提濃的方式進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,該過(guò)程分為調(diào)試驗(yàn)收階段和優(yōu)化提升階段。
調(diào)試驗(yàn)收階段時(shí)間為2017年8月1日—8月8日,水煤漿提濃系統(tǒng)通過(guò)性能考核,并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。水煤漿提濃裝置中4臺(tái)CEXM630A型細(xì)磨機(jī)和2臺(tái)CECXM1120A型超細(xì)磨機(jī)等相關(guān)設(shè)備全部為一次性、順利開(kāi)車成功,各項(xiàng)工藝和設(shè)備參數(shù)全部達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù),所有設(shè)備安全、平穩(wěn)運(yùn)行。調(diào)試驗(yàn)收階段水煤漿提濃系統(tǒng)性能考核前后的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6。
表6 改造前后運(yùn)行結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of operation results before and after transformation
由表6可知,增加水煤漿提濃系統(tǒng)后,設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn),水煤漿質(zhì)量和氣化效果顯著改善,主要表現(xiàn)在以下幾方面:
1)對(duì)水煤漿質(zhì)量的影響。相同條件下,水煤漿槽水煤漿濃度由改造前的61.7%提高至65.5%,提高了3.8%,水煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性顯著改善,主要是由于原有水煤漿(平均粒徑100~150 μm)中增加了細(xì)漿(平均粒徑20~30 μm)和超細(xì)漿(平均粒徑4~8 μm),細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒水煤漿填充至粗顆粒水煤漿中,提高了水煤漿的堆積效率,增加了單位體積內(nèi)水煤漿質(zhì)量,進(jìn)而提高了水煤漿濃度,改善了水煤漿的流變性和穩(wěn)定性,由于加入細(xì)漿和超細(xì)漿后,增大了水煤漿的比表面積,故水煤漿的黏度有所增加。
2)對(duì)氣化系統(tǒng)的影響。提濃改造后,比煤耗和比氧耗有明顯降低,1 000 Nm3CO+H2比煤耗由578.89 kg降至538.13 kg;1 000 Nm3CO+H2比氧耗由397.18 Nm3降低至 363.74 Nm3;有效合成氣含量由79.67%提高至81.15%。改造后由于進(jìn)氣化爐水煤漿濃度的提高,減少了進(jìn)氣化爐的水分,進(jìn)而減少了氣化爐所需熱量,因此為了維持原有氣化爐的操作溫度,就必須使水煤漿中部分C由原來(lái)的完全燃燒生成CO2變成不完全燃燒生成CO,從而提高了有效合成氣含量[16-17],進(jìn)而降低比煤耗和比氧耗,提高有效合成氣含量。
3)對(duì)水煤漿制備系統(tǒng)設(shè)備的影響。水煤漿濃度提高后,棒磨機(jī)運(yùn)行電流明顯下降,由改造前的60~70 A降至50~60 A,原有制漿系統(tǒng)小時(shí)耗電減少約1 230 kWh,原有棒磨機(jī)筒體漏漿現(xiàn)象和滾筒篩跑漿現(xiàn)象明顯減少,降低了現(xiàn)場(chǎng)工人工作量,美化了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
優(yōu)化提升階段是通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化水煤漿質(zhì)量、調(diào)節(jié)相關(guān)氣化參數(shù)實(shí)現(xiàn)提高氣化效率的目的。結(jié)果表明,優(yōu)化提升階段,比煤耗和比氧耗較調(diào)試驗(yàn)收階段有所下降,氣化效率進(jìn)一步提高。因此,水煤漿提濃系統(tǒng)可優(yōu)化水煤漿質(zhì)量,調(diào)節(jié)氣化操作參數(shù),大幅提高水煤漿氣化效率。
1)榆林煤煤質(zhì)分析結(jié)果顯示,中煤陜西公司現(xiàn)場(chǎng)用煤內(nèi)水含量高,可磨性差,屬于難成漿煤種。在單棒磨機(jī)制漿工藝條件下,添加0.18%ZM型添加劑時(shí),水煤漿濃度僅為61.4%,水煤漿粒度級(jí)配不合理、流動(dòng)性和穩(wěn)定性差。在三峰分形級(jí)配工藝中,粗粉、細(xì)粉、超細(xì)粉最佳配比85∶10∶5條件下,水煤漿濃度提高至65.5%,與單棒磨機(jī)制漿工藝相比,水煤漿濃度提高4.1%,且水煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性顯著改善。
2)水煤漿提濃裝置為原有制漿系統(tǒng)的“外掛式”子系統(tǒng),是對(duì)現(xiàn)有制漿系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行的優(yōu)化提升,新增水煤漿提濃系統(tǒng)的停運(yùn)并不影響原有制漿系統(tǒng)的正常運(yùn)行。經(jīng)核算,水煤漿提濃裝置可布置于現(xiàn)有水煤漿制備車間內(nèi),具有物料輸送方便、土建投資低、管理方便、運(yùn)行成本低的特點(diǎn),且現(xiàn)有公用工程完全能滿足改造要求。
3)水煤漿提濃系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)收階段,水煤漿濃度由61.7%提高至65.5%;比煤耗由 578.89 kg降至538.13 kg;比氧耗由 397.18 Nm3降至 363.74 Nm3;有效合成氣含量由79.67%提高至81.15%。優(yōu)化提升階段,比煤耗和比氧耗較調(diào)試驗(yàn)收階段又有所下降,氣化效率進(jìn)一步提高。
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