間斷級配工藝制備氣化水煤漿試驗研究

杜麗偉，何紅興，蔡洪濤，張桂玲

(1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京 100013;2.國家水煤漿工程技術研究中心，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;4.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

我國褐煤資源豐富，目前已探明的褐煤資源儲量近2 000億t，約占全國煤炭資源總量的13%[1]，其中以內(nèi)蒙古東部賦存最多，其次大部分分布在云南東部和黑龍江東部等地區(qū)。褐煤是煤化程度最低的低階煤種，具有反應活性強、揮發(fā)分高(基本在37%以上)、灰熔融溫度適宜等特點，滿足水煤漿氣化的原料煤要求。反應活性好的煤氣化反應速度快，燃燒效率高，能提高碳的轉(zhuǎn)化率，增加氣化利用效率[2]。水煤漿作為氣化原料可用于氣化爐制備合成氣，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前，該燃料水煤漿的設計能力已突破5 000萬t/a，使用和生產(chǎn)用量已達3 000萬t/a;預計未來幾年水煤漿消耗量將突破2億t。氣化水煤漿領域包括多噴嘴氣化爐、GE、多元料漿等水煤漿進料的氣化爐投產(chǎn)數(shù)量近300余臺，每年耗漿量達1億t以上[3]。目前，水煤漿應用范圍覆蓋了電力、冶金、石油、建材、化工、輕工等行業(yè)。根據(jù)我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，褐煤資源的潔凈化利用，褐煤制備氣化水煤漿技術的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義，既能取得良好的環(huán)境效益，又能獲得可觀的經(jīng)濟效益和節(jié)能效益。

經(jīng)過30余年的研究，我國水煤漿技術取得了長足進步，并形成擁有技術和設備的自主知識產(chǎn)權(quán)，水煤漿制備技術已達到國際先進水平。褐煤內(nèi)水高導致其難以制成滿足水煤漿氣化要求的煤漿，國內(nèi)學者對褐煤制水煤漿進行大量研究。孫曄等[4]研究表明，魯霍褐煤經(jīng)不同預處理后成漿濃度由41%逐漸提高至51%。梁興等[5]以呼倫貝爾褐煤為原料，采用熱力改性(隔絕空氣)方法對褐煤進行改性提質(zhì)加工，結(jié)果表明改性后褐煤通過粒度級配，粗細粉質(zhì)量比為6∶4時，煤漿濃度提高3.6%以上。合適的水煤漿添加劑對改變成漿性和流變性有直接影響，目前廣泛應用的添加劑有木質(zhì)素系、聚羧酸系、萘系等陰離子型分散劑。孫美潔等[6]研究了添加劑對成漿性的影響，萘系添加劑對蒙東褐煤適應性強，添加助劑最佳用量為0.9%時，褐煤濃度可達52.87%。

國家水煤漿工程技術研究中心針對低階煤開發(fā)出了二代、三代制漿技術，第2代指分級研磨高濃度制漿新技術，該技術重點突出“多破少磨”和“分級研磨”的思想。分級研磨工藝可提高破碎效率，降低磨礦入料粒度，適度放大棒磨機出料煤漿的平均粒徑，拉大粒度分布級差，增加超細研磨系統(tǒng)，改善粒度分布，進而提高煤漿濃度。第3代指間斷級配高濃度水煤漿制備技術，“以破代磨”替代能耗較高的球/棒磨機制漿，制漿能耗大幅降低，將原煤破碎與超細研磨技術有機組合，使超細煤漿成為粗粒級煤粉流動的載體，顯著改善煤漿流動狀態(tài)，同時實現(xiàn)水煤漿粒度的間斷雙峰級配，煤漿濃度可提高6%～8%，改善煤漿的流變性和霧化性能，提高水煤漿燃燒和氣化效率。該技術經(jīng)中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會鑒定委員會認為達到了國際領先水平，具有節(jié)能減排意義。間斷級配制漿工藝以隔層堆積理論為指導，粒度分布為雙峰間斷級配，實現(xiàn)水煤漿粒度的高效緊密堆積。采用間斷級配制漿工藝制備氣化水煤漿，就是將粗煤粉中的組分顆粒尺寸盡可能增大，較細煤粉足夠填充到粗顆粒構(gòu)成的空隙中，使超細煤漿成為粗粒級煤粉流動的載體，改善煤漿流動狀態(tài)，同時實現(xiàn)水煤漿的粒度間斷雙峰級配[7]。

針對某煤化工項目，企業(yè)提出利用褐煤和精煤以質(zhì)量比6∶4配比進行制漿試驗，要求配煤氣化水煤漿濃度滿足60%以上，且具有較好的流動性和適當?shù)谋碛^黏度。為使水煤漿濃度達到設計要求，本文采用間斷級配制漿工藝對2個單種煤樣和配煤進行成漿性試驗，研究不同混煤方法對制漿濃度、黏度、流動性的影響，并確定最佳混配制漿方案。

1 試 驗

1.1 煤質(zhì)分析

原料煤為某地區(qū)褐煤和精煤，2種原料煤的基本性質(zhì)分析和元素分析見表1，反應活性見表2。

表1褐煤和精煤的工業(yè)與元素分析
Table1Proximateandultimateanalysisofligniteandcleancoal

煤樣工業(yè)分析/%MadAdVdafFCd元素分析/%CadHadOadNadSt,ad褐煤19.7817.4844.8045.5547.162.7515.430.610.25精煤2.0412.9237.1254.7672.154.527.670.780.18

表2褐煤和精煤的反應活性
Table2Carboxyreactivityofligniteandcleancoal

煤樣煤對CO2的反應性/%800 ℃850 ℃900 ℃950 ℃1 000 ℃1 050 ℃1 100 ℃褐煤6.928.752.283.798.0——精煤00.31.88.4 16.836.849.3

由表1、2可知，褐煤具有水分高、揮發(fā)分高、反應活性強、碳含量較低、氧含量較高的特點，這是由于褐煤變質(zhì)程度低所致。褐煤直接制漿濃度較低，無法滿足濃度設計要求。而精煤具有水分低、低硫、反應活性差、碳含量高、煤化度較高的特點，能制取高濃度水煤漿。

1.2 試驗儀器

間斷級配制漿工藝的主要儀器有:5E-JCA顎式破碎機系列，MKJP-3選擇性破磨機，5E-SSB200標準篩振篩機，QHJM-3離心式動力超細磨，CWM-F-1水煤漿流動性測定儀，HB43梅特勒水分測定儀，Mastersizer 3000馬爾文智能激光粒度儀，NXS-4C水煤漿專用黏度計。

1.3 試驗方法

1)樣品制備

試驗用煤粗、細粉的制備:褐煤、精煤用顎式破碎機破碎到6 mm以下;用選擇性破磨機改變輥縫間隙實現(xiàn)調(diào)節(jié)出料粒徑，滿足粗粉出料粒度要求后，選取部分粗粉進入離心式動力超細磨機研磨，制備試驗所用的細粉。

2)制漿

2個單種煤及配煤均采用干法制備水煤漿，添加劑選擇國家水煤漿工程技術研究中心研發(fā)的CCRI系列，經(jīng)設定制漿參數(shù)得出各物料添加量，再經(jīng)電動攪拌器剪切物料調(diào)制成有流動性的漿體，并對所制水煤漿樣品進行濃度、流動性等檢測。

3)水煤漿指標檢測

① 水煤漿濃度的測定按GB/T 18856.2—2008《水煤漿試驗方法 第2部分:濃度測定》執(zhí)行。② 水煤漿流動性采用國家水煤漿中心研發(fā)的CWM-F-1型水煤漿流動儀測定(運用數(shù)字圖像技術測量水煤漿攤開面積表征水煤漿流動性的好壞)，按照目測法水煤漿流動性達到B或B-(氣化煤漿間斷流動)時，測定漿體攤開面積在110 cm2以上時就能滿足氣化現(xiàn)場對水煤漿流動性的最低要求。③ 水煤漿表觀黏度測定按GB/T 18856.4—2008《水煤漿試驗方法 第4部分:表觀黏度測定》執(zhí)行。④ 穩(wěn)定性測定采用插棒法探測煤漿的沉淀狀態(tài)，操作方法是:將制好的水煤漿樣品密封保存靜置24 h，然后插棒探測漿體觀察沉淀情況，并記錄煤漿沉淀狀態(tài)。水煤漿穩(wěn)定性分為4個等級:A級表示漿體保持原有狀態(tài)，無析水和沉淀產(chǎn)生;B級表示存在少量析水或略有軟沉淀;C級表示有大量沉淀產(chǎn)生，密度分布不均，但經(jīng)攪拌后又恢復原有狀態(tài);D級表示漿體全部硬沉淀，無法通過攪拌恢復漿體原始狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 褐煤、精煤單獨制漿

根據(jù)氣化水煤漿最新標準技術要求，表觀黏度≤1 300 mPa·s，但實際測量的表觀黏度值與漿體流態(tài)存在不一致的情況。顏淑娟等[8]提出以漿體運動黏度作為衡量水煤漿流變性的標準，以評價氣化水煤漿流變特性，可有效指導氣化水煤漿的生產(chǎn)及應用。代淑蘭等[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著水煤漿中平均粒徑的增大，漿體的黏稠度系數(shù)減小，流變特性指數(shù)增加，即水煤漿由假塑性流體向牛頓流體轉(zhuǎn)變。因此在間斷級配制漿工藝中水煤漿呈現(xiàn)出黏度大但流動性好的特點，但考慮到氣化現(xiàn)場實際制漿情況，水煤漿黏度評價還是以最新標準要求為準，黏度≤1 300 mPa·s，漿體具有較好的流動性時，所對應的濃度值即為最高成漿濃度。

褐煤、精煤制樣條件相同，都是經(jīng)顎式破碎機破碎到6 mm以下，再經(jīng)選擇性破磨機制備粗粉，粗粉出料粒徑<1.5 mm控制在98%左右。粗粉粒徑在400～800 μm，取部分粗粉再經(jīng)超細磨研磨制成細粉，細粉出料平均粒徑在15～30 μm。褐煤和精煤粗細粉質(zhì)量比為7∶3，添加劑用量為0.3%(干基/干粉)時，褐煤、精煤單種煤制漿結(jié)果見表3。

表3褐煤、精煤單獨制漿試驗結(jié)果
Table3Experimentalresultsofligniteandcleancoal

煤樣實測濃度/%表觀黏度/(mPa·s)流動性流動儀測量攤開面積/cm2目測穩(wěn)定性(24 h)51.571 178172BA褐煤51.891 269165BA52.381 480158B-A53.46>1 800131B-A73.401 096264BC精煤73.751 288249BC74.341 412201BC75.09>1 800170B-C

由表3可知，褐煤單獨制漿時，隨著漿體濃度的提高(51%～53%)，表觀黏度不斷上升，漿體流動性也呈現(xiàn)出較好狀態(tài)。褐煤單獨制漿時最高成漿濃度為51.89%，表觀黏度1 269 mPa·s，流動性和穩(wěn)定性均好，制取高濃度水煤漿的同時，滿足氣化標準對表觀黏度≤1 300 mPa·s指標要求。精煤單獨制漿時，表觀黏度隨著濃度的升高而變大，且漿體流動性并未受影響，始終保持流動狀態(tài)，但精煤漿體的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出軟沉淀現(xiàn)象。所以，在滿足氣化標準各指標要求下，精煤單獨制取最高成漿濃度為73.75%，表觀黏度值為1 288 mPa·s。

由表3可知，在間斷級配制漿工藝下，黏度和流動性都滿足制漿要求時，褐煤單種煤的最高成漿濃度為51.89%，成漿濃度較低，這是由于褐煤本身具有內(nèi)水含量高、孔隙發(fā)達、比表面積大、含氧官能團含量較高的特點所致;精煤單種煤的最高成漿濃度為73.75%，流動性較好，有軟沉淀發(fā)生。這是由于經(jīng)分選加工后，精煤的灰分和硫分都較低，同時去掉一些雜質(zhì)，變成優(yōu)質(zhì)煤種，故成漿性能較好。間斷級配制漿工藝下的粗粉與細粉相結(jié)合，細粉在煤漿中起到很好的潤滑與增黏作用，即使黏度>1 800 mPa·s，漿體也具有流動性，細顆粒包裹在粗顆粒表面有潤滑作用，從而減少了流動阻力。

2.2 配煤制漿

水煤漿氣化用煤應首選低階煤(不黏煤、長焰煤及褐煤)，低階煤種資源豐富、產(chǎn)量較大、反應活性強。褐煤屬于難制漿煤種，在氣化水煤漿領域很難應用推廣，而水煤漿加壓氣化要求水煤漿濃度在60%以上，可通過改善制漿工藝、粒度級配、分散劑優(yōu)化、配入高階煤提高褐煤成漿性能。段清兵等[10]采用分級研磨制漿工藝分別對東明煤與扎賚諾爾煤、寶礦提質(zhì)煤以質(zhì)量比1∶1、2∶1配煤制漿，配煤后濃度提高3%～4%。胡亞軒等[11]研究表明配煤制漿的成漿性呈現(xiàn)明顯的非線性特征，在一定條件下可改變水煤漿的流變特性。配煤制漿實際濃度按單種煤線性加權(quán)平均擬合計算得到的成漿濃度有所偏差，最大相差1.82%。官長平等[12]對褐煤配入高階煤制漿，試驗表明配煤制漿濃度與煤和煤之間的性質(zhì)匹配及添加劑對煤的適應性有關。為此采取2種煤配煤制漿，以期改善褐煤成漿濃度，降低精煤單獨制漿的生產(chǎn)成本。將褐煤與精煤按質(zhì)量比6∶4制漿，其選用CCRI系列，添加劑用量分別為0.3%、0.6%、1.0%(干基/干粉)，為獲取最佳配煤制漿試驗結(jié)果，制定3種混配方案。

2.2.1 配煤制漿方案1

褐煤、精煤分別經(jīng)選擇性破磨機制備煤粉，褐煤作為粗粉，精煤再經(jīng)超細研磨制備細粉。粗粉與細粉按質(zhì)量比6∶4制漿，其成漿性能見表4。由表4可知，2種煤經(jīng)方案1混配后，隨藥劑添加量的增加，水煤漿漿體黏度逐漸改善，漿體流動性變好。添加劑由0.3%增至0.6%時，黏度下降趨勢緩慢，添加劑增至1%時，表觀黏度下降較為明顯。因此，方案1對添加劑用量需求加大，用量1%才能達到設計濃度要求。

表4配煤制漿方案1試驗結(jié)果
Table4Experimentalresultsofcoalblendingmethod1

實測濃度/%表觀黏度/(mPa·s)添加劑用量/%流動性流動儀測量攤開面積/cm2目測穩(wěn)定性(24 h)60.28>1 8000.3175B-A60.341 6560.6190B-A60.501 2651.0230BA

2.2.2 配煤制漿方案2

褐煤、精煤分別經(jīng)選擇性破磨機制備粗粉，褐煤與精煤質(zhì)量比為6∶4，其中部分褐煤進行超細研磨制備細粉，粗細級配為4.8∶1.2，而精煤僅含粗粉填充，試驗結(jié)果見表5。

表5配煤制漿方案2的試驗結(jié)果
Table5Experimentalresultsofcoalblendingmethod2

實測濃度/%表觀黏度/(mPa·s)添加劑用量/%流動性流動儀測量攤開面積/cm2目測穩(wěn)定性(24 h)60.30>1 8000.3184B-A60.241 5960.6201B-A60.381 4801.0210B-A

由表5可知，方案2配煤后以粗顆粒為主，細粉加入量僅為12%，水煤漿濃度無明顯提高，隨藥劑量的增加，表觀黏度下降不明顯。方案2表觀黏度略大，超出氣化煤漿標準要求，無法達到60%濃度設計要求。

2.2.3 配煤制漿方案3

褐煤、精煤按質(zhì)量比6∶4均勻混配，混合煤樣先破碎，再經(jīng)選擇性破磨機，破磨后出料作為粗粉，選取部分粗粉經(jīng)超細研磨作為細粉，粗粉和細粉進行級配填充，粗細級配比為7∶3，結(jié)果見表6。

由表6可知，隨著藥劑量的增加(0.3%～0.6%)，水煤漿濃度提高(60%～62%)，表觀黏度上升。由于2個原煤混配后再磨礦可使粒度分布均勻，通過有效的粗細粉填充，形成效率極高的緊密堆積狀態(tài)，從而提高了水煤漿粒度級配和水煤漿濃度。該配煤方法中添加劑用量為0.3%(干基/干粉)，表觀黏度為1 298 mPa·s，流動性目測為B級，漿體流動攤開面積為192 cm2時，制取漿體濃度最高為61.24%，各指標滿足了水煤漿氣化設計要求。

表6配煤制漿方案3的試驗結(jié)果
Table6Experimentalresultsofcoalblendingmethod3

實測濃度/%表觀黏度/(mPa·s)添加劑用量/%流動性流動儀測量攤開面積/cm2目測穩(wěn)定性(24 h)60.139350.3223BA61.241 2980.3192BA61.191 0880.6215BA62.381 5900.6183B-A

3 結(jié) 論

1)在間斷級配制漿工藝下，褐煤、精煤單種煤最高成漿濃度分別為51.89%、73.75%，褐煤流動性、穩(wěn)定性較好，精煤穩(wěn)定性在24 h內(nèi)略有軟沉淀。

2)為解決褐煤難以制備高濃度水煤漿的問題，配入精煤，考慮到煤價、氣化效率、經(jīng)濟效益等，只加入40%精煤與褐煤進行混配，原料煤混配后在間斷級配制漿工藝下實現(xiàn)不同粒級充分填充，大幅提高氣化煤漿的成漿濃度，配煤后的成漿濃度最高為61.24%，表觀黏度、流動性、穩(wěn)定性呈明顯優(yōu)勢，褐煤配煤后完全滿足氣化水煤漿濃度設計要求。

3)褐煤含水量高是導致水煤漿性能較差的主要因素之一，通過配入成漿性能極好的精煤，有效提高了褐煤的制漿濃度。再加入與試驗用煤匹配的CCRI系列添加劑，在間斷級配制漿工藝下，通過配煤制漿，使褐煤資源得到了合理利用，拓寬了制漿用煤品種，水煤漿濃度完全滿足氣化設計要求。