水煤浆制备工艺的技术研究

2014-12-03席志军张艳玲

企业导报 2014年19期

关键词：制备水煤浆工艺

席志军+张艳玲

摘要：水煤浆是代油煤基流体燃料，对煤炭产品的升级、能源结构的优化、节约石油具有重要意义。介绍了水煤浆和研究意义，详述了水煤浆不同制备工艺的特点；简述了水煤浆的制备要求。

关键词：水煤浆；制备；工艺

一、水煤浆介绍和研究意义

水煤浆是八十年代初出现的一种新型煤基流体燃料，，国际上英文称为CWM（Coal Water Mixture）或CWF（Coal Water

Fuel），它含煤约70%，化学添加剂约1%，其余为水通过物理加工得到的一种流体燃料。成品水煤浆具有一定的稳定性，静置一个月时间可以不沉淀、不分层。而且具有一定的流动性，可以象燃油一样车装、船载或通过管道输送。其次是雾化性能好，在一定压力下通过喷嘴形成雾状，充分燃烧。它可作为炉窑燃料或合成气原料，具有燃烧稳定、污染排放少，具有较好的流动性和稳定性，易于储存，可雾化燃烧，是一种燃烧效率较高较廉价的洁净燃料，可代重油缓解石油短缺的能源安全问题。目前，我国工业生产的水煤浆，一般浓度在70%左右，粘度在

1000mPa·s左右，稳定性不低于1个月，燃烧效率可达到98%，单位热强度和燃烧负荷都优于燃煤。

（1）水煤浆与油的异同。与油相同的是水煤浆可以像油一样进行管道输送和喷嘴雾化燃烧；与油不同的是，水煤浆可燃成分是煤，因此水煤浆在燃烧时的特点又与煤粉燃烧相近，会有飞灰及结渣等现象。（2）与煤的异同。与煤相同的是可燃成分均是是煤；燃烧特点相近，会有飞灰及结渣等现象；燃尽率相同；与煤不同的是由于水煤浆中含有30—35%的水，这么多的水分导致水煤浆着火困难；水煤浆是洁净煤，是一种洁净燃料。（3）我国能源结构是富煤贫油，我国已探明的煤炭储量有1000亿吨，而石油则相对短缺。煤炭是我国的主要能源，目前已成为世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主，在当前以化石能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在我国，石油与煤炭相比，可供开采的数量有限，需要依靠进口。2002年，我国进口石油6500万吨，占消费量的30%，因此我国的石油资源显得十分珍贵。我国大部分电站及工业锅炉是以燃煤为主，但有不少工业炉窑还在燃油。针对此种情况，我国制定了“以煤代油，压缩烧油”的能源政策。（4）环境保护：我国是用煤大国，散煤燃烧存在缺点，储运复杂，燃烧效率低，除大型电站效率较高外，一般的燃煤锅炉效率很低，其中包括燃尽率和锅炉效率；水煤浆储运是全密封；水煤浆燃烧火焰中心温度较燃油低100-200℃ ，有助于抑制NOx生成。水煤浆选用洗精煤或选配低硫、低灰分煤制浆。煤炭经过洗选，可脱除硫30%-40%（脱除黄铁矿硫60%-80%）；脱除灰分（煤矸石等）50%-80%，原始烟尘与灰渣量减少，因而浆中硫含量与灰分较低。

二、水煤浆制备工艺

水煤浆制浆方法有干法制浆、干法和湿法联合制浆以及湿法制浆三种。

（一）干法制浆。该制备工艺的特点是对一般的干法磨机，要求入料煤的水分小于5%，洗精煤的水分都比较高，难以满足该要求；能耗比湿法高，在同样的细度下，干法磨机的能耗比湿法磨机约高30%；干法磨矿的安全和环境不如湿法；粒度分布不如湿法，堆积效率较低，干法磨煤颗粒表面氧化较快，影响制浆效果。

（二）干法、湿法联合制浆。该流程是在干法制浆工艺的基础上，分出一部分干法粉碎的物料再用湿法进一步粉碎。其特点是与干法相比，可以获得更好的粒度分布，即获得更好的级配。但该流程仍是以干法磨煤为主，干法制浆的其他不足之处依然存在。

（三）湿法制浆。湿法磨矿制浆工艺有高浓度磨矿、中浓度磨矿以及高、中浓度磨矿级配制浆工艺三种方式。

（1）高浓度磨矿制浆工艺。煤炭、分散剂和水同时加入磨机，磨机排出的物料就是高浓度的水煤浆，如果有必要加入稳定剂，则加入后还要搅拌均匀，剪切，使浆体进一步熟化。这是国内外采用的最多的一种制浆工艺，我国现有的水煤浆制浆厂基本上都是采用这种工艺。该工艺流程简单，可以省去捏混和强力搅拌环节；细颗粒量比较高，有利于级配；有利于药剂与颗粒新生表面接触；但是该工艺对变化的煤种适应性差；对磨煤机的结构参数和运行参数要求严格，因为浆体浓度过高会严重影响磨矿的功效。

（2）中浓度磨矿制浆工艺。一般是一段粗磨，再分出一部分粗磨的物料细磨，目的是获得好的级配。但是，因为采用50%左右的中浓度磨煤，细磨后的细粒物料再与粗磨的物料混合后还需要过滤，滤饼再加分散剂捏混，呈流体状后进入搅拌。

（3）高、中浓度磨矿级配制浆工艺。粗磨仍然采用中浓度磨矿，细磨不是像上述的中浓度制浆工艺从粗磨中分出一部分，而是从入料中分出一部分高浓度细磨，然后和经脱水的中浓度粗磨后的物料加分散剂捏混成浆。该工艺可以获得好的级配，堆积效率较高（74%），但仍需要过滤脱水环节。

三、水煤浆制备要求

水煤浆的制备有三个要素，一是煤炭；二是煤浆的粒度级配；三是添加剂。

（一）煤炭的要求。（1）煤的灰分要低。制浆用煤必须进行洗选以降低灰分。低灰分煤的表面有较为均匀的物理化学性质，易于制浆且燃烧效率高、热值高。（2）煤的挥发分高。含有较高挥发分的煤易于燃烧，热效率高。研究表明，挥发分小于17%？的水煤浆不易燃烧，必须添加更多的助燃剂。制备水煤浆一般采用挥发分大于25%的煤。（3）煤的内在水分低。煤的内在水分是影响制浆的重要因素，直接影响水煤浆的浓度，并在一定程度上影响水煤浆的稳定性和可燃性。（4）煤的可研磨性好。煤的研磨系数直接影响煤浆的粒度分布，研磨系数越高，粒度越细小，成浆性也越好，煤的其它性质如O/C （氧/碳原子比）、表面张力、孔隙度等也对成浆性有一定影响。

（二）煤浆的粒度级配。为了提高制浆浓度，必需使煤的粒度分布具有较高的堆积效率，即颗粒间空隙要少。使空隙最少的技术称“级配”，是制浆的关键技术之一。不同颗粒级配的煤制成的浆体都存在不同的浓度临界值，超过这个临界值，浆体的黏度急剧增大，流动性恶化；相同浓度水煤浆的黏度随颗粒级配不同而有较大差异，合理的颗粒级配可使水煤浆黏度降低，流动性增强。endprint

（三）添加剂。添加剂的种类和性能是影响水煤浆的黏度、稳定性、含煤量、雾化、燃烧和成本等重要参数的主要因素。制浆时所用添加剂，按其功能可分为：分散剂、稳定剂及其他一些辅助化学药剂，如消泡剂、调节剂、防霉剂、表面改性剂及促进剂等。在这些添加剂中，不可缺少的是分散剂和稳定剂。

水煤浆分散剂是一些表面活性剂。它是一种两亲分子，由疏水基和亲水基两部分构成。分散剂的作用机理可从三个方面加以解释：润湿分散作用、静电斥力分散作用及空间位阻效应。当煤粒在水中时，分散剂分子通过其疏水基和煤表面结合，以亲水基朝水的定向排列方式把水分子吸附在煤粒表面，变疏水性为亲水性，借水化膜将煤粒隔离开，减少煤粒间的阻力，从而达到降粘的作用；著名的DLVO理论认为，胶体颗粒稳定存在的先决条件是颗粒间的静电斥力大于颗粒间的范德华引力。煤粒在弱酸至碱性很宽的pH 值范围内，表面均带负电荷，当吸附了阴离子型分散剂后，更增加了煤粒的静电斥力，煤粒之间不易接近，难以形成聚集状态，增强水煤浆的分散稳定性；煤粒表面吸附添加剂分子时，颗粒间就增加了一层障碍，煤粒、添加剂分子的亲水链及水分子就构成了三维立体结构，当颗粒相互靠近时，可机械地阻挡聚结。

水煤浆的稳定性是指煤浆在存储与输送期间保持性态均匀的特性。稳定性的破坏来源于其中固体颗粒的沉淀。由于水煤浆是一种高浓度固液两相粗分散体系，无论是DLVO理论中涉及的来自分子热运动的布朗运动作用力、颗粒间的范德华引力，还是颗粒间的静电吸引力，都不足以阻止水煤浆中颗粒的沉淀。真正起到阻止颗粒沉淀并提高水煤浆稳定性的，是由稳定剂作用形成的空间结构对颗粒沉淀产生的机械阻力。所以，水煤浆的稳定剂应具有使煤浆中已分散的颗粒能与周围的其他颗粒及水结合成为一种较弱但又有一定强度的三维空间结构的作用。稳定剂应在加入分散剂经捏混搅拌成浆后再另行加入。能起这种作用的稳定剂有无机盐、高分子有机化合物。

结论：无论选用哪种制浆工艺，都要把煤研磨成具有一定粒度和合适的级配要求。煤种不同，所选择制浆工艺也应有所区别，而且由于工艺流程与磨矿设备不同，生产过程中的能耗、制浆条件、加工成本、产品质量等都有差异。水煤浆厂的建设必须根据原料煤性质及其成浆特性，并考虑添加剂与原料煤的反应特性以及制浆专用设备（磨机等）的研磨性能，选择合适的制浆技术工艺，才能制备出满足客户需要的水煤浆。

参考文献：

[1] 周俊虎.水煤浆技术进展[A].第八届锅炉专业委员会第三次学术交流会议论文集[C].2006.

[2] 刘志群.水煤浆技术应用现状及对策分析[J].环境保护科学，2006，32（5）

[3] 孙素敏，陈畅，曹佩文.浅谈水煤浆技术及其应用[J].印染，2009，35（11）