褐煤提质前后成浆特性的研究

刘云肖 初茉

摘 要：褐煤是煤化程度最低的煤种，为泥炭在适度压力下转变而成，煤化程度低， 用作气化原料存在许多缺陷，如高水分、高灰分、熔点变化大、机械强度低、热稳定性差、煤气粉尘含量大、料层透气性差等。但将褐煤提质后制备高浓度水煤浆，再通过水煤浆气化加以利用是褐煤利用的一个新途径。本文通过对褐煤原煤和提质型煤成浆特性的研究，通过级配试验、添加剂试验、成浆浓度试验等，得出褐煤经提质后成浆性可以得到很大的提高，为褐煤应用拓宽了应用领域。

关 键 词：褐煤；提质型煤； 水煤浆； 试验

中图分类号：TQ 530 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1701-05

A Study on the Pulp Properties Before and After Lignite Upgrading

LIU Yun-xiao1，2， CHU Mo1

（1. China University of Mining &Technology，Beijing， School of Chemical&Environmental Engineering， Beijing 100083， China；

2. Hulunbuir Shenhua Clean Coal Co.， LTD Inner Mongolia， Inner Mongolia Hulunbuir 021025， China）

Abstract： Lignite is the lowest degree of coalification coal， peat change into at moderate pressure， low degree of coalification， used as the raw material for gasification has many defects， such as high moisture， high ash melting point changes， large， low mechanical strength， poor thermal stability， the dust content in the gas， material layer permeability difference etc.. But the lignite of high concentration coal water slurry preparation， and then through the gasification of coal water slurry is a new way to use lignite utilization. In this paper， through the study of lignite coal and upgrading of coal briquette slurrying property， by grading test， additive， the slurry concentration test， obtained by the upgrading of lignite pulp can be improved greatly， and widen the application field of lignite application.

Key words： Lignite； Briquette upgrading； Coal water slurry； Test

褐煤是煤化程度最低的煤種，为泥炭在适度压力下转变而成，介于泥炭和烟煤之间，含水量高，含碳量低，含氧量高，氢含量变化大，在空气中易风化，易自燃，储存困难[1]。由于褐煤本身的特性决定了其用作气化原料存在许多缺陷，如高水分、高灰分、熔点变化大、机械强度低、热稳定性差、煤气粉尘含量大、料层透气性差等。

神华宝日希勒褐煤提质提质项目采用气流干燥热压成型技术，经过辊压机后的提质型煤使褐煤水分降低，发热量提高，而且有效改善了褐煤的表面结构和吸水特性[2]，热压型煤结构渐趋紧密，呈现出类烟煤结构特征，其成浆特性得到了很大的改善。

1 神华褐煤气流干燥成型工艺介绍[3]

神华呼伦贝尔洁净煤公司褐煤气流干燥热压成型工艺采用直管式气流干燥技术，利用高温烟气在瞬间将褐煤水分由30%左右降至8%左右，再将干燥后的褐煤经过热压成型，生产具有较高发热量的提质型煤[4]。

2 褐煤制备气化水煤浆研究现状

褐煤属于难制浆煤种。褐煤变质程度煤低，芳香核缩合程度低， 支链、桥链较多， 内部细孔丰富，孔隙率大，密度明显低于烟煤。同时，褐煤结构中支链上羧基、羟基等酸性含氧官能团较多，亲水性强[5]，这些特征使褐煤不经过预处理难以直接制取高浓度、低黏度的水煤浆。

澳大利亚、美国、日本等国对褐煤进行了研究，澳大利亚斯温堡技术研究所对维多利亚褐煤进行了处理，结合干燥和增稠技术，制得了质量分数为60%的褐煤浆；美国北达科他州研究中心根据褐煤特性，研究出一种HWD 工艺（热水干燥工艺），将褐煤在高压容器中利用高压水加工提质，干燥后的成品用作制浆原料，在中试装置上制得质量分数为60%的水煤浆；Atesok 等研究了土耳其褐煤煤质对成浆的影响，用这种煤样制出质量分数为58%的水煤浆。本课题利用宝日希勒热压型煤，经热处理后制得水煤浆质量分数56%的高浓度水煤浆[6]。

神华宝日希勒褐煤提质项目褐煤热压提质工艺属国内外首创，目前尚没有对热压提质型煤的成浆性变化规律进行深入研究。为了拓宽热压提质褐煤的应用领域，提高其应用价值，需进一步分析研究褐煤经热压成型后对成浆特性的影响。

3 褐煤、热压型煤成浆性试验

3.1 试验原料

本试验所用的煤样为呼伦贝尔神华洁净煤有限公司提供的内蒙古宝日希勒褐煤原煤和热压型煤，为了确定褐煤经过热压提质过程的煤质变化，首先对原煤和热压型煤的煤质特性分别进行分析，包括工业分析，元素分析，可磨性，孔隙结构参数及最小内水等。具体分析结果见表1。

表1 神华宝日希勒褐煤提质项目原煤和提质型煤数据分析

Table 1 Analysis of raw coal and briquette of Shenhua BaoRixile lignite upgrading project

指标 工业分析， %

Mad Aad Ad Vad Vd Vdaf Fcad Fcd

原煤 13.20 12.37 14.25 30.80 35.49 41.38 43.63 50.26

提质型煤 8.47 14.57 15.92 30.53 33.35 39.67 46.44 50.73

指标 元素分析，% HGI 发热量

Qb，ar /（MJ?kg-1）

Cd Hd Nd Od St，d

原煤 62.78 6.41 1.05 14.98 1.54 106 50 85.0

提质型煤 72.86 5.24 0.96 14.55 0.46 115 40～60 75.0～95.0

煤孔结构

参数分析 孔隙

率，% 总孔体积

/（mL?g-1） 总孔

面积A BET比表

面/（ m2?g-1） MHC， %

原煤 49.91 0.7748 30.584 3.483 5 20.13

提质型煤 17.05 0.1467 7.706 - 16.38

由上表可以看出：宝日希勒褐煤原煤属于低变质程度煤，空气干燥基（Mad）水分值较高，为13.20%。提质型煤的空干基水分为8.47%，与原煤相比，提质型煤水分降低了4.73%，说明原煤经过热压提质后，空气干燥基水分明显降低。

宝日褐煤原煤的可磨性良好，HGI 值为106，经过热压提质后，煤样的可磨性达到115。HGI值越高，煤在磨碎过程中产生的细粒或胶态颗粒越多，可以得到比较宽的粒度分布和较高的堆积效率，有利于煤的成浆性。

宝日希勒褐煤随着提质程度的变化，其孔隙率、总孔体积、总孔面积均降低。证明了褐煤经过热压提质后，煤化度升高，孔隙率降低，煤结构渐趋紧密，而这种结构的变化有利于褐煤成浆性的提高。

原煤的吸水量（MHC值等于20.13%）大于热压型煤（MHC值等于16.38%）。说明热压提质工艺不仅使褐煤水分降低，发热量提高，而且有效改善了褐煤的表面结构和吸水特性，从而使褐煤的成浆性增强。

3.2 水煤浆制备[7]

水煤漿制浆方法主要包括选煤，破碎与磨煤，混合和搅拌等环节。本试验选用的是干法制浆工艺制备水煤浆，制浆试验步骤如下：

①用球磨机将上述煤样磨成合适粒径的煤粉，并采用湿式筛分法计算出煤样中小于200目煤粉的相对含量。

②按照一定的粗细粉配比比例，称取相应质量的煤粉，预设水煤浆浓度，计算出添加剂和水的质量，添加剂用量=干煤质量×添加剂用量百分比；加入水的质量=干煤质量/预设浓度-煤的质量-添加剂质量。

③将上述配好的制浆原料在200 r/min的搅拌器内匀速搅拌10 min，即可得到水煤浆。

④水煤浆粘度的测试，将制备好的水煤浆，倒进黏度仪的测试管里，装好测试管。按照NXS-11B 旋转型黏度计测定方法进行测定，并将数值输入到粘度软件进行数据处理，即可得到粘度数值和流变曲线。

⑤水煤浆实际浓度测试，采用的方法为：GBT 18856.2-2002。

3.3 原煤、提质型煤成浆性试验

3.3.1 原煤成浆性试验

根据影响成浆性的主要因素，水煤浆制备试验按照级配优化、萘系添加剂用量确定、木质素系添加剂用量确定、成浆浓度优化依次进行。

1）级配试验[8]

制浆原料的级配优化，在设定添加剂用量为0.5%的条件下，改变粗粉/细粉比例逐步提高成浆浓度。通过水煤浆表观粘度测定分析，得出水煤浆粘度与级配关系而确定粗粉/细粉比例。表2给出了宝日褐煤原煤级配对成浆性的影响。

表2 褐煤原煤级配试验数据

Table 2 The experiment data of BaoRI lignite coal grading

粗粉，% 细粉，% 小于200目

煤粉比例，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际

浓度，%

40 60 77.16 771.19 46.38

50 50 76.18 652.35 46.58

60 40 75.08 460.07 46.14

70 30 73.96 496.43 46.26

预设浓度为46%，添加剂为萘系添加剂，用量为0.5%

根据表2可知，宝日原煤最佳级配比为粗粉/细粉=6：4，在此粗粉/细粉比例下小于200 煤粉含量为75.08%。此时在预设浓度为46%（由于褐煤原煤成浆性较差，预设浓度为46%）萘系添加剂用量为0.5%的条件下，水煤浆的表观粘度为460.07 mPa?s，水煤浆的实际浓度为46.14%。

2）萘系添加剂最佳用量试验

本试验的目的是在最佳级配比例下，通过改变萘系添加剂比例逐步提高成浆浓度，并通过测定其粘度变化规律得出萘系添加剂的最佳用量。具体试验数据如表3。

表3 原煤的最佳萘系添加剂用量

Table 3 The best naphthalene additive of BaoRi lignite coal

粗粉，% 细粉，% 添加剂

用量，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际

浓度，%

60 40 0.7 592.54 47.05

60 40 0.8 512.63 46.97

60 40 0.9 437.64 46.98

60 40 1.0 472.02 46.25

60 40 1.1 526.71 47.13

粗细比例为6：4，预设浓度为47%，小于200目的煤粉比例为75.08%

通过表3，可以得出以下结论，在煤粉粗细比为6：4 的情况下，最佳的萘系添加剂用量为0.9 %，在预设浓度为47%的情况下，可得到粘度为437.64 mPa?s，实际浓度为46.98%的水煤浆浆体。

3）木质素系最佳添加剂用量试验[9]

将萘系添加剂改变为木质素系，通过变化木质素系添加剂比例提高浆体的成浆浓度，并测定其粘度变化规律得出木质素系添加剂的最佳用量，进而确定宝日原煤水煤浆对不同添加剂的适应性。表4 给出了宝日原煤的最佳木质素系添加剂用量试验数据。

表4 原煤的最佳木质素系添加剂用量

Table 4 The best lignin additive of BaoRI lignite coal

粗粉，% 细粉，% 添加剂

用量，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际

浓度，%

60 40 1.7 534.78 44.55

60 40 1.8 496.40 44.79

60 40 1.9 443.51 44.24

60 40 2.0 502.99 44.75

60 40 2.1 544.30 44.97

粗细比例为6：4，预设浓度为44%，小于200目的煤粉比例为75.08%

通过表4得出以下结论，在煤粉粗细比为6：4的情况下，最佳的木质素系添加剂用量为1.9%，在预设浓度为44%的情况下，可得到粘度为443.51 mPa?s，实际浓度为44.24%的水煤浆浆体。

4）萘系添加剂最大成浆浓度试验

本试验是在原煤最佳级配比及最佳萘系添加剂用量的条件下，进一步确定最高成浆浓度。试验数据如表5。

表5 原煤最大成浆浓度（萘系添加剂）

Table 5 The maximum plasma concentration of BaoRi coal（Naphthalene additives）

粗粉，% 细粉，% 添加剂

用量，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际

浓度，% 预设浓

度， %

60 40 0.9 370.88 45.07 45

60 40 0.9 533.74 46.88 46

60 40 0.9 634.27 47.13 47

60 40 0.9 683.49 48.49 48

60 40 0.9 1197.56 49.26 49

60 40 0.9 1893.65 50.83 50

通过表5可知，在煤粉粗细比为6：4，萘系添加剂用量为0.9%的情况下，水煤浆的表观粘度随着浆体的实际浓度的提高而增大。但根据表观粘度与实际成浆浓度的关系，在水煤浆实际浓度为49%时，其表观粘度值为1 200 mPa?s，达到水煤浆使用的上限。

5）木质素系添加剂最大成浆浓度试验

在原料最佳级配比及木质素系添加剂最佳用量的条件下，通过成浆性试验获得原煤的最大成漿浓度。表6 为宝日原煤使用木质素系添加剂的最大成浆浓度。

表6 原煤最大成浆浓度（木质素系添加剂）

Table 6 The maximum plasma concentration of BaoRi coal（Lignin additives）

粗粉，% 细粉，% 添加剂

用量，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际浓

度，% 预设

浓度，%

60 40 1.9 629.81 43.13 43

60 40 1.9 719.39 44.32 44

60 40 1.9 893.24 45.01 45

60 40 1.9 1173.5 46.12 46

60 40 1.9 1 529.26 47.22 47

由表6可以得出以下结论，在煤粉粗细比为6：4 木质素系添加剂用量为1.9%的情况下，水煤浆的表观粘度随着浆体的实际浓度的提高而增大，但根据表观粘度与实际成浆浓度的关系，在水煤浆实际浓度为46.1%时，其表观粘度值为1 200 mPa?s，达到水煤浆使用的上限。

6）原煤成浆性试验结论

通过上述原煤成浆性试验可以得以下结论：

①原煤最佳级配比为粗粉/细粉=6：4，其中小于200 煤粉含量为75.08%。

②萘系添加剂最佳用量为0.9%。

③通过萘系添加剂的最大成浆浓度试验，在煤粉粗细比为6：4，萘系添加剂用量为0.9%条件下，褐煤原煤的最大成浆浓度为49%，其表观粘度值为1 200 mPa?s，达到水煤浆使用的上限。

④通过木质素系添加剂的最大成浆浓度试验，在煤粉粗细比为6：4，木质素系添加剂用量为0.9%条件下，宝日原煤的最大成浆浓度为46.1%，其表观粘度值为1 173.5 mPa?s。

3.3.2 提质型煤成浆性试验

为确定提质型煤的成浆特性，参照原煤成浆性试验步骤进行。

1）级配试验

提质型煤制浆原料的级配优化方法与原煤相同。表7给出了热压型煤级配试验数据。

表7 热压型煤级配试验数据

Table 7 The grading of heat pressed briquette

粗粉，% 细粉，% 小于200目

煤粉比例，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际

浓度，%

90 10 70.50 637.55 53.46

80 20 73.31 524.83 52.83

70 30 75.12 917.29 54.87

60 40 79.15 1333.93 53.27

预设浓度为53%，添加剂种类为萘系添加剂，用量为0.5%

通过表7可知，对于热压型煤最佳级配比为粗粉/细粉=8：2，在此粗细比例条件下，小于200 煤粉含量为73.31%。当萘系添加剂用量为0.5%，预设浓度为53%，水煤浆的表观粘度为524.83 mPa?s，水煤浆的实际浓度为52.83%。

2）萘系添加剂最佳用量试验

在最佳级配（粗粉/细粉=8：2）条件下，改变萘系添加剂用量，测定水煤浆表观粘度，根据表观粘度和实际浓度的变化关系，分析得出萘系添加剂最佳用量。表8 给出了热压型煤浆的萘系添加剂最佳用量。

表8 提质型煤浆的添加剂最佳用量（萘系添加剂）

Table 8 The best amount of sdditive for heat pressed briquette（Naphthalene additives）

粗粉，% 细粉，% 添加剂

用量，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际

浓度，%

80 20 0.7 742.34 54.02

80 20 0.8 597.51 54.21

80 20 0.9 515.14 54.05

80 20 1.0 529.37 54.26

80 20 1.1 550.84 54.30

80 20 1.2 585.61 54.39

粗细比为8：2，预设浓度为54%，小于200目的煤粉比例为73.31%

根据表8可以得出，在热压型煤制浆原料的粗粉/细粉比例为8：2，最佳的萘系添加剂用量为0.9%时，可得到粘度为515.14 mPa?s，实际浓度为54.05%的水煤浆浆体（预设浓度为54%），添加剂量进一步增加，浆体浓度及粘度变化不大。

3）木质素系最佳添加剂用量试验

在最佳级配8：2 条件下，改变添加剂为木质素系，通过调整木质素添加剂的不同用量提高成浆浓度，并测定其粘度，分析流变曲线得出最佳添加剂用量。表9给出了热压型煤的木质素系添加剂最佳用量。

表9 热压型煤的最佳添加剂用量（木质素系）

Table 9 The best amount of sdditive for heat pressed briquette（Lignin additives）

粗粉，% 细粉，% 添加剂

用量，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际

浓度，%

80 20 1.7 698.63 52.02

80 20 1.8 641.67 51.91

80 20 1.9 537.35 51.43

80 20 2.0 557.37 51.26

80 20 2.1 640.72 51.76

80 20 2.2 743.01 51.67

粗细比为8：2，预设浓度为51%，小于200目的煤粉比例为73.31%

通过表9可以得出，在煤粉粗细比例为8：2 的情况下，木质素系添加剂用量为1.9%，可得到粘度为537.35 mPa?s，实际浓度为51.43%的水煤浆浆体，为优化的木质素添加剂用量条件（预设浓度为51%）。

4）萘系添加剂最大成浆浓度试验

在最佳级配比及最佳萘系添加剂用量条件下，调整预设浓度使热压型煤浆实际浓度逐步增加，确定其最大成浆浓度。表10给出了热压型煤的使用萘系添加剂时最大成浆浓度。

表10 热压型煤的最大成浆浓度（萘系添加剂）

Table 10 The maximum plasma concentration of heat pressed briquette（Naphthalene additives）

粗粉，% 細粉，% 添加剂

用量，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际

浓度，% 预设

浓度，%

80 20 0.9 693.84 54.06 54

80 20 0.9 995.19 55.12 55

80 20 0.9 1153.42 56.05 56

80 20 0.9 1725.34 57.14 57

80 20 2.1 640.72 51.76

80 20 2.2 743.01 51.67

由表10可知，在粗粉/细粉比例为8：2，萘系添加剂用量为0.9%条件下，水煤浆的表观粘度随着浆体的实际浓度的提高而增大，当实际浓度为57.1%时，表观粘度已达到1 725.34 mPa?s，大于1 200 mPa?s。当水煤浆实际浓度为56%时，其表观粘度值为1 200 mPa?s，达到水煤浆使用的上限。

5）木质素系添加剂最大成浆浓度试验

当使用木质素系添加剂时，热压型煤的最大成浆浓度如表11。

表11 热压型煤最大成浆浓度（木质素系添加剂）

Table 11 The maximum plasma concentration of heat pressed briquette（Lignite additives）

粗粉，% 细粉，% 添加剂

用量，% 表观粘度

/（mPa?s） 实际浓

度，% 预设浓

度，%

60 40 1.9 691.37 50.97 43

60 40 1.9 827.57 51.83 44

60 40 1.9 1 006.27 52.79 45

60 40 1.9 1 293.77 53.87 46

60 40 1.9 1 762.91 54.93 47

通过表1可以得出以下结论，在煤粉粗细比为8：2 木质素系添加劑用量为1.9%的情况下，水煤浆的表观粘度随着浆体的实际浓度的提高而增大，在水煤浆实际浓度为53.5%时，其表观粘度值为1 200 mPa?s，达到水煤浆使用的上限。

6）提质型煤成浆性试验结论：

通过上述提质型煤成浆性试验可以得以下结论：

①热压型煤制备水煤浆的最佳级配比为粗粉/细粉=8：2，其中小于200目煤粉含量为73.31%。

②最佳的萘系添加剂用量为0.9%；最佳的木质素系添加剂用量为1.9%。

③热压型煤在使用萘系添加剂时最大成浆浓度为56%（粗粉/细粉=8：2；萘系添加剂用量为0.9%），表观粘度值达到1 200 mPa?s 的上限。

④热压型煤在使用木质素系添加剂时最大的成浆浓度为53.5%粗粉/细粉=8：2；木质素系添加剂用量为1.9%），表观粘度值为1 200 mPa?s，达到水煤浆使用的上限。

4 结 论

通过褐煤原煤和提质型煤煤质分析及成浆性试验，可以得到以下结论：

①褐煤原煤成浆性差，成浆浓度小于50%。萘系添加剂优于木质素系，当萘系添加剂用量为0.9%，达到最大成浆浓度，为49.0%；当木质素系添加剂用量为1.9%，达到最大成浆浓度为46.1%。原煤的粗粉/细粉最佳级配比例是6：4，其中小于200目煤粉含量为75.08%。

②热压型煤的最佳级配比是8：2，其中小于200目煤粉含量为73.31%；对于热压型煤，萘系添加剂用量为0.9%，达到最大成浆浓度56%；木质素系添加剂用量为1.9%，达到最大成浆浓度为53.5%。

对比原煤、热压型煤的成浆特性可知，热压型煤的成浆性明显优于原煤。具体对比结论如下：

①对于褐煤、热压型煤制浆原料，萘系水煤浆添加剂的成浆性均优于木质素系水煤浆添加剂。萘系水煤浆添加剂的最大成浆浓度比木质素系高2%～2.5%。

②热压型煤的最大成浆浓度比褐煤高7.0%。

总之，呼伦贝尔神华洁净煤有限公司褐煤干燥热压成型生产线，对褐煤进行干燥的同时，完成了对提质煤的加压过程[10]。与褐煤相比，热压型煤的孔隙率、总孔体积及亲水性均明显降低，呈现类烟煤结构，为褐煤成浆性的大幅提升打下了煤质与煤结构基础。随着我国优质煤资源的减少及现代煤化工产业的迅速发展，对于优质气化原料煤的需求不断增加，以热压提质工艺为前提，以生产优质气化原料为目标，制备高浓度褐煤气化用浆，构成褐煤提质—气化—合成（燃料油或化工品）耦合新工艺，替代价格较高的烟煤制浆，将为扩大我国优质化工煤源提供新途径，促进以褐煤提质技术为基础的煤化工产业发展。

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