间断级配工艺制备气化水煤浆试验研究

杜丽伟，何红兴，蔡洪涛，张桂玲

(1.煤科院节能技术有限公司，北京 100013;2.国家水煤浆工程技术研究中心，北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013;4.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

我国褐煤资源丰富，目前已探明的褐煤资源储量近2 000亿t，约占全国煤炭资源总量的13%[1]，其中以内蒙古东部赋存最多，其次大部分分布在云南东部和黑龙江东部等地区。褐煤是煤化程度最低的低阶煤种，具有反应活性强、挥发分高(基本在37%以上)、灰熔融温度适宜等特点，满足水煤浆气化的原料煤要求。反应活性好的煤气化反应速度快，燃烧效率高，能提高碳的转化率，增加气化利用效率[2]。水煤浆作为气化原料可用于气化炉制备合成气，据不完全统计，截至目前，该燃料水煤浆的设计能力已突破5 000万t/a，使用和生产用量已达3 000万t/a;预计未来几年水煤浆消耗量将突破2亿t。气化水煤浆领域包括多喷嘴气化炉、GE、多元料浆等水煤浆进料的气化炉投产数量近300余台，每年耗浆量达1亿t以上[3]。目前，水煤浆应用范围覆盖了电力、冶金、石油、建材、化工、轻工等行业。根据我国能源结构的调整，褐煤资源的洁净化利用，褐煤制备气化水煤浆技术的发展具有重要的现实意义，既能取得良好的环境效益，又能获得可观的经济效益和节能效益。

经过30余年的研究，我国水煤浆技术取得了长足进步，并形成拥有技术和设备的自主知识产权，水煤浆制备技术已达到国际先进水平。褐煤内水高导致其难以制成满足水煤浆气化要求的煤浆，国内学者对褐煤制水煤浆进行大量研究。孙晔等[4]研究表明，鲁霍褐煤经不同预处理后成浆浓度由41%逐渐提高至51%。梁兴等[5]以呼伦贝尔褐煤为原料，采用热力改性(隔绝空气)方法对褐煤进行改性提质加工，结果表明改性后褐煤通过粒度级配，粗细粉质量比为6∶4时，煤浆浓度提高3.6%以上。合适的水煤浆添加剂对改变成浆性和流变性有直接影响，目前广泛应用的添加剂有木质素系、聚羧酸系、萘系等阴离子型分散剂。孙美洁等[6]研究了添加剂对成浆性的影响，萘系添加剂对蒙东褐煤适应性强，添加助剂最佳用量为0.9%时，褐煤浓度可达52.87%。

国家水煤浆工程技术研究中心针对低阶煤开发出了二代、三代制浆技术，第2代指分级研磨高浓度制浆新技术，该技术重点突出“多破少磨”和“分级研磨”的思想。分级研磨工艺可提高破碎效率，降低磨矿入料粒度，适度放大棒磨机出料煤浆的平均粒径，拉大粒度分布级差，增加超细研磨系统，改善粒度分布，进而提高煤浆浓度。第3代指间断级配高浓度水煤浆制备技术，“以破代磨”替代能耗较高的球/棒磨机制浆，制浆能耗大幅降低，将原煤破碎与超细研磨技术有机组合，使超细煤浆成为粗粒级煤粉流动的载体，显著改善煤浆流动状态，同时实现水煤浆粒度的间断双峰级配，煤浆浓度可提高6%～8%，改善煤浆的流变性和雾化性能，提高水煤浆燃烧和气化效率。该技术经中国石油和化学工业联合会鉴定委员会认为达到了国际领先水平，具有节能减排意义。间断级配制浆工艺以隔层堆积理论为指导，粒度分布为双峰间断级配，实现水煤浆粒度的高效紧密堆积。采用间断级配制浆工艺制备气化水煤浆，就是将粗煤粉中的组分颗粒尺寸尽可能增大，较细煤粉足够填充到粗颗粒构成的空隙中，使超细煤浆成为粗粒级煤粉流动的载体，改善煤浆流动状态，同时实现水煤浆的粒度间断双峰级配[7]。

针对某煤化工项目，企业提出利用褐煤和精煤以质量比6∶4配比进行制浆试验，要求配煤气化水煤浆浓度满足60%以上，且具有较好的流动性和适当的表观黏度。为使水煤浆浓度达到设计要求，本文采用间断级配制浆工艺对2个单种煤样和配煤进行成浆性试验，研究不同混煤方法对制浆浓度、黏度、流动性的影响，并确定最佳混配制浆方案。

1 试 验

1.1 煤质分析

原料煤为某地区褐煤和精煤，2种原料煤的基本性质分析和元素分析见表1，反应活性见表2。

表1褐煤和精煤的工业与元素分析
Table1Proximateandultimateanalysisofligniteandcleancoal

煤样工业分析/%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褐煤和精煤的反应活性
Table2Carboxyreactivityofligniteandcleancoal

煤样煤对CO2的反应性/%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、挥发分高、反应活性强、碳含量较低、氧含量较高的特点，这是由于褐煤变质程度低所致。褐煤直接制浆浓度较低，无法满足浓度设计要求。而精煤具有水分低、低硫、反应活性差、碳含量高、煤化度较高的特点，能制取高浓度水煤浆。

1.2 试验仪器

间断级配制浆工艺的主要仪器有:5E-JCA颚式破碎机系列，MKJP-3选择性破磨机，5E-SSB200标准筛振筛机，QHJM-3离心式动力超细磨，CWM-F-1水煤浆流动性测定仪，HB43梅特勒水分测定仪，Mastersizer 3000马尔文智能激光粒度仪，NXS-4C水煤浆专用黏度计。

1.3 试验方法

1)样品制备

试验用煤粗、细粉的制备:褐煤、精煤用颚式破碎机破碎到6 mm以下;用选择性破磨机改变辊缝间隙实现调节出料粒径，满足粗粉出料粒度要求后，选取部分粗粉进入离心式动力超细磨机研磨，制备试验所用的细粉。

2)制浆

2个单种煤及配煤均采用干法制备水煤浆，添加剂选择国家水煤浆工程技术研究中心研发的CCRI系列，经设定制浆参数得出各物料添加量，再经电动搅拌器剪切物料调制成有流动性的浆体，并对所制水煤浆样品进行浓度、流动性等检测。

3)水煤浆指标检测

① 水煤浆浓度的测定按GB/T 18856.2—2008《水煤浆试验方法 第2部分:浓度测定》执行。② 水煤浆流动性采用国家水煤浆中心研发的CWM-F-1型水煤浆流动仪测定(运用数字图像技术测量水煤浆摊开面积表征水煤浆流动性的好坏)，按照目测法水煤浆流动性达到B或B-(气化煤浆间断流动)时，测定浆体摊开面积在110 cm2以上时就能满足气化现场对水煤浆流动性的最低要求。③ 水煤浆表观黏度测定按GB/T 18856.4—2008《水煤浆试验方法 第4部分:表观黏度测定》执行。④ 稳定性测定采用插棒法探测煤浆的沉淀状态，操作方法是:将制好的水煤浆样品密封保存静置24 h，然后插棒探测浆体观察沉淀情况，并记录煤浆沉淀状态。水煤浆稳定性分为4个等级:A级表示浆体保持原有状态，无析水和沉淀产生;B级表示存在少量析水或略有软沉淀;C级表示有大量沉淀产生，密度分布不均，但经搅拌后又恢复原有状态;D级表示浆体全部硬沉淀，无法通过搅拌恢复浆体原始状态。

2 结果与讨论

2.1 褐煤、精煤单独制浆

根据气化水煤浆最新标准技术要求，表观黏度≤1 300 mPa·s，但实际测量的表观黏度值与浆体流态存在不一致的情况。颜淑娟等[8]提出以浆体运动黏度作为衡量水煤浆流变性的标准，以评价气化水煤浆流变特性，可有效指导气化水煤浆的生产及应用。代淑兰等[9]研究发现随着水煤浆中平均粒径的增大，浆体的黏稠度系数减小，流变特性指数增加，即水煤浆由假塑性流体向牛顿流体转变。因此在间断级配制浆工艺中水煤浆呈现出黏度大但流动性好的特点，但考虑到气化现场实际制浆情况，水煤浆黏度评价还是以最新标准要求为准，黏度≤1 300 mPa·s，浆体具有较好的流动性时，所对应的浓度值即为最高成浆浓度。

褐煤、精煤制样条件相同，都是经颚式破碎机破碎到6 mm以下，再经选择性破磨机制备粗粉，粗粉出料粒径<1.5 mm控制在98%左右。粗粉粒径在400～800 μm，取部分粗粉再经超细磨研磨制成细粉，细粉出料平均粒径在15～30 μm。褐煤和精煤粗细粉质量比为7∶3，添加剂用量为0.3%(干基/干粉)时，褐煤、精煤单种煤制浆结果见表3。

表3褐煤、精煤单独制浆试验结果
Table3Experimentalresultsofligniteandcleancoal

煤样实测浓度/%表观黏度/(mPa·s)流动性流动仪测量摊开面积/cm2目测稳定性(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，褐煤单独制浆时，随着浆体浓度的提高(51%～53%)，表观黏度不断上升，浆体流动性也呈现出较好状态。褐煤单独制浆时最高成浆浓度为51.89%，表观黏度1 269 mPa·s，流动性和稳定性均好，制取高浓度水煤浆的同时，满足气化标准对表观黏度≤1 300 mPa·s指标要求。精煤单独制浆时，表观黏度随着浓度的升高而变大，且浆体流动性并未受影响，始终保持流动状态，但精煤浆体的稳定性呈现出软沉淀现象。所以，在满足气化标准各指标要求下，精煤单独制取最高成浆浓度为73.75%，表观黏度值为1 288 mPa·s。

由表3可知，在间断级配制浆工艺下，黏度和流动性都满足制浆要求时，褐煤单种煤的最高成浆浓度为51.89%，成浆浓度较低，这是由于褐煤本身具有内水含量高、孔隙发达、比表面积大、含氧官能团含量较高的特点所致;精煤单种煤的最高成浆浓度为73.75%，流动性较好，有软沉淀发生。这是由于经分选加工后，精煤的灰分和硫分都较低，同时去掉一些杂质，变成优质煤种，故成浆性能较好。间断级配制浆工艺下的粗粉与细粉相结合，细粉在煤浆中起到很好的润滑与增黏作用，即使黏度>1 800 mPa·s，浆体也具有流动性，细颗粒包裹在粗颗粒表面有润滑作用，从而减少了流动阻力。

2.2 配煤制浆

水煤浆气化用煤应首选低阶煤(不黏煤、长焰煤及褐煤)，低阶煤种资源丰富、产量较大、反应活性强。褐煤属于难制浆煤种，在气化水煤浆领域很难应用推广，而水煤浆加压气化要求水煤浆浓度在60%以上，可通过改善制浆工艺、粒度级配、分散剂优化、配入高阶煤提高褐煤成浆性能。段清兵等[10]采用分级研磨制浆工艺分别对东明煤与扎赉诺尔煤、宝矿提质煤以质量比1∶1、2∶1配煤制浆，配煤后浓度提高3%～4%。胡亚轩等[11]研究表明配煤制浆的成浆性呈现明显的非线性特征，在一定条件下可改变水煤浆的流变特性。配煤制浆实际浓度按单种煤线性加权平均拟合计算得到的成浆浓度有所偏差，最大相差1.82%。官长平等[12]对褐煤配入高阶煤制浆，试验表明配煤制浆浓度与煤和煤之间的性质匹配及添加剂对煤的适应性有关。为此采取2种煤配煤制浆，以期改善褐煤成浆浓度，降低精煤单独制浆的生产成本。将褐煤与精煤按质量比6∶4制浆，其选用CCRI系列，添加剂用量分别为0.3%、0.6%、1.0%(干基/干粉)，为获取最佳配煤制浆试验结果，制定3种混配方案。

2.2.1 配煤制浆方案1

褐煤、精煤分别经选择性破磨机制备煤粉，褐煤作为粗粉，精煤再经超细研磨制备细粉。粗粉与细粉按质量比6∶4制浆，其成浆性能见表4。由表4可知，2种煤经方案1混配后，随药剂添加量的增加，水煤浆浆体黏度逐渐改善，浆体流动性变好。添加剂由0.3%增至0.6%时，黏度下降趋势缓慢，添加剂增至1%时，表观黏度下降较为明显。因此，方案1对添加剂用量需求加大，用量1%才能达到设计浓度要求。

表4配煤制浆方案1试验结果
Table4Experimentalresultsofcoalblendingmethod1

实测浓度/%表观黏度/(mPa·s)添加剂用量/%流动性流动仪测量摊开面积/cm2目测稳定性(24 h)60.28>1 8000.3175B-A60.341 6560.6190B-A60.501 2651.0230BA

2.2.2 配煤制浆方案2

褐煤、精煤分别经选择性破磨机制备粗粉，褐煤与精煤质量比为6∶4，其中部分褐煤进行超细研磨制备细粉，粗细级配为4.8∶1.2，而精煤仅含粗粉填充，试验结果见表5。

表5配煤制浆方案2的试验结果
Table5Experimentalresultsofcoalblendingmethod2

实测浓度/%表观黏度/(mPa·s)添加剂用量/%流动性流动仪测量摊开面积/cm2目测稳定性(24 h)60.30>1 8000.3184B-A60.241 5960.6201B-A60.381 4801.0210B-A

由表5可知，方案2配煤后以粗颗粒为主，细粉加入量仅为12%，水煤浆浓度无明显提高，随药剂量的增加，表观黏度下降不明显。方案2表观黏度略大，超出气化煤浆标准要求，无法达到60%浓度设计要求。

2.2.3 配煤制浆方案3

褐煤、精煤按质量比6∶4均匀混配，混合煤样先破碎，再经选择性破磨机，破磨后出料作为粗粉，选取部分粗粉经超细研磨作为细粉，粗粉和细粉进行级配填充，粗细级配比为7∶3，结果见表6。

由表6可知，随着药剂量的增加(0.3%～0.6%)，水煤浆浓度提高(60%～62%)，表观黏度上升。由于2个原煤混配后再磨矿可使粒度分布均匀，通过有效的粗细粉填充，形成效率极高的紧密堆积状态，从而提高了水煤浆粒度级配和水煤浆浓度。该配煤方法中添加剂用量为0.3%(干基/干粉)，表观黏度为1 298 mPa·s，流动性目测为B级，浆体流动摊开面积为192 cm2时，制取浆体浓度最高为61.24%，各指标满足了水煤浆气化设计要求。

表6配煤制浆方案3的试验结果
Table6Experimentalresultsofcoalblendingmethod3

实测浓度/%表观黏度/(mPa·s)添加剂用量/%流动性流动仪测量摊开面积/cm2目测稳定性(24 h)60.139350.3223BA61.241 2980.3192BA61.191 0880.6215BA62.381 5900.6183B-A

3 结 论

1)在间断级配制浆工艺下，褐煤、精煤单种煤最高成浆浓度分别为51.89%、73.75%，褐煤流动性、稳定性较好，精煤稳定性在24 h内略有软沉淀。

2)为解决褐煤难以制备高浓度水煤浆的问题，配入精煤，考虑到煤价、气化效率、经济效益等，只加入40%精煤与褐煤进行混配，原料煤混配后在间断级配制浆工艺下实现不同粒级充分填充，大幅提高气化煤浆的成浆浓度，配煤后的成浆浓度最高为61.24%，表观黏度、流动性、稳定性呈明显优势，褐煤配煤后完全满足气化水煤浆浓度设计要求。

3)褐煤含水量高是导致水煤浆性能较差的主要因素之一，通过配入成浆性能极好的精煤，有效提高了褐煤的制浆浓度。再加入与试验用煤匹配的CCRI系列添加剂，在间断级配制浆工艺下，通过配煤制浆，使褐煤资源得到了合理利用，拓宽了制浆用煤品种，水煤浆浓度完全满足气化设计要求。