不同煤质对水煤浆性能及工业生产的影响研究

董志龙，宋九成

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗154100）

目前水煤浆的应用技术十分成熟，其被广泛应用于冶金、轻工、化工、电力、石化、机械等行业，在缓解我国原油紧缺、合理利用现有传统能源、推动经济高速发展方面具有重大民用和军用价值。中海石油华鹤煤化有限公司设计年产30万t合成氨、52万t尿素，气化装置采用GE公司的水煤浆加压气化技术和激冷流程，设计压力为6.5 MPa，基础设计和工程设计由中国天辰工程有限公司完成。因受煤炭市场制约，该公司频繁更换煤源，以期达到生产效益最大化。鉴于此，笔者通过实验研究了来自黑龙江鹤岗当地不同煤矿和俄罗斯远东煤矿的煤所制备水煤浆的性质，并对水煤浆工业生产运行数据进行了分析，为中国最北方地区进行水煤浆化工和“外煤内用”可行性提供了一定的数据支撑和借鉴意义。

1 实验部分

1.1 水煤浆的制备

1.1.1 原料煤的选取及分析

实验所选取的原料煤分别来自鹤岗当地峻德煤矿（JD）、富力煤矿（FL）、兴安煤矿（XA）和俄罗斯远东煤矿（ELS）。原料煤的工业分析和元素分析结果见表1。

表1 原料煤的工业分析与元素分析%

1.1.2 实验条件的选择

1.1.2.1 水煤浆添加剂

水煤浆是将水、少量添加剂、具有不同粒度分布的煤粉混合在一起，经研磨形成的混合物[1]。因煤粉是憎水性物质，难于被水润湿，故水煤浆是一种颗粒悬浮体，属热力学不稳定体系，必须加入化学添加剂才能够制出低黏度、高浓度、高稳定性、易于输送的优质水煤浆[2]。木质素磺酸盐系水煤浆添加剂，因价格低廉、制备原材料丰富、无毒、性能优越等特性被广泛用于水煤浆的制备[3-4]。因此，实验选用国内常用的木质素磺酸盐系水煤浆添加剂制备水煤浆。

1.1.2.2 制浆用水水质

制浆用水为工业原水：浊度≤3 mg/L，COD≤20 mg/L，pH为6～9，色度≤70度，BOD≤4 mg/L，氨氮质量浓度≤1 mg/L。

1.1.2.3 煤粉粒度分布

水煤浆质量分数每提高1%，有效气（CO+H2）体积分数平均提高1.5%，为使气化过程中有效气（CO+H2）含量较高和工业生产效益最大化，要求气化用水煤浆在性质稳定的前提下，具有较高浓度，这就要求水煤浆中煤粉颗粒具有不同的粒度分布，以便形成有效堆积和填充，来增加所制水煤浆的浓度。由于所选煤质差异性较大，哈氏可磨性能不同，为使4种煤粉粒度分布相同，实验采取干法球磨制煤粉，筛分不同粒径煤粉，按照粒度分布要求进行配比制浆。制浆用煤粉粒度分布应符合Alfred公式[5]，粒度分布为：14目～40目占6.0%、40目～120目占37.5%、120目～200目 占12.5%、200目～325目占9.0%、325目及以上占35.0%。

1.1.3 水煤浆的制备过程

根据上述所选实验条件制浆，在25℃下，称取一定量原水置于广口瓶中，加入一定量添加剂干粉，添加剂用量为干基煤质量的3.5‰，再按相同的粒度分布加入煤粉，进行混合搅拌，搅拌速率为3 200 r/min，搅拌时间为15 min。

1.2 水煤浆评价方法的选择

1.2.1 水煤浆质量分数的测定

水煤浆质量分数的测定方法一般有红外干燥法和烘箱干燥法2种，实验采用烘箱干燥法。称取一定量的水煤浆，放在烘箱中，设定干燥温度为105℃～110℃，干燥至恒重。根据干燥后干基煤质量计算水煤浆质量分数。水煤浆的质量分数（%）=[干基煤质量/（干基煤质量+原水质量+添加剂质量）]×100%。

1.2.2 水煤浆流变性的测定

采用国家水煤浆工程技术研究中心和成都仪器厂联合研制的NXS-4C型水煤浆黏度仪，在25℃恒温条件下，测量在一定剪切速率下水煤浆的表观黏度。

1.2.3 水煤浆稳定性的测定

采用落棒法测定水煤浆的稳定性。将所制水煤浆样品放入玻璃容器中，恒温、密闭保存，定期用玻璃棒插入样品，即采用自由落棒的方式来测定水煤浆的静态稳定性，并记录水煤浆产生软沉淀和硬沉淀的含量。

1.3 水煤浆性能

1.3.1 不同煤质水煤浆的成浆性

煤制成水煤浆的难易程度通常用煤的成浆特性来评价。在25℃、剪切速率为100 s-1下，选用相同的制浆条件，测得4种煤制水煤浆的表观黏度见图1。

由图1可知，4种煤质水煤浆随着浓度的增加，其表观黏度逐渐增加，ELS煤因其内水含量较高，不易制成高浓度水煤浆。不同煤质成浆性能具有一定差异，随着煤变质程度的增加，其碳元素含量增高，有利于制成高浓度水煤浆，鹤岗地区碳元素含量最高的JD煤相比FL煤和XA煤，其水煤浆成浆浓度更高，流动性更好。

图1 水煤浆质量分数与表观黏度的关系

1.3.2 不同煤质水煤浆的流变性

流体的流变性能一般有3种：第一种为牛顿流体，即流体黏度与剪切速率成线性关系；第二种为假塑性流体，即流体黏度随着剪切速率的升高而降低，表现为剪切稀释；第三种为胀塑性流体，即流体黏度随着剪切速率的升高而升高，表现为剪切黏稠。选取4种煤质水煤浆最高浓度浆体，测得水煤浆的剪切速率与剪切应力，得到水煤浆流变性能曲线，见图2。

图2 水煤浆剪切速率与剪切应力关系

由图2可知，4种煤质水煤浆在剪切速率＜18 s-1时，表现为水煤浆浆体黏度较高，随剪切速率的增加，水煤浆浆体黏度显著降低。4种煤制水煤浆的流变性能曲线具有高度相似性，其水煤浆浆体呈现明显的剪切稀释特性，即均为假塑性流体。

1.3.3 不同煤质水煤浆的稳定性

评价水煤浆浆体稳定性常用24 h析水率和48 h产生软沉淀与硬沉淀量进行表征。在加入相同含量的水煤浆添加剂情况下，研究了4种煤质水煤浆最大成浆浓度时的静态稳定性。同时用落棒法测定了水煤浆在静置48 h后产生软沉淀和硬沉淀的含量，结果见表2。

表2 不同煤质水煤浆的稳定性

由表2可知，随着煤变质程度增加，水煤浆浆体的稳定性升高。JD煤和ELS煤水煤浆稳定性好，析水率较低。

2 工业生产运行情况

2.1 生产运行基础数据

工业上常用比氧耗、比煤耗、有效气含量评价水煤浆燃烧性能。为满足实际生产运行需求，选取4种煤质水煤浆性质稳定时各自最大的成浆浓度进行煤浆燃烧性能对比分析。在保障系统满负荷运行时，列出气化炉运行指标数据见表3。

表3 不同煤质水煤浆运行技术指标

由表3可知，在气化炉压力相同和渣口压差变化不大情况下，鹤岗当地3种煤水煤浆浓度越高，其有效气含量越高，合成气总量越高。ELS煤因灰分含量低，表现出水煤浆浓度虽不高，但有效气含量及合成气总产量仅次于鹤岗JD煤。

2.2 生产运行经济指标

依据表3中基础数据，计算出4种煤质水煤浆运行经济指标，结果列于表4。

表4 不同煤质水煤浆经济指标

由表4可知，随鹤岗当地3种煤变质程度升高，水煤浆浓度升高，水煤浆气化比氧耗和比煤耗均下降；ELS煤因灰分低，煤中有效成分高，故其比氧耗和比煤耗最低。

3 结 论

3.1 原料煤变质程度越高，煤中碳元素含量越高，越容易制成高浓度水煤浆。

3.2 JD煤和ELS煤成浆性能较好，其水煤浆浆体具有较好的流动性和稳定性、较低的析水率和沉淀量。

3.3 4 种煤质水煤浆均是假塑性流体，呈现剪切稀释特性。

3.4 4 种煤质水煤浆随着浓度的增加，其表观黏度逐渐增加。

3.5 随鹤岗当地3种煤变质程度升高，煤浆浓度升高，有效气含量升高，比氧耗和比煤耗降低；ELS煤因灰分低，煤中有效成分高，具有更好的经济效益，是较为理想的煤气化水煤浆用煤。