新疆五彩湾煤制备气化水煤浆的中试试验研究

2021-03-29何红兴

煤炭工程 2021年3期

何红兴

(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试验室，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试验室，北京 100013)

水煤浆是一种煤基流体燃料和气化原料[1]，是由煤、水和添加剂经过一定的制浆工艺加工而成的，有良好的流动性和稳定性，具有燃烧效率高，环境污染小，经济效益好的优点，是洁净煤技术的重要组成部分[2]，符合我国节能减排和煤炭清洁高效利用的发展方向[3]。水煤浆多以变质程度较高的煤为原料[4]，但我国的低阶煤资源储量丰富，利用低阶煤制浆可拓宽制浆用煤来源[5，6]，降低制浆成本，具有重要的研究意义[7]。针对低阶煤成浆浓度偏低的难题，国家水煤浆工程技术研究中心做了大量的研究工作[8-10]，先后开发出分级研磨制浆工艺和间断级配制浆工艺[11]。间断级配制浆工艺是在张荣曾教授“隔层堆积理论”和费祥俊教授“浆体水力学研究”的基础上提出的[12，13]，该技术优化了煤浆的粒度级配[14]，在保证煤浆流动性的前提下实现煤颗粒的最大填充，可使煤浆浓度提高6个百分点以上，提高了水煤浆燃烧和气化效率[15]。国家水煤浆工程技术研究中心采用该工艺建成1套煤浆产量0.5t/h水煤浆中试试验装置[16]，先后以神华、榆林等多种煤进行中试试验，煤浆浓度较传统工艺可提高6～8个百分点。本研究以新疆五彩湾煤为原料进行了成浆性试验，并在此基础上进行中试试验，为低阶煤制备高浓度水煤浆技术的工业化应用提供参考。

1 成浆性试验

1.1 试验原料

试验原料煤为新疆五彩湾煤，在收到原料煤后对其进行分析测试，分析数据见表1、表2。

由表1、表2数据可知，制浆用原料煤的水分为6.58%，水分含量较低，干基灰分为4.10%，属于特低灰煤，可燃基挥发分为30.35%，属于中高挥分发煤，干基硫分为0.41%，属于特低硫煤，干燥基高位发热量为28.89MJ/kg，属于高热值煤，流动温度在1290℃，属于中等流动温度灰。

表1 试验用煤的煤质分析

表2 试验用煤的灰熔融性分析

1.2 试验方法

1.2.1 实验室的成浆性试验

利用实验室小型设备模拟工业化生产中的制浆设备，完成制浆环节。实验室的制浆试验分别采用传统制浆工艺和间断级配制浆工艺。

1)传统制浆试验：将原料煤破碎到3mm以下，并投入棒磨机中研磨，每次入料2.5kg；根据磨矿特性和出料粒度要求选择不同的磨矿时间，分析样品达到粒度要求后停止磨矿；然后按设定浓度，向制浆容器中加入煤粉、水及添加剂，用电动搅拌器进行搅拌制浆，然后对水煤浆产品进行分析检测。

2)间断级配制浆试验：将试验原煤破碎至3mm以下，并投入棒磨机中研磨；根据磨矿特性与出料粒度要求选择不同的磨矿时间；将研磨后的煤粉取出用电动振筛机进行干法筛分，测出其粒度分布，直到达到相关的粒度要求为止；取出制备好的粗粒度煤粉，然后采用不同规格标准筛对粗煤粉进行筛分，将筛下物再放入超细研磨机中研磨；对细粉使用马尔文MS3000型激光粒度分布仪测定其粒度分布，至煤粉平均粒径在75μm以下；制备出合格的原料粗粉和细粉后，按照设定的粗、细煤粉比以及浓度，加入粗粉、细粉、水及添加剂进行调浆，并对成品浆进行分析。

水煤浆浓度的测定按照国标《水煤浆试验方法—浓度测定》(GB/T 18856.2)进行；水煤浆黏度的测定按照国标《水煤浆试验方法—表观黏度测定》(GB/T 18856.4)进行。水煤浆的流动性能采用的方法是目测法，把煤浆流动性能分为A、B、C三个等级：连续流动(A)、间断流动(B)、不流动(C)，为了表示属于某一等级范围流动性的较小差别，分别用“+”和“-”号加以区分，“+”号表示某一等级中流动性较好者；“-”号表示某一等级中流动性较差者。水煤浆稳定性采用传统的插棒法进行测试：将被测浆样密闭放置24h后插棒观测，根据以下标准判定：A级是浆体稳定性最好，浆体保持其初始状态，无析水，无沉淀产生；B级是浆体稳定性较好，浆体存在少量的析水或少许软沉淀产生；C级是浆体稳定性较差，有沉淀产生，但经搅拌作用后沉淀消失；D级是浆体稳定性最差，浆体产生部分沉淀或全部硬沉淀，无法通过搅拌后再生。水煤浆粒度分布采用马尔文MS3000型激光粒度分布仪测定，该仪器能自动计算出被测样品的平均粒度，测出的平均粒径为体积平均粒径。

实验室成浆性试验所用的主要仪器见表3。

1.2.2 中试生产线的成浆性试验

中试生产线主要包括细浆制备系统和粗粉制备系统，破碎后的原料煤通过行车吊装至原煤仓内，原煤仓中的原煤可通过三通阀将其分成两部分，一部分进入细浆制备系统，一部分进入粗粉制备系统。细浆制备系统通过棒磨机和卧式细磨机制备原料细浆，卧式细磨机是制备细浆的核心设备，设备采用水平单悬臂轴的旋转，带动研磨介质进行圆周运动，其线速度达到10～15m/s，通过动态涡轮离心分离装置分离出研磨介质和细浆，细浆通过筛网顺利流出。粗粉制备系统通过辊式破碎机制备原料粗粉，辊式破碎机是制备粗粉的关键设备，利用多个高强度耐磨合金破碎辊相对旋转产生的高挤压力和剪切力来破碎物料，该设备能实现只破碎大颗粒不破碎小颗粒，可将煤粉粒径精准控制在0.2～1mm。制备出的原料细浆和粗粉根据设定的比例混合进入高剪切均质槽内，进行剪切、均质和熟化后制得产品水煤浆，最后将产品煤浆取出进行分析检测。中试生产线工艺流程如图1所示。

表3 实验室成浆性试验所用的主要仪器

图1 中试试验的工艺流程图

中试试验所用的主要设备见表4。

2 成浆性试验结果与讨论

2.1 实验室成浆性试验

分别采用传统制浆工艺和间断级配制浆工艺进行制浆试验，后者作为重点工艺进行试验研究。传统制浆工艺是模仿工业上的传统单棒磨机或球磨机制浆，将破碎后的原料煤、添加剂和水按照设定的比例加入到制浆容器内，经搅拌后制得产品水煤浆。采用传统制浆工艺，在添加剂用量为干基煤的0.3%条件下进行成浆性试验，试验结果见表5。

表4 中试试验的主要设备

表5 传统制浆工艺的成浆性试验

由表5传统制浆工艺的试验结果可知：随着制浆浓度的提高，水煤浆的表观黏度逐渐增大，水煤浆的流动性变差；水煤浆的稳定性较好，存在少量的析水或少许软沉淀产生；综合考虑表观黏度和流动性等因素，该煤样在传统制浆工艺下的最高成浆浓度为51.01%，煤浆的流动性为B-，煤浆为间断流动。

采用间断级配工艺，制备出合格的原料粗粉和细粉后，在粗、细粉质量比为6∶4，添加剂用量为干基煤质量的0.3%条件下进行成浆性试验，试验结果见表6。

表6 间断级配制浆工艺的成浆性试验

由表6间断级配制浆工艺的试验结果可知：随着制浆浓度的提高，水煤浆的表观黏度逐渐增大，水煤浆的流动性变差；由于细浆的加入，细颗粒起到了润滑和增黏作用，水煤浆的稳定性变好，浆体保持其初始状态，无析水和沉淀产生；采用间断级配制浆工艺，在添加剂用量为0.3%的条件下，综合考虑流动性和表观黏度指标达到较好状态时，该煤种最高成浆浓度可达57.08%。

2.2 中试生产线成浆性试验

根据实验室得到的基础数据，适量调节细浆和粗粉的粒度，按照粗粉和细浆的干基比为6∶4，综合考虑到中试装置添加剂的计量精度和损耗情况，适当增大添加剂的添加比例，用量为干基总煤量(粗粉+细浆)的0.5%，煤浆的处理量为0.3t/h，细磨机的进料浓度为45%，按照中试工艺流程进行了中试成浆性试验。将制备出的粗粉与细浆按干基煤比6∶4加入到高剪切槽内，经过一定时间的高速剪切均质熟化，制备出合格的成品煤浆。中试试验过程中的细浆系统和粗粉系统的运行情况见表7。

表7 中试生产线的运行参数

由表7细浆制备系统运行参数可知：按照设定的煤浆处理量0.3t/h，细磨机的进料浓度为45%，装置运行稳定后，分析细浆的实际平均浓度为44.62%，细浆的平均粒径为25.10μm；由表7粗粉制备系统运行参数可知：粗粉制备系统运行稳定后，粗粉系统的处理量为0.15t/h，粗粉的入料粒径小于6mm，经辊式破碎机破碎后的出料平均粒径为小于1.5mm。

中试生产线进行4h连续运转，得到了一系列试验结果见表8。

表8 中试生产线的成浆性试验

试验采用马尔文MS3000型激光粒度仪对中试生产线的产品煤浆进行粒度分布测试，结果如图2、图3所示。

图2 产品煤浆的区间粒度分布

图3 产品煤浆的累计粒度分布

由表8可知：粗粉系统辊式破碎机的出料粒度较稳定；细浆制备系统由于粗浆槽内需有50%以上的粗浆液位，在棒磨机稳定运行后才开始启动细磨机，在系统运行初期，细磨机出料的平均粒度偏粗，随着运行时间的增加，设备状态逐步改善，最终达到最佳运行状态；此时，细浆的出料平均浓度约为44.62%，细浆的平均粒度约25.10μm，制备出成品煤浆的平均浓度为56.19%，浆体的流动性较好。由图2可以看出，产品煤浆在50μm粒级附近的含量较少，出现了中间部分的间断，这是由于制浆工艺中细磨机的加入，把本来粒度连续的部分大颗粒研磨的更细，使得细颗粒的峰值出现在25μm左右。

比较实验室制浆试验和中试制浆试验结果可知：实验室的基础数据能够很好地指导中试试验，且中试试验结果也验证了实验室试验的基础理论，对将来工业化应用起到了很好的指导作用。