三峰分形級配水煤漿提濃技術研究

周 永 濤

(中煤陜西榆林能源化工有限公司,陜西榆林 719000)

0 引 言

水煤漿是由一定粒度級配的煤、水和添加劑按一定比例組成的煤基流體燃料和氣化原料,可用于工業鍋爐、窯爐和電站鍋爐的燃燒發電或供氣,亦可用于煤氣化生產合成氨、甲醇、烯烴、油品和天然氣等化工產品[1]。目前,大部分煤化工企業均采用以低階煤為主的制漿原料,但由于低階煤成漿性較差,制備的水煤漿濃度較低,直接影響煤炭氣化轉化效率、氣化能耗以及生產成本等。于海龍等[2]通過模擬計算水煤漿濃度對氣化效率的影響,認為提高水煤漿濃度可提高氣化系統效率。因此如何提高低階煤的成漿濃度逐漸引起國內企業的重視[3]。

影響水煤漿質量的3個主要因素有原料煤煤質、水煤漿制備工藝及水煤漿添加劑[4-5]。隨著適用于水煤漿加壓氣化的優質原料煤儲量逐漸減少以及煤炭質量和價格的變化,制漿煤源逐漸向煤炭質量和成漿濃度更差的低變質程度煤種過渡[6],因此,采用水煤漿提濃技術不僅是現用煤種節能降耗的迫切需求,也是擴大原料選擇范圍的必然選擇。煤質對成漿的影響主要有煤的變質程度、表面孔隙特性、煤巖顯微組分、內水、O/C比、煤種可溶性高價金屬離子和可磨性等[7]。低階煤具有變質程度較低,內在水較高等特點,采用單棒磨機制漿工藝存在粒度級配不合理、成漿濃度低、煤種選擇范圍窄的問題,導致水煤漿在氣化過程中煤耗和氧耗偏高、有效氣含量和總有效氣含量偏低,限制了后續系統生產規模,增加了企業生產成本[8]。何國鋒、段清兵等[4-5]對水煤漿制漿工藝和添加劑進行大量應用研究,認為在煤質和添加劑固定的情況下,水煤漿制備工藝對于提高水煤漿濃度、降低水煤漿生產成本起著至關重要的作用,完善的制漿工藝中水煤漿粒度級配是影響水煤漿濃度、黏度和流變性的關鍵因素[4-5]。杜小茹等[9]通過研究難成漿煤種,發現難成漿煤種必須采用先進的制漿工藝才能提高水煤漿濃度。目前,國內絕大多數煤化工企業的水煤漿制備系統大多采用單棒/球磨機制漿工藝。楊紅軍[10]在制漿工藝研究中,發現單棒/球磨機制漿工藝流程簡單,水煤漿粒度級配不合理,制備的水煤漿濃度普遍偏低,且水煤漿流態及穩定性也很差,不利于提高煤炭氣化轉化效率。

為促進高濃度水煤漿制備技術盡快實現工業化,以滿足我國水煤漿加壓氣化大型煤化工生產需要,中煤科工清潔能源股份有限公司根據低階煤煤質特點,開發了三峰分形級配制備高濃度水煤漿工藝技術,該技術可將水煤漿濃度提高3% ～5%,改善水煤漿流動性和穩定性,提高后續氣化效率。水煤漿提濃項目在其他企業的運行結果顯示,水煤漿濃度每提高1%,1 000 m3(CO+H2)所需煤耗降低10.05 kg,氧耗降低 9.02 m3,有效氣含量增加0.54%,每年可為 60萬 t/a甲醇企業帶來至少1 500萬元經濟效益[11]。鑒于此,中煤陜西榆林能源化工有限公司(以下簡稱中煤陜西公司)決定在原有單磨機制漿單元基礎上采用三峰分形級配提濃技術[12]進行工業示范,以期降低生產成本,擴大系統產能,增加企業效益。

1 三峰分形級配制漿技術

1.1 三峰分形級配制漿技術原理

高濃度水煤漿對于煤細度、水煤漿濃度及流動性有一定要求,水煤漿中粒度要求分布合理,大小顆粒能相互充填,減少空隙,使固體占有率(堆積效率)提高(圖1)。提高堆積效率的技術稱“級配”。掌握好水煤漿的粒度分布是制備水煤漿的關鍵[13]。

圖1 水煤漿中顆粒填充示意Fig.1 Particle filling diagram of coal water slurry

三峰分形級配制漿是以“分形級配”理論為基礎,增大顆粒間粒級差,使得下一級的顆粒能夠有效填充上一級顆?？p隙中,最終提高煤粉顆粒堆積效率。加入的超細粉具有明顯表面物理化學特性,在其表面形成相較于自身直徑較大的束縛水膜,束縛水包裹住的超細粉顆粒此時受到的浮力與自身重力相近,進而與水形成了類似于均質的穩定漿液。粗顆粒與細顆粒加入均質漿液中,表面被均質細漿充分潤濕包裹,而細粉又能填充進粗顆粒縫隙間,最終形成了三峰分形級配高濃度水煤漿[14-15]。

1.2 三峰分形級配制漿技術特點

1)三峰分形級配技術將原料水煤漿研磨成合格的細漿和超細漿加入原有水煤漿制備系統,形成連續三級粒度級配,可有效提高水煤漿堆積效率,進而提高水煤漿濃度3%～5%,還可大幅改善氣化水煤漿流動性和穩定性。

2)三峰分形級配制漿工藝中選用的新型整形研磨機(也稱細磨機)具有粒度適應范圍廣、研磨效率高和能耗低的優點。經細磨機研磨后的細漿平均粒徑達20～30 μm,再經超細磨機研磨后的超細漿平均粒徑為4～8 μm。

3)三峰分形級配提濃系統為原有制漿系統的“外掛式”子系統,是對現有制漿系統生產運行的優化提升,新增細漿制備系統的停運并不影響原有制漿系統正常運行。

2 試 驗

2.1 試驗原料

為準確判斷現場用煤成漿性情況,對中煤陜西公司進行現場煤樣取樣(簡稱榆林煤),并進行了煤質分析和實驗室成漿性研究,煤質分析見表1。

2.2 試驗方法及水煤漿特性評價方法

2.2.1 試驗方法

在實驗室內模擬工業條件,對榆林煤進行單磨機工藝和三峰分形級配工藝條件下的成漿性試驗。利用實驗室棒磨機制取粗煤粉,利用立式攪拌磨制取細粉與超細粉。試驗采用粗粉制漿模擬單磨機工藝下榆林煤成漿特性,采用粗粉、細粉以及超細粉模擬三峰分形級配工藝下榆林煤成漿特性,包括級配關系、添加劑性能等相關參數。最終通過工藝對比、添加劑對比以及添加劑最佳用量試驗,探索出不同工藝下的最高成漿濃度以及較好的水煤漿性能。

表1 中煤榆林現場用煤煤質和灰熔融性分析Table 1 Coal quality and ash fusibility analysis of Yulin coal

2.2.2 水煤漿特性評價方法

水煤漿流動性的檢測方法有2種:① 觀察法,直觀描述漿體的流動狀態,受主觀影響較大;② 數值法,測量結果準確、易比對,直觀性較差。所以試驗中2種測量方法配合使用。

1)觀察法,根據其流動特性,分為 A、B、C、D四個等級。A:流動連續,平滑不間斷;B:流動較連續,流體表面不光滑;C:借助外力才能流動;D:泥狀不成漿,不能流動。為了表示屬于某一等級范圍流動性的較小差別,分別用“+”號和“-”號加以區分,“+”號表示某一等級中流動性較好者;“-”號表示某一等級中流動性較差者。

2)數值法,將水煤漿注滿標準截錐圓模(上口徑為36 mm,下口徑為60 mm,高度為60 mm),提起截錐圓模,在流動30 s后測定水煤漿在玻璃平面上自由流淌的最大直徑。用最大直徑值來判斷水煤漿的流動性。

采用插棒法進行水煤漿穩定性測試:將被測漿樣密閉放置一定時間(氣化水煤漿8 h)后,插棒觀測根據以下標準判定:A級:漿體保持其初始狀態,無析水和沉淀產生;B級:有少量析水或少許軟沉淀產生;C級:有沉淀產生,密度分布不均,但經攪拌作用后可再生;D級:產生部分沉淀或全部硬沉淀。

3 試驗結果與分析

3.1 單磨機制漿工藝

使用粗粉進行成漿性試驗。選用ZM型添加劑(ZM和MK為2種不同添加劑,ZM是現場使用添加劑,MK是新型添加劑),在添加劑用量0.18%條件下,采用單磨機工藝將試驗用煤分別制成一系列不同濃度的水煤漿,并對漿體的濃度、黏度、流變性和穩定性進行研究。試驗結果見表2。

表2 榆林煤成漿性試驗結果Table 2 Slurryability of coal water slurry

由表2可知,在單磨機制漿工藝下,水煤漿濃度由60.5%提高至62.4%,水煤漿表觀黏度升高,粒度偏粗。水煤漿濃度為62.4%時,流態為C,沒有流動性,且穩定性較差,難以對水煤漿進行提濃。因此,ZM型添加劑用量為0.18%時,榆林煤的最高成漿濃度為61.4%。

3.2 三峰分形級配制漿工藝

三峰級配制漿是粗粉、細粉以及超細粉以不同比例進行級配制備水煤漿的過程。將粗粉與細粉、超細粉進行三峰級配試驗,比例分別為90∶5∶5、85 ∶10 ∶5、85 ∶5 ∶10。 ZM 型添加劑用量 0.18%時,采用三峰分形級配制漿工藝將試驗用煤分別制成一系列不同濃度的水煤漿,并對漿體的濃度、黏度、流變性和穩定性進行研究,試驗結果見表3。

由表3可知,三峰分形級配制漿工藝中,細粉和超細粉添加比例越高,水煤漿流態和穩定性越好,水煤漿粒度更細。超細粉添加比例達到10%后,水煤漿質量提高不明顯。因此,三峰分形級配最佳配比為85∶10∶5,此時水煤漿濃度最高為65.5%,比單磨機制漿工藝提高4.1%,漿體流動性和穩定性顯著改善。與單磨機試驗相比,細漿的加入解決了水煤漿流動性和穩定性問題,說明細漿具有改善水煤漿質量的作用。

3.3 添加劑對比試驗

采用單磨機制漿工藝和三峰分形級配制漿工藝分別對ZM、MK添加劑(用量0.18%)進行最高成漿濃度試驗,對比不同添加劑的成漿效果,結果見表4。

表3 榆林煤三峰分形級配成漿性試驗結果Table 3 Slurryability of coal water slurry with three peak grading process

表4 不同添加劑成漿性試驗結果Table 4 Comparison of slurryability for different additives

由表4可知,MK型低階煤專用添加劑針對性強、性價比高,在與現場添加劑同等用量情況下,單磨機工藝水煤漿濃度可提高0.9%,達到62.3%,三峰分形級配制漿工藝水煤漿濃度提高0.8%。

3.4 添加劑最佳用量

采用三峰分形級配制漿工藝(粗粉、細粉、超細粉配比85∶10∶5),選用MK型添加劑,在不同添加劑用量條件下,分別進行成漿性試驗,分析漿體的濃度、黏度、流變性和穩定性,確定MK型添加劑最佳用量,結果見表5。

由表5可知,采用三峰分形級配制漿工藝,選用MK型添加劑時,隨著添加劑用量的增加,水煤漿表觀黏度降低,穩定性變好。添加劑用量為0.12%時,水煤漿表觀黏度為1 341 mPa·s,不滿足水煤漿生產使用要求;添加劑用量為0.24%時,水煤漿表觀黏度、流動性及穩定性都較好,但與添加劑用量為0.18%相比,水煤漿質量相差不大,因此添加劑最佳用量為0.18%。

表5 不同用量MK添加劑成漿性試驗結果Table 5 Slurryability of coal water slurry with different MK additives dosage

4 工業示范結果

4.1 項目技術方案

中煤陜西公司原有水煤漿制備系統為單棒磨機制漿工藝(圖2),即破碎后的煤、水、添加劑進入棒磨機進行磨礦,磨礦出料經過滾筒篩篩除大顆粒后即得成品水煤漿。該工藝由于水煤漿粒度級配不合理,存在水煤漿濃度偏低、水煤漿流態及穩定性差等問題。

圖2 改造前制漿工藝流程Fig.2 Coal water slurry process before modification

改造后在原有系統上增加了水煤漿提濃系統(圖3)。其中,棒磨機出口水煤漿槽的部分水煤漿經稀釋后進入細磨機研磨,研磨合格的細漿分出部分再經超細磨機研磨,研磨合格的超細漿和剩余細漿一起輸送至原有棒磨機中,從而形成三峰分形級配,優化氣化水煤漿的粒度級配,提高水煤漿堆積效率,進而提高氣化水煤漿濃度,同時改善水煤漿流動性及穩定性。

圖3 水煤漿提濃系統工藝流程Fig.3 Process flow of coal water slurry concentration technology

根據工藝要求和水煤漿提濃系統設計規模,本項目配置4臺細磨機CEXM630A型和2臺CECXM1120A型超細磨機及其他附屬罐、泵等設備。其中配漿泵布置于原有水煤漿制備車間低壓水煤漿槽附近,2臺CECXM1120A型超細磨機布置于其中1個棒磨機檢修孔處,其余設備均布置于水煤漿制備車間煤倉下。

4.2 階段運行結果

水煤漿氣化是非常復雜的系統工程,提高氣化效率需通過調節水煤漿濃度、水煤漿流量、氧氣流量等參數來實現,單一改變某變量會對氣化系統造成沖擊,影響正常生產。為避免此類問題發生,在水煤漿提濃系統應用過程中,采取分階段逐漸提濃的方式進行系統優化,該過程分為調試驗收階段和優化提升階段。

調試驗收階段時間為2017年8月1日—8月8日,水煤漿提濃系統通過性能考核,并達到預期目標。水煤漿提濃裝置中4臺CEXM630A型細磨機和2臺CECXM1120A型超細磨機等相關設備全部為一次性、順利開車成功,各項工藝和設備參數全部達到設計參數,所有設備安全、平穩運行。調試驗收階段水煤漿提濃系統性能考核前后的運行結果對比見表6。

表6 改造前后運行結果對比Table 6 Comparison of operation results before and after transformation

由表6可知,增加水煤漿提濃系統后,設備運行平穩,水煤漿質量和氣化效果顯著改善,主要表現在以下幾方面:

1)對水煤漿質量的影響。相同條件下,水煤漿槽水煤漿濃度由改造前的61.7%提高至65.5%,提高了3.8%,水煤漿的流動性和穩定性顯著改善,主要是由于原有水煤漿(平均粒徑100～150 μm)中增加了細漿(平均粒徑20～30 μm)和超細漿(平均粒徑4～8 μm),細顆粒和超細顆粒水煤漿填充至粗顆粒水煤漿中,提高了水煤漿的堆積效率,增加了單位體積內水煤漿質量,進而提高了水煤漿濃度,改善了水煤漿的流變性和穩定性,由于加入細漿和超細漿后,增大了水煤漿的比表面積,故水煤漿的黏度有所增加。

2)對氣化系統的影響。提濃改造后,比煤耗和比氧耗有明顯降低,1 000 Nm3CO+H2比煤耗由578.89 kg降至538.13 kg;1 000 Nm3CO+H2比氧耗由397.18 Nm3降低至 363.74 Nm3;有效合成氣含量由79.67%提高至81.15%。改造后由于進氣化爐水煤漿濃度的提高,減少了進氣化爐的水分,進而減少了氣化爐所需熱量,因此為了維持原有氣化爐的操作溫度,就必須使水煤漿中部分C由原來的完全燃燒生成CO2變成不完全燃燒生成CO,從而提高了有效合成氣含量[16-17],進而降低比煤耗和比氧耗,提高有效合成氣含量。

3)對水煤漿制備系統設備的影響。水煤漿濃度提高后,棒磨機運行電流明顯下降,由改造前的60～70 A降至50～60 A,原有制漿系統小時耗電減少約1 230 kWh,原有棒磨機筒體漏漿現象和滾筒篩跑漿現象明顯減少,降低了現場工人工作量,美化了現場環境。

優化提升階段是通過進一步優化水煤漿質量、調節相關氣化參數實現提高氣化效率的目的。結果表明,優化提升階段,比煤耗和比氧耗較調試驗收階段有所下降,氣化效率進一步提高。因此,水煤漿提濃系統可優化水煤漿質量,調節氣化操作參數,大幅提高水煤漿氣化效率。

5 結 論

1)榆林煤煤質分析結果顯示,中煤陜西公司現場用煤內水含量高,可磨性差,屬于難成漿煤種。在單棒磨機制漿工藝條件下,添加0.18%ZM型添加劑時,水煤漿濃度僅為61.4%,水煤漿粒度級配不合理、流動性和穩定性差。在三峰分形級配工藝中,粗粉、細粉、超細粉最佳配比85∶10∶5條件下,水煤漿濃度提高至65.5%,與單棒磨機制漿工藝相比,水煤漿濃度提高4.1%,且水煤漿流動性和穩定性顯著改善。

2)水煤漿提濃裝置為原有制漿系統的“外掛式”子系統,是對現有制漿系統生產運行的優化提升,新增水煤漿提濃系統的停運并不影響原有制漿系統的正常運行。經核算,水煤漿提濃裝置可布置于現有水煤漿制備車間內,具有物料輸送方便、土建投資低、管理方便、運行成本低的特點,且現有公用工程完全能滿足改造要求。

3)水煤漿提濃系統調試驗收階段,水煤漿濃度由61.7%提高至65.5%;比煤耗由 578.89 kg降至538.13 kg;比氧耗由 397.18 Nm3降至 363.74 Nm3;有效合成氣含量由79.67%提高至81.15%。優化提升階段,比煤耗和比氧耗較調試驗收階段又有所下降,氣化效率進一步提高。

[1]何國鋒,詹隆,王燕芳.水煤漿技術發展與應用[M].北京:化學工業出版社,2012.

[2]于海龍,趙翔,周志軍,等.煤漿濃度對水煤漿氣化影響的數值模擬[J].中國動力工程學報,2005,25(2):217-220.

YU Hailong,ZHAO Xiang,ZHOU Zhijun,et al.Numerical simulation of the effet of coal-water-slurry's concentration on its gasification process[J].Chinese Journal of Power Engineering,2005,25(2):217-220.

[3]崔意華.壓力、煤漿濃度、氧煤比對水煤漿氣化的影響[J].化肥設計,2010,48(5):23-26.

CUI Yihua.Influence of pressure,coal slurry concentration and ratio of oxygen/coal on water coal slurry gasification[J].Chemical Fertilizer Design,2010,48(5):23-26.

[4]段清兵.分級研磨低階煤高濃度水煤漿制備技術與應用[J].煤炭科學技術,2012,40(10):113-115.

DUAN Qingbing.Application of high concentration coal water slurry preparation technology with graded grinding low rank coal[J].Coal Science and Technology,2012,40(10):113-115.

[5]段清兵,何國鋒,王國房,等.低階煤制備高濃度氣化水煤漿新技術[J].煤質技術,2009(5):41-43.

DUAN Qingbing,HE Guofeng,WANG Guofang,et al.The new technology of high-concentration gasifyingCWM from low rank coal[J].Coal Quality Technology,2009(5):41-43.

[6]李寒旭,陳芳林.提高低變質程度煤成漿性能的研究[J].煤炭科學技術,2002,30(4):1-5.

LI Hanxu,CHEN Fanglin.Research to improve slurry perfoemance of low metamorphic coal[J].Coal Science and Technology,2002,30(4):1-5.

[7]吳國光,李建亮,孟獻梁,等.煤巖組分與水煤漿成漿性能的關系研究[J].中國礦業大學學報,2009,38(3):35-38.

WU Guoguang,LI Jianliang,MENG Xianliang,et al.Research on the relationship between slurryability and petrological composition of coal[J].Journal of China University of Mining&Technology,2009,38(3):35-38.

[8]張雪艷,仇汝臣.水煤漿制備系統提濃改造[J].小氮肥,2014,42(2):15-16.

[9]杜小茹,李光美,黃欣,等.水煤漿技術以及難制漿煤種成漿性的提高途徑[J].煤炭技術,2010,29(1):176-178.

DU Xiaoru,LI Guangmei,HUANG Xin,et al.Way of water-coalslurry technology and slurry ability of coal difficult to make slurry[J].Coal Technology,2010,29(1):176-178.

[10]楊軍紅.低階煤分級研磨制漿工藝技術在我廠的應用[J].中氮肥,2013(1):11-13.

[11]張勝局,何國鋒,段清兵.水煤漿提濃技術在新能能源有限公司的應用[J].潔凈煤技術,2015,21(4):12-14.

ZHANG Shengju,HE Guofeng,DUAN Qingbing.Application of coal water slurry mass fraction improvement technology in Xinneng Energy Company[J].Clean Coal Technology,2015,21(4):12-14.

[12]何國鋒,段清兵,呂向陽,等.一種制備氣化水煤漿的方法:201510408754.5[P].2015-07-13.

[13]王俊哲,王渝崗,方剛,等.基于Alfred模型提高神府煤水煤漿成漿性[J].煤炭科學技術,2013,41(12):117-119.

WANG Junzhe,WANG Yugang,FANG Gang,et al.Study on improvement coal water slurry ability of Shenfu coal based on Alfred model[J].Coal Science and Technology,2013,41(12):117-119.

[14]官長平,吳翠平,高志芳,等.低變質程度煤配煤制漿的試驗研究[J].選煤技術,2009(2):6-8.

[15]尉遲唯,李寶慶,李文,等.混合煤制漿對水煤漿性質的影響[J].燃料化學學報,2004,32(1):31-36.

YU Chiwei,LI Baoqing,LI Wen,et al.Effect of blending various coals on the properties of coal water slurry[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2004,32(1):31-36.

[16]謝冰,張勇.德士古水煤漿加壓氣化的幾個重要影響因素[J].內蒙古石油化工,2014(5):55-56.

[17]王鼎,李輝,劉麗娜,等.提高水煤漿氣化有效氣成分的途徑[J].大氮肥,2013,36(1):15-17.

WANG Ding,LI Hui,LIU Lina,et al.Increase of effective gas composition in CWS gasification[J].Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry,2013,36(1):15-17.