高濃度低階煤水煤漿添加劑的篩選及應用

2018-07-30 10:50:10呂向陽

潔凈煤技術(shù) 2018年4期

呂向陽

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013;2.北京煤科成城科技發(fā)展有限公司，北京 100013)

0 引言

低階煤占我國煤炭儲量及產(chǎn)量的50%以上，目前已經(jīng)成為煤炭加工與利用的重要組成部分[1-3]。低階煤氧和雜原子含量高，若直接燃燒，熱效率較低且污染環(huán)境，用于發(fā)電有很多不利因素。但低階煤富含芳烴、雜原子芳香族化合物等有機組分，適宜作為化工原料生產(chǎn)有機化學品。水煤漿是20世紀80年代興起的高效率、低污染的煤基液態(tài)燃料，是由65%～70% 煤粉、29%～34% 水和少于1% 化學添加劑，經(jīng)過一定工藝制成的液體燃料，具有類似于油的流動性和穩(wěn)定性，方便泵送、儲運、燃燒與氣化，能顯著降低 SO2、NOx的排放量，是使低階煤轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉拇腿剂虾蛢?yōu)質(zhì)煤氣化原料的重要途徑[4-6]。

影響水煤漿濃度的因素主要包括制漿用煤特性、粒度級配和添加劑性能[7-8]，由于低階煤全水和內(nèi)在水分較高、含氧官能團多、孔隙率高，導致成漿性差，可通過適配添加劑來改善其成漿性。王永剛等[9]分析了國內(nèi)外11種典型低階煤中含氧官能團的含量及含氧官能團中氧占總氧的比例，發(fā)現(xiàn)低階煤中主要的含氧官能團是羥基和羧基,羥基中的氧占總氧的34.79%～53.00%。宋成建等[10]考察了不同種類分散劑條件下，煤質(zhì)、灰中氧化物種類和煤巖顯微組分對煤成漿性的影響，探討了分散劑種類與上述因素間的匹配性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當使用不同分散劑時，煤質(zhì)、灰中氧化物和煤巖顯微組分對成漿性的相關(guān)性程度有明顯差異。孫美潔等[11]研究了萘系分散劑與木質(zhì)素系分散劑對褐煤水煤漿穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)褐煤水煤漿的穩(wěn)定性指數(shù)值均較小,穩(wěn)定性良好,沉降過程中煤粒間的聚結(jié)會降低水煤漿的穩(wěn)定性,添加木質(zhì)素系分散劑后制備的褐煤水煤漿,分層厚度減小,沉降速率降低,顆粒團聚現(xiàn)象減弱,穩(wěn)定性優(yōu)于單獨使用萘系分散劑。針對NSF和木質(zhì)素磺酸鈉添加劑對低階煤成漿性的影響，許多學者進行了實驗室研究。趙俊梅等[12]應用氨基磺酸鹽、木質(zhì)素磺酸鈉和萘系磺酸鹽3種分散劑對鄂爾多斯東勝煤田褐煤的成漿性能進行研究，發(fā)現(xiàn)3種分散劑中氨基磺酸鹽對低階煤制水煤漿的分散作用最好，木質(zhì)素磺酸鈉與氨基磺酸鹽復配也表現(xiàn)出優(yōu)良的分散性能。戴財勝等[13]研究了木質(zhì)素制神華煤水煤漿添加劑，比較了 DCSA(神華水煤漿添加劑)與典型商用添加劑 NDF(中國礦業(yè)大學研制萘系添加劑)、NSF(南京大學研制萘系添加劑)和 DCS(堿木素復合型添加劑)對神華煤成漿性影響，發(fā)現(xiàn)在相同的成漿條件下，DCSA 的分散與穩(wěn)定性能均優(yōu)于 NDF、NSF 和 DCS。鄒立壯等[14]研究了不同分散劑對煤成漿性的促進作用，發(fā)現(xiàn)不同分散劑對同種煤或同種分散劑對不同煤成漿性的影響不同。成漿性很差的煤可以通過適宜的分散劑明顯提高其成漿性，但很難達到易成漿煤種的成漿性水平。但在工業(yè)中應用的效果鮮有報道。

為了篩選出低階煤適用的添加劑，綜合考慮添加劑的匹配性、經(jīng)濟性以及安全環(huán)保性等，本文選取多地區(qū)的低階煤為研究對象，通過粒度級配制備高濃度水煤漿，并對添加劑篩選后進行濕法驗證放大試驗，最終通過工業(yè)應用驗證添加劑的應用效果。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗用到的原料煤有陜西長焰煤(ZM)、河南長焰煤(LX)、新疆褐煤(YL)、新疆弱黏煤(YK);添加劑原料為北京煤科成城科技發(fā)展有限公司(以下簡稱“煤科成城公司”)研發(fā)的高濃度水煤漿專用添加劑MK-1、市售添加劑AYK及市售添加劑AZM。煤樣的煤質(zhì)分析見表1。可以看出，ZM、LX、YL和YK均屬于低灰、低硫煤，揮發(fā)分較高，屬于低階煤，其中YL和YK煤中內(nèi)水含量較高，變質(zhì)程度較低。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of coal samples

1.2 試驗儀器

試驗用到的儀器包括:美國NICOLET-Nenus470型傅里葉紅外光譜儀;5E-DCA250×150型密封式對輥破碎機;XMB-240×300型棒磨機;HE83型立式球磨機;HE83型快速水分儀;NXS-4CP型水煤漿黏度計。

1.3 原料煤的紅外光譜分析

采用美國NICOLET-Nenus470型傅里葉紅外光譜儀對原料煤進行分析，采用KBr壓片法，在瑪瑙研缽內(nèi)將樣品和KBr按一定比例(樣品20 mg，KBr質(zhì)量2 000 mg)均勻混合、研磨，在紅外干燥箱中干燥20 min后移至模具中分散均勻，用壓片機在25 Pa下壓制成片，放于光譜儀中進行檢測。傅里葉紅外光譜儀測試條件設定為:樣品掃描次數(shù)為32，背景掃描次數(shù)為16，分辨率4.000，采樣增益1.0，動鏡速度0.623 9 cm/s，光闌100.0。

1.4 成漿性試驗

1.4.1 干法成漿性試驗

干法制漿試驗1次制漿250 g;用棒磨機研磨原料煤制得粗粉，利用球磨機通過控制研磨時間制得細粉和超細粉;測定煤粉和添加劑的含水量;根據(jù)設

定濃度及添加劑比例計算所需粗粉、細粉、超細粉、水和添加劑的質(zhì)量并混合均勻，在800 r/min下攪拌6 min，制成待測水煤漿樣品。

1.4.2 煤漿粒度分布

干法制得水煤漿粒度分布見表2。從粒度分析中可以看出，ZM、LX、YL和YK的煤漿粒度中>2.4 mm的含量≤2.0%，符合氣化水煤漿要求;且<0.045 mm的顆粒含量均大于45%，有利于提高氣化反應轉(zhuǎn)化率。

1.4.3 濕法放大驗證試驗

結(jié)合干法成漿試驗中煤漿粒度分布，利用棒磨機進行濕法磨礦放大驗證試驗，制漿總量3 kg。首先利用對輥破碎機將煤粉破碎至粒徑<3 mm，測定其含水量，利用球磨機控制研磨時間制得質(zhì)量分數(shù)40%的細漿和超細漿，根據(jù)設定濃度及添加劑比例計算所需破碎后煤粉、細漿、超細漿、水和添加劑的質(zhì)量并混合均勻，將混合物料加入棒磨機研磨，得到待測成品水煤漿。

表2 水煤漿的粒度分布Table 2 Particle size distribution of coal water slurry %

1.5 氣化水煤漿性能測試

氣化水煤漿成漿性分析包括煤漿濃度[15]、黏度[16]、流動性和穩(wěn)定性，其中濃度、黏度為水煤漿放置0 h時的測量結(jié)果，穩(wěn)定性為放置48 h后的測量結(jié)果。

1.5.1 流動性

水煤漿流動性的測量方法觀察法和數(shù)值法。

1)觀察法:根據(jù)水煤漿流動特性，分為A、B、C、D級。A級流動連續(xù)，平滑不間斷;B級流動較連續(xù)，流體表面不光滑;C級借助外力才能流動;D級泥狀不成漿，不能流動。用“+”和“-”表示某一等級流動性的較小差別，“+”表示某一等級中流動性較好者;“-”表示某一等級中流動性較差者。

2)數(shù)值法:將水煤漿注滿標準截錐圓模(上口徑36 mm，下口徑60 mm，高度60 mm)，提起截錐圓模，在流動30 s時測定水煤漿在玻璃平面上自由流淌的最大直徑，以此判斷水煤漿的流動性。

1.5.2 穩(wěn)定性

用直徑4 mm的圓頭玻璃棒輕輕插入漿體中，若能直達底部，則表明無沉淀;若需輕輕撥動才能達底部，則為軟沉淀;若用力也插不進，則為硬沉淀。

1.6 成漿性評價原則

1.6.1 黏度

文中黏度是指表觀黏度，表示在剪切速率為100 s-1時，水煤漿的黏度，黏度參照氣化水煤漿標準[17]，氣化水煤漿黏度應小于1 300 mPa·s。

1.6.2 流動性

觀察法可以直觀描述漿體的流動狀態(tài)，受主觀影響較大;數(shù)值法測量結(jié)果準確、易比對，但直觀性較差。試驗中將2種測量方法配合使用。

本文以水煤漿流動性好于B-或12 cm以上為評價標準。

1.6.3 穩(wěn)定性

將被測水煤漿試樣密閉靜置48 h后，采用棒插法觀測，若漿體保持其初始狀態(tài)，無析水和沉淀產(chǎn)生，測量結(jié)果表示為無沉淀;若有少量的析水或少許軟沉淀產(chǎn)生，測量結(jié)果表示為軟沉淀。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 原料煤的紅外光譜分析

原料煤的紅外光譜分析結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯?種煤在3 030 cm-1有一個很弱的峰，說明其煤化程度較低[18]。低階煤在3 300～3 700 cm-1的峰為氫鍵締合及游離—OH，—NH，—NH2，在1 000～1 700 cm-1出峰較多，說明分子中有較多的側(cè)鏈及脂肪類結(jié)構(gòu)[19]。煤樣的羥基、胺基、羰基官能團的分布與煤階有一定的對應關(guān)系，煤階越低，這3類官能團的含量越高，所以褐煤的煤化程度最低[18]。長焰煤中氫鍵締合及游離—OH，—NH，—NH2較多，弱黏煤和褐煤中醇、酚、醚和酯的C—O含量比長焰煤低。通過原料煤的煤質(zhì)和紅外分析看出，ZM煤、LX煤、YL煤和YK煤均為低階煤，且原料煤的成漿濃度均不高，預測最高成漿濃度為ZM煤>LX煤>YK煤>YL煤。

圖1 原料煤的紅外光譜分析Fig.1 Infrared spectrum analysis of raw coals

2.2 干法試驗結(jié)果

使用不同添加劑分別對ZM煤、LX煤、YK煤和YL煤進行實驗室干法試驗，結(jié)果見表3。以氣化水煤漿標準為評價準則，可以看出，相同濃度條件下，利用AYK添加劑制備的水煤漿，借助外力才能流動，穩(wěn)定性較差，且黏度大于1 300 mPa·s，無法滿足氣化生產(chǎn)要求;AZM添加劑制備的水煤漿，綜合性能雖優(yōu)于AYK添加劑，但煤漿質(zhì)量仍較差，無法滿足生產(chǎn)要求;MK-1添加劑制備的水煤漿，黏度、流動性和穩(wěn)定性均滿足氣化生產(chǎn)要求。

表3 不同添加劑干法制漿試驗結(jié)果Table 3 Results of adding different additives in dry pulping

2.3 濕法放大試驗結(jié)果

對干法試驗篩選出的添加劑進行濕法驗證放大試驗，結(jié)果見表4?？梢钥闯?，使用MK-1添加劑在濕法制備水煤漿時，與干法制得水煤漿相比，在濃度、粒度分布相同的條件下，其水煤漿黏度低，流態(tài)和穩(wěn)定性較好，滿足氣化生產(chǎn)要求。

2.4 工業(yè)試驗結(jié)果

通過MK-1添加劑與市售添加劑的干法試驗對比，經(jīng)過濕法放大試驗，發(fā)現(xiàn)MK-1添加劑產(chǎn)品可滿足氣化煤漿的生產(chǎn)要求。工業(yè)試驗中，在相同位號分別取5天的市售添加劑與MK-1添加劑進行試用效果比較，結(jié)果見表5?？梢钥闯觯跐M足氣化生產(chǎn)條件下(水煤漿黏度<1 300 mPa·s)，制備相同濃度和黏度的水煤漿時，MK-1添加劑比市售AZM添加劑的使用量少50%，經(jīng)濟效益良好。