三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)研究

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(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

我國“十三五”規(guī)劃提出“大力開展工業(yè)節(jié)能，推廣節(jié)能技術(shù)，運(yùn)用節(jié)能設(shè)備，提高能源利用效率”。我國是世界上最大的煤化工生產(chǎn)國，產(chǎn)品多，生產(chǎn)規(guī)模較大，當(dāng)前正處于傳統(tǒng)煤化工向現(xiàn)代煤化工轉(zhuǎn)型的重要時(shí)期，現(xiàn)代煤化工要求加強(qiáng)科學(xué)規(guī)劃，做好產(chǎn)業(yè)布局，提高質(zhì)量效益，化解資源環(huán)境矛盾，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化。水煤漿作為一種清潔的煤化工原料，對現(xiàn)代煤化工發(fā)展具有重要意義[1]。

水煤漿是由65%～70%的煤、30%～35%的水和約1%的添加劑經(jīng)過一定加工工藝制成一種新型煤基流體燃料和氣化原料[2]。水煤漿技術(shù)發(fā)展初期，制漿原料用煤均選用成漿性較好的煤種，隨著成漿性較好的煤種儲量減少，低階煤成為主要制漿原料。因此，有必要提高成漿性差煤種的水煤漿濃度，擴(kuò)大制漿原料范圍。水煤漿濃度的影響因素主要有:煤質(zhì)特性、粒度分布和添加劑。其中煤質(zhì)特性是影響成漿性能的主要內(nèi)因，在煤質(zhì)特性和添加劑確定的情況下，粒度分布情況決定了水煤漿濃度的高低[3]。不合理的水煤漿粒度分布情況，會造成水煤漿濃度偏低，穩(wěn)定性和霧化性較差，制約了水煤漿氣化效率[4]。國內(nèi)諸多研究機(jī)構(gòu)開展了低階煤水煤漿提濃技術(shù)研究，趙衛(wèi)東[5]采用水熱處理法降低低階煤的內(nèi)水和含氧官能團(tuán)，可顯著提高低階煤的成漿濃度。高志芳等[6]研究了顆粒粒度分布和堆積效率對低階煤成漿性的影響規(guī)律，以寶日希勒褐煤為原料在實(shí)驗(yàn)室配制出60%以上的水煤漿。中煤科工清潔能源股份有限公司開發(fā)的新一代水煤漿提濃技術(shù)通過分級研磨、粒徑控制、三峰級配和添加劑優(yōu)化，可提高水煤漿濃度4%～6%，并大幅改善水煤漿流動性、穩(wěn)定性和霧化性能。

山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司(簡稱陽煤豐喜泉稷公司)設(shè)計(jì)年產(chǎn)30萬t合成氨、52萬t尿素，項(xiàng)目采用水冷壁水煤漿加壓氣化技術(shù)，煤漿制備系統(tǒng)共由2臺φ3.3 m×5.8 m棒磨機(jī)生產(chǎn)線組成(2臺全開)，單臺棒磨機(jī)原煤處理量約26 t/h。由于采用單磨機(jī)制漿工藝，水煤漿粒度級配不合理，水煤漿濃度偏低，僅為60%左右，且流動性、穩(wěn)定性較差[7]。為降本增效、擴(kuò)大產(chǎn)能，決定采用中煤科工清潔能源股份有限公司開發(fā)的三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)對現(xiàn)有水煤漿制備系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高水煤漿濃度，提高氣化效率，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的目的。

1 原煤及焦?fàn)t氣分析

陽煤豐喜泉稷公司的原煤是典型低階神府煤，可生產(chǎn)氣化水煤漿，現(xiàn)為水煤漿提濃技術(shù)主要應(yīng)用煤種，氣化用煤煤質(zhì)特性分析[8]見表1。工業(yè)生產(chǎn)合成氣來源分為2部分，一部分為水煤漿氣化，一部分為外購焦?fàn)t氣。焦?fàn)t氣成分組成及含量見表2。

表1氣化用煤煤質(zhì)特性
Table1Coalqualitycharacteristicsofgasificationcoal

Mt/%Mad/%Aad/%Vad/%FCad/%w(St,ad)/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)13.27.59.5429.5753.390.3726.55

表2焦?fàn)t氣成分及含量
Table2Compositionandcontentofcokeovengas

成分H2COCO2CH4N2O2H2OC2H6體積分?jǐn)?shù)/%56.237.462.9922.896.470.500.482.98

2 三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)理論分析

濃度高且流動性好的高濃度水煤漿要求水煤漿中的粒度分布合理，大小顆粒能夠相互充填，減少空隙，空隙中的水被更多的排出來參與煤漿流動，從而使固體占有率即堆積效率提高。提高堆積效率的技術(shù)稱為“級配”[9]。掌握好水煤漿的粒度分布是制備高濃度水煤漿的關(guān)鍵技術(shù)之一[10]。該理論在對國內(nèi)外水煤漿粒度級配理論分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合低階煤水煤漿粒度分布特點(diǎn)，探索粒度級配與水煤漿濃度、黏度之間的因變關(guān)系，并在“隔級堆積理論”基礎(chǔ)上提出三峰級配理論，探索出具有較高堆積效率的粒度級配模型，為制漿工藝的開發(fā)提供理論指導(dǎo)[11]。

堆積效率λ與粒度分布的關(guān)系是水煤漿制備技術(shù)的基礎(chǔ)理論之一，關(guān)于這方面研究成果較多，最簡單的是單一粒徑顆粒的堆積，其次是多種離散粒徑顆粒的堆積，最復(fù)雜、最實(shí)用的是連續(xù)分布顆粒的堆積。

Scott與Ridgway等研究表明，等徑球體隨機(jī)緊密堆積時(shí)的堆積效率為0.64～0.56，平均0.60，孔隙率ε=0.4，粒孔比B接近4.45。實(shí)際顆粒為非球體，堆積效率低于球體。對于呈多角形的煤粒，Brown與張榮曾研究表明，窄級別煤粒自然緊密堆積時(shí)的堆積效率更接近等徑球體呈正六面體緊密堆積時(shí)的堆積效率，為0.52,孔隙率ε為0.48，粒孔比B接近2.44。多種離散粒徑顆粒混合堆積時(shí)，小顆粒有可能充填到大顆粒堆積形成的空隙中，有利于提高粒群的堆積效率。韓開鋒等[12]根據(jù)Hudson理論計(jì)算得出，要使小顆粒完全充填在大顆粒空隙中，所需粒孔比應(yīng)至少達(dá)到5。

傳統(tǒng)單磨機(jī)制漿工藝由于棒磨機(jī)棒與棒之間是線接觸，在磨礦過程中僅對大顆粒進(jìn)行有效研磨，致使煤漿中粒度比較均一，平均粒徑100～150 μm。新一代煤漿提濃工藝在大顆粒間填充了平均粒徑30 μm的細(xì)顆粒和5 μm的超細(xì)顆粒，使大小顆粒能相互填充，減少顆粒間空隙，實(shí)現(xiàn)了煤漿顆粒的三峰級配，提高了煤漿堆積效率，進(jìn)而提高水煤漿濃度4%～6%。不同制漿工藝下粒度分布如圖1所示。

3 三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)的應(yīng)用

3.1 工藝流程

三峰分形級配水煤漿提濃工藝流程為:棒磨機(jī)出料槽的氣化水煤漿通過配漿泵計(jì)量后與界區(qū)外來的生產(chǎn)工藝水按照設(shè)定的目標(biāo)稀釋濃度一同進(jìn)入粗漿槽混合，合格的粗漿通過粗漿泵計(jì)量后進(jìn)入細(xì)磨機(jī)進(jìn)行磨礦，細(xì)磨機(jī)磨機(jī)出料(平均粒徑約為30 μm)自流至細(xì)漿槽，細(xì)漿槽內(nèi)小部分水煤漿通過細(xì)漿泵輸送至超細(xì)磨機(jī)進(jìn)行超細(xì)研磨，細(xì)漿槽內(nèi)大部分煤漿至一定液位時(shí)溢流至超細(xì)漿槽，超細(xì)研磨機(jī)研磨合格的超細(xì)漿(平均粒徑約為5 μm)自流至超細(xì)漿槽與溢流的細(xì)漿進(jìn)行混合，混合后的細(xì)漿和超細(xì)漿通過超細(xì)泵輸送至棒磨機(jī)中，最終形成水煤漿的三峰粒度級配，使成品氣化煤漿的粒度級配更加合理，從而提高水煤漿濃度，同時(shí)還能改善煤漿的流動性、穩(wěn)定性及霧化性能[13]。

圖1 不同制漿工藝的粒度分布Fig.1 Particle size distribution of different pulping processes

陽煤豐喜泉稷公司所用三峰分形級配水煤漿提濃裝置含1臺CEXM型細(xì)磨機(jī)和1臺CECXM型超細(xì)磨機(jī)及其附屬罐、泵等，其工藝流程如圖2所示。

圖2 三峰分形級配提濃工藝流程Fig.2 Three-peak fractal gradation concentration process

3.2 運(yùn)行效果

3.2.1 提濃前后水煤漿質(zhì)量變化

陽煤豐喜泉稷公司煤漿提濃裝置于2018年3月10日單體試車完成，3月14日正式投料運(yùn)行，調(diào)試階段細(xì)漿量逐步提高至目標(biāo)值，進(jìn)料口降低生產(chǎn)水量，提高水煤漿的出料濃度。在添加劑用量不變的情況下，整個(gè)水煤漿提濃裝置設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)工藝參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。陽煤豐喜泉稷公司于2018-03-21T 24:00—03-24T 24:00對煤漿提濃項(xiàng)目進(jìn)行72 h考核，提濃前后水煤漿指標(biāo)結(jié)果對比見表3。由表3可知，陽煤豐喜泉稷公司采用三峰分形級配水煤漿提濃工藝后，水煤漿流態(tài)不變，水煤漿黏度符合氣化水煤漿標(biāo)準(zhǔn)，水煤漿濃度提高了4.09%。

表3提濃前后水煤漿指標(biāo)對比
Table3Comparisonofcoalwaterslurryindexesbeforeandafterconcentration

項(xiàng)目水煤漿濃度/%黏度/(mPa·s)流態(tài)59.95574B-提濃前60.13628B-60.22655B-提濃前均值60.10619B-64.18914B-提濃后64.23923B-64.15918B-提濃后均值64.19918B-提濃前后差值4.09299—

3.2.2 提濃后氣化指標(biāo)變化

水煤漿濃度的提高會使得氣化有效氣量增加，氧氣消耗量減小，其理論依據(jù)為:將水煤漿中50 ℃水加熱氣化至1 250 ℃所需熱量主要由以下2個(gè)反應(yīng)提供，即

1 mol C生成CO2放出熱量395.2 kJ，而生成CO放出熱量僅為110.5 kJ，少放出熱量284.7 kJ。生成CO2或CO的總氣體體積相同，僅是消耗的O2和放出的熱量不同。因此，在固定進(jìn)氣化爐干煤量條件下，煤漿濃度提高后，將減少進(jìn)氣化爐水分，從而節(jié)約部分熱量，若把水煤漿氣化爐看成一個(gè)熱量平衡爐，此部分節(jié)約的熱量可由生成CO2向CO轉(zhuǎn)變，進(jìn)而增加CO總量，降低O2消耗。

氣化爐內(nèi)水分為2部分，一部分是水煤漿中水，這部分水是完全參與氣化反應(yīng)的;另一部分是激冷水，在無催化劑條件下，這部分水不參與氣化反應(yīng)。在固定進(jìn)氣化爐投煤量條件下，通過計(jì)算得出1 t/h水由50 ℃氣化至1 250 ℃所需熱量為9 872 028 kJ。因此，每減少1 t水節(jié)約的熱量可將CO2轉(zhuǎn)換成CO的體積和O2減少分別為776.7和388.4 Nm3/h。為進(jìn)一步了解水煤漿濃度的提高對氣化效果的影響，對水煤漿提濃前后氣化數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，由于陽煤豐喜泉稷公司的合成氣來源分為2部分，一部分為水煤漿氣化產(chǎn)生的合成氣，另一部分為外購的焦?fàn)t煤氣。因此，僅針對氣化比煤耗(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)、比氧耗(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)、噸合成氨耗煤量、噸煤增合成氨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比。為保證氣化指標(biāo)數(shù)據(jù)能真實(shí)反映水煤漿濃度提高導(dǎo)致的指標(biāo)變化，提濃前總煤耗與焦?fàn)t氣量與提濃后基本一致，結(jié)果見表4。

表4提濃前后氣化指標(biāo)對比
Table4Comparisonofgasificationindexesbeforeandafterconcentration

項(xiàng)目有效氣含量/%比氧耗/(m3·km-3)比煤耗/(kg·km-3)噸合成氨耗煤量/t噸煤增合成氨量/t提濃前79.914206141.440.695提濃后82.123855941.390.719差值2.21-35-20-0.050.024

由表3、4可知，陽煤豐喜泉稷公司使用三峰分形級配水煤漿提濃技術(shù)對現(xiàn)有制漿系統(tǒng)進(jìn)行改造后，在保持添加劑用量不變的前提下，水煤漿質(zhì)量和氣化效果都有了明顯改善。水煤漿濃度由提濃前的60.1%提高到64.19%，提高了4.09%;有效氣含量由提濃前的79.91%提高到82.12%，提高了2.21%;比氧耗降低了35 Nm3/kNm3，比煤耗降低了20 kg/kNm3。噸合成氨耗煤量減小了0.05 t，噸煤增合成氨量增加了0.024 t。

3.2.3 提濃后經(jīng)濟(jì)效益分析

在固定合成氨產(chǎn)量的前提下，可以通過噸合成氨耗煤量減小計(jì)算出節(jié)煤的經(jīng)濟(jì)效益，在固定煤量的前提下，可通過噸煤增合成氨量，計(jì)算出合成氨產(chǎn)量增加的經(jīng)濟(jì)效益[14]。為了更準(zhǔn)確反映水煤漿濃度提高帶來的經(jīng)濟(jì)效益，對比了提濃前后合成氨平均完全成本(固定生產(chǎn)量約1 050 t/d)，具體見表5。

表5提濃前后合成氨平均完全成本對比
Table5Comparisonofammoniasynthesisaveragecostbeforeandafterconcentration

項(xiàng)目材料成本/元職工薪酬/元電費(fèi)/元制造費(fèi)用/元管理費(fèi)用/元財(cái)務(wù)費(fèi)用/元合計(jì)完全成本/元提濃前1 173.6738.79151.55221.6723.93109.161 718.77提濃后1 108.2145.04168.36237.2024.46110.051 693.32差值-65.466.2516.8115.530.530.89-25.45

由表5可知，提濃前噸煤增合成氨量為0.695 t，提濃后為0.719 t，提濃后合成氨的年增量約為0.921 6萬t。陽煤豐喜泉稷公司生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬t合成氨，可根據(jù)提濃后合成氨的年增量、噸合成氨的價(jià)格以及噸合成氨的生產(chǎn)成本，計(jì)算出經(jīng)濟(jì)效益(噸合成氨價(jià)格按照當(dāng)前合成氨價(jià)格2 950元/t，稅率1.16):提濃后合成氨利潤為26 330萬元，提濃前合成氨利潤為24 730萬元。

根據(jù)提濃前后的合成氨利潤差值，可推算出水煤漿濃度提高后，陽煤豐喜泉稷公司的年經(jīng)濟(jì)效益可增加1 600萬元。

4 結(jié) 論

1)三峰分形級配提濃技術(shù)及配套設(shè)備在陽煤豐喜泉稷公司成功投用，水煤漿濃度由60.1%提高到64.19%，提高了4.09%;有效氣含量從79.91%提高到82.12%，提高了2.21%;比氧耗降低了35 Nm3/kNm3，比煤耗降低了20 kg/kNm3。噸合成氨耗煤量減小0.05 t，噸煤增合成氨量增加0.024 t，預(yù)期可為企業(yè)帶來1 600萬元的年經(jīng)濟(jì)效益。

2)開發(fā)新工藝、新裝備和適配性好的高效添加劑是解決我國水煤漿技術(shù)發(fā)展問題的關(guān)鍵[15]。制漿工藝和裝備是水煤漿制備技術(shù)的核心，完善的制漿工藝和裝備對于提高水煤漿質(zhì)量和降低制漿成本起著至關(guān)重要的作用[16]。三峰分形級配提濃技術(shù)的成功研發(fā)使得水煤漿技術(shù)具有了制漿濃度高、煤種適應(yīng)性寬、效率高、能耗更低的技術(shù)特點(diǎn)，未來勢必取代能耗高、效率低的常規(guī)棒磨機(jī)制漿工藝。