水煤漿提濃技術及其工業應用

蘇 鑫

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 10013；2.國家水煤漿工程技術研究中心，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤炭是我國重要的基礎能源，在未來相當長時期內煤炭引領能源的現狀難以改變[1]。水煤漿是潔凈煤技術的分支之一，其是由煤、水以及添加劑混合而成的煤基液體燃料和氣化原料。水煤漿技術自20世紀80年代引入我國后，歷經30余年的科技攻關與生產實踐，生產與應用規模均處于全球領先地位[2-4]。水煤漿的應用范圍極廣，涉及冶金、化工、電力、建材、輕工、石油等領域，根據用途不同可將其分為燃料水煤漿和氣化水煤漿。其中燃料水煤漿用于工業鍋爐或中小電站鍋爐，具有高效節能、環保排放、密閉清潔等優點。據統計，我國燃料漿的使用量已達2 000萬t/a。在氣化水煤漿領域，隨著GE氣化技術的引進，尤其隨著我國具有自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的研發成功，氣化漿的用量也在急劇上升[5]。據不完全統計[6]，截至2017年底，采用水煤漿為進料的氣化爐，如GE、多噴嘴、多元料漿等，已投產數量超過300臺，用漿量達2億t/a以上，且隨著大型新建項目的相繼投產，其用量還將繼續增加[7-8]。

在水煤漿研究初期，制漿用煤多以中等變質程度的煤種(氣煤、1/3焦煤等)為主[4]，但隨著類似煤種的不斷開采，其儲量也日益減少，與此同時相應的煤價亦逐漸增加，因此，變質程度較低的低階煤逐漸被用作主流的制漿用煤[9]，如長煙煤、不黏煤。但低階煤的煤質特征使得用戶在使用常規制漿工藝的條件下很難制出具有優良流變特性的高濃度水煤漿，不利于燃燒和提高氣化爐效率[10-11]。有研究表明，氣化水煤漿濃度每提高1個百分點，生產1 000 Nm3合成氣的煤耗、氧耗分別降低10 kg、10 Nm3[12]。因此，無論水煤漿鍋爐或氣化爐，水煤漿作為原料都是其生產中需控制的重要環節，而水煤漿濃度屬于其核心指標，濃度越高則進入爐內的水分越少，也就更有利于燃燒和氣化，因而如何利用低階煤制備出具有優良流變特性的高濃度水煤漿已成為行業內急需解決的問題。粒度級配是水煤漿制漿及提濃技術的關鍵，根據該核心理論，國內眾多科研院所和企業展開研究[13-14]，逐漸探索出“分級研磨制漿工藝”并將其應用于實際生產。

1 級配理論

1.1 分形級配理論

分形幾何學可定量描述不同形狀顆粒群體的空間特性，對于復雜的幾何形體可采用分形理論。水煤漿具有復雜的微觀結構，其屬多級、多層次的復合燃料體系，尤其煤粉的粒度級配具有突出的自相似性，滿足分形理論的應用條件。

分形理論可以很好地描述水煤漿粒度級配狀態，應用PFC2D(Particle Flow Code in 2 Dimension)/PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimension)軟件可以通過模擬顆粒堆積狀態預測分形級配模型，進而計算出顆粒的堆積效率。以下為模型的推導建立過程。

由分形理論分形維數的定義可得:

(1)

經整理可得:

(2)

式中，N(r)為粒徑小于r的顆粒含量；N(rmax)為不同粒徑的顆?？偭浚籸為某顆粒粒徑，μm；rmax為最大顆粒的粒徑，μm。

根據上式可得在[r，r+dr]粒徑區間內的顆粒含量為:

(3)

式中，yv(r)為表示粒徑小于r的顆粒百分含量，%；V(r)為表示粒徑小于r的顆粒數量；V(rmax)為表示總的顆粒數量；r為表示煤的顆粒粒徑，μm；Df為表示分形維數；rmin為表示最小煤顆粒的粒徑，μm；rmax為表示最大煤顆粒的粒徑，μm。

1.2 粒度分布與成漿性關系

在實際生產中，采用單磨機設備最終制得的水煤漿原料通常屬于單峰連續分布的狀態，而采用分級研磨工藝則會出現雙峰甚至多峰連續分布的狀態。通過長期對單磨機和分級研磨的粒度分布研究，將實驗室的大量結果進行統計，發現了單磨機出料粒度大致符合連續的單峰正態分布，如圖1所示。分級研磨是在單磨機出料粒度的基礎上再取部分煤粉進行超細研磨，所以分級研磨出料粒度大致符合連續的雙峰分布情況，如圖2所示。

圖1 單磨機出料粒度分布Fig.1 Particle size distribution of single mill discharge

圖2 分級研磨出料粒度分布Fig.2 Particle size distribution of graded grinding

從圖1、圖2可看出，單磨機的分布基本符合1個正態分布，中粒徑煤粉含量較高。分級研磨是將部分粗粉磨細，然后用細粉填充到粗粉中，所以可看到圖中出現了連在一起的雙峰。圖2中的煤粉進行級配，無疑其堆積密度遠高于圖1中的單磨機煤粉的堆積密度，即分級研磨的粒度級配堆積效率高于單磨機的堆積效率。

1.2.1單峰堆積效率

采用PFC2D對連續分布下不同平均粒徑的顆粒分別進行模擬計算，模擬結果如圖3所示。

圖3 等徑顆粒堆積模擬計算結果Fig.3 Simulation results of equal diameter particle accumulation

1.2.2雙峰堆積效率

運用PFC2D將2種不同粒徑分布的顆粒進行模擬計算，找尋細顆粒含量對顆粒整體堆積效率的影響規律，其中模擬的顆粒平均粒徑(D[4,3])分別為125 μm和15 μm。在平均粒徑為125 μm的顆粒中加入不同比例平均粒徑為15 μm的細顆粒后，堆積效率的變化情況如圖4所示。

圖4 雙峰級配模擬計算結果Fig.4 Simulation results of double-peak graded blending

由圖4可看出，隨著平均粒徑為15μm的細顆粒含量的增加，雙峰級配的堆積效率呈現出先增加后降低的趨勢。當細顆粒含量為20%時，堆積效率最高能達到83.52%，較單峰級配堆積效率平均提高了4.2%。因此，對雙峰級配制漿工藝而言，適當增大細粒含量，使細顆粒占比達20%左右，可以制得較高濃度的水煤漿。

2 工業試驗

內蒙古某公司年產20萬t甲醇項目目前采用水煤漿氣化技術，氣化水煤漿制備系統以鄂爾多斯本地低階煤為制漿原料，每天處理干煤約1344 t。制漿系統由2條棒磨機(φ3.2 m×4.5 m)生產線組成，2條全開無備用，每條棒磨機生產線每小時制漿能力為28 t干煤，采用單棒磨機制漿工藝。由于煤漿濃度偏低，使有效氣含量偏低，比煤耗、比氧耗偏高。同時煤漿中過多的水在爐內變為蒸汽后占用了一定空間，降低了氣化爐的轉化效率，嚴重影響了企業在行業內的競爭優勢。因此，為了提高制漿濃度、實現增產降耗，采用低階煤分級研磨高濃度水煤漿制備專利技術和設備進行煤漿提濃，對原有的制漿系統進行升級改造，涵括增設1臺CYM11000C1型超細研磨機。改造完成后，制漿系統由2套φ3.2 m×4.5 m棒磨機和1套CYM11000C1型超細研磨機組成，棒磨機2開無備用，超細研磨機常開。

2.1 煤質分析

公司氣化用煤來自周邊礦井，采用陽塔煤為制漿用煤，陽塔煤的煤質分析見表1。由表1可知，該生產用煤屬于中高水分、特低灰、中熱值、中等可磨的低階不黏煤，灰熔融性溫度較低，有利于GE氣化爐平穩運行，該煤種屬于難成漿煤種。

表1 陽塔煤的煤質分析數據Table 1 Coal quality analysis data of Yangta coal

2.2 改造方案

2.2.1工藝流程

原有煤漿制備系統為單棒磨機制漿工藝，生產流程如圖5所示。具體過程如下:經過破碎的煤、制漿水和水煤漿添加劑由棒磨機入口進入，經過棒磨機內鋼棒的研磨后，漿體通過棒磨機末端的滾筒篩，符合要求的煤漿通過滾動篩進入低壓煤漿槽，再由煤漿泵輸送至高壓煤漿槽供氣化使用。該工藝雖流程相對簡單，但所制水煤漿的粒度分布不合理，漿濃度偏低，存在著流態及穩定性差等問題。

圖5 原有制漿系統工藝流程Fig.5 Process flow chart of original pulping system

原生產系統經過改造后新增1套細漿制備系統。改造后的制漿工藝為“分級研磨制漿工藝”，該工藝將“選擇性粗磨”和“超細研磨”進行有機結合，增加煤粉顆粒的堆積效率，優化產品的流動性及穩定性，其工藝流程如圖6所示，其中虛線內為新增細漿制備系統。

圖6 改造后制漿系統工藝流程Fig.6 Process flow chart of pulping system after transformation

煤漿槽中少部分煤漿(20%)通過配漿泵輸送到粗漿槽，并與配水管道的流量值形成串級(配水管道帶有與配漿泵流量形成串級的調節閥)，通過自動計算后配入一定量的工藝水，稀釋后的煤漿通過泵送入超細研磨機，研磨合格的細漿最終通過細漿泵重新輸送至棒磨機中。此套工藝可優化煤漿粒度級配，適當增加大小顆粒的粒徑差，顯著改善其流變性，達到提濃降耗的目的。

2.2.2主要設備

根據生產規模改造配置1臺CYM11000C1型超細研磨機，整套系統共配置2臺配漿泵、2臺粗漿泵、3臺細漿泵，主要設備及相關參數見表2。

表2 新增主要設備及相關參數一覽表Table 2 List of new main equipment and correlation parameter

2.3 運行效果

原有煤漿制備系統改造前后的煤漿指標見表3，其中水煤漿濃度采用干燥箱干燥法測定，表觀黏度采用同軸雙轉桶黏度計法測定，穩定性采用傾倒法測定。煤漿提濃前后氣化工段運行效果見表4。

表3 提濃系統開車前后水煤漿指標Table 3 Coal water slurry indicators before and after system open

表4 提濃系統開車前后氣化工段運行效果Table 4 Operating result of gasification section before and after system open

從表3可知，增加提濃系統后煤漿中煤粒的粒度級配得到優化，煤漿濃度提高2.6%，表觀黏度為821 mPa·s，且通過加入細漿，生產的水煤漿穩定性也有所好轉，析水率由原來的2.8%減至2.2%。細漿的加入改變了原有煤漿的粒度級配，適當增加煤漿中大小煤粒的粒徑差，使小顆?？筛行畛渲链箢w粒的間隙中，增加了顆粒間的空間位阻，減小了大顆粒沉降速度，穩定性有所好轉。

提濃系統運行后，棒磨機的出漿情況亦有所好轉，出料端滾筒篩不易堵塞，沖洗頻率降低，此為細漿加入后充當了顆粒之間的“潤滑劑”，在煤漿流動時，作為復合流的水煤漿，其垂向分布更加均勻，有利于減小流動阻力[15]。

從表4可知，通過增加煤漿提濃系統，氣化工藝的比煤耗由原來的563 kg/1 000 Nm3降至545 kg/1 000 Nm3，比氧耗由原來的363 Nm3/1 000 Nm3降至351 Nm3/1 000 Nm3，有效氣體積分數也由原來的80.26%提高到81.95%，主要因為水煤漿濃度提高后，進入氣化爐的水分減少，在氣化爐操作溫度不變的情況下，減少給氧量，使煤中的碳更多地向CO轉變，有效氣含量增加。改造后噸精甲醇耗煤及耗氧均有所降低，具有顯著的經濟效益，提高了企業的競爭力。

3 結 論

(1)根據分形級配理論，利用PFC2D對單峰堆積效率和雙峰堆積效率進行計算的結果表明，利用平均粒徑15 μm的煤粒填充平均粒徑125 μm的煤粒，形成的雙峰級配堆積效率最高可達83.52%，較單峰級配提高4.2%。

(2)根據計算結果在工業上進行驗證，采用分級研磨制漿工藝后，在氣化用煤和添加劑用量不變的前提下，水煤漿濃度由60.2%上升到62.8%，增加了2.6個百分點；水煤漿濃度提高后，氣化比煤耗降低了18 kg/1 000 Nm3，比氧耗降低了12 Nm3/1 000 Nm3，有效氣體積分數提高了1.69個百分點，噸精甲醇耗煤減少0.07 t，耗氧減少29 Nm3，經濟效益顯著。

(3)增加提濃系統后，煤漿的粒度分布得到優化，使煤漿的穩定性有所好轉，且通過細漿的“潤滑”作用，產品的流動性得以改善，棒磨機出料端更加順暢，減少了沖洗頻率。