新疆五彩灣煤制備氣化水煤漿的中試試驗研究

何紅興

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013；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試驗室，北京 100013；4.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點試驗室，北京 100013)

水煤漿是一種煤基流體燃料和氣化原料[1]，是由煤、水和添加劑經過一定的制漿工藝加工而成的，有良好的流動性和穩定性，具有燃燒效率高，環境污染小，經濟效益好的優點，是潔凈煤技術的重要組成部分[2]，符合我國節能減排和煤炭清潔高效利用的發展方向[3]。水煤漿多以變質程度較高的煤為原料[4]，但我國的低階煤資源儲量豐富，利用低階煤制漿可拓寬制漿用煤來源[5，6]，降低制漿成本，具有重要的研究意義[7]。針對低階煤成漿濃度偏低的難題，國家水煤漿工程技術研究中心做了大量的研究工作[8-10]，先后開發出分級研磨制漿工藝和間斷級配制漿工藝[11]。間斷級配制漿工藝是在張榮曾教授“隔層堆積理論”和費祥俊教授“漿體水力學研究”的基礎上提出的[12，13]，該技術優化了煤漿的粒度級配[14]，在保證煤漿流動性的前提下實現煤顆粒的最大填充，可使煤漿濃度提高6個百分點以上，提高了水煤漿燃燒和氣化效率[15]。國家水煤漿工程技術研究中心采用該工藝建成1套煤漿產量0.5t/h水煤漿中試試驗裝置[16]，先后以神華、榆林等多種煤進行中試試驗，煤漿濃度較傳統工藝可提高6～8個百分點。本研究以新疆五彩灣煤為原料進行了成漿性試驗，并在此基礎上進行中試試驗，為低階煤制備高濃度水煤漿技術的工業化應用提供參考。

1 成漿性試驗

1.1 試驗原料

試驗原料煤為新疆五彩灣煤，在收到原料煤后對其進行分析測試，分析數據見表1、表2。

由表1、表2數據可知，制漿用原料煤的水分為6.58%，水分含量較低，干基灰分為4.10%，屬于特低灰煤，可燃基揮發分為30.35%，屬于中高揮分發煤，干基硫分為0.41%，屬于特低硫煤，干燥基高位發熱量為28.89MJ/kg，屬于高熱值煤，流動溫度在1290℃，屬于中等流動溫度灰。

表1 試驗用煤的煤質分析

表2 試驗用煤的灰熔融性分析

1.2 試驗方法

1.2.1 實驗室的成漿性試驗

利用實驗室小型設備模擬工業化生產中的制漿設備，完成制漿環節。實驗室的制漿試驗分別采用傳統制漿工藝和間斷級配制漿工藝。

1)傳統制漿試驗：將原料煤破碎到3mm以下，并投入棒磨機中研磨，每次入料2.5kg；根據磨礦特性和出料粒度要求選擇不同的磨礦時間，分析樣品達到粒度要求后停止磨礦；然后按設定濃度，向制漿容器中加入煤粉、水及添加劑，用電動攪拌器進行攪拌制漿，然后對水煤漿產品進行分析檢測。

2)間斷級配制漿試驗：將試驗原煤破碎至3mm以下，并投入棒磨機中研磨；根據磨礦特性與出料粒度要求選擇不同的磨礦時間；將研磨后的煤粉取出用電動振篩機進行干法篩分，測出其粒度分布，直到達到相關的粒度要求為止；取出制備好的粗粒度煤粉，然后采用不同規格標準篩對粗煤粉進行篩分，將篩下物再放入超細研磨機中研磨；對細粉使用馬爾文MS3000型激光粒度分布儀測定其粒度分布，至煤粉平均粒徑在75μm以下；制備出合格的原料粗粉和細粉后，按照設定的粗、細煤粉比以及濃度，加入粗粉、細粉、水及添加劑進行調漿，并對成品漿進行分析。

水煤漿濃度的測定按照國標《水煤漿試驗方法—濃度測定》(GB/T 18856.2)進行；水煤漿黏度的測定按照國標《水煤漿試驗方法—表觀黏度測定》(GB/T 18856.4)進行。水煤漿的流動性能采用的方法是目測法，把煤漿流動性能分為A、B、C三個等級：連續流動(A)、間斷流動(B)、不流動(C)，為了表示屬于某一等級范圍流動性的較小差別，分別用“+”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。水煤漿穩定性采用傳統的插棒法進行測試：將被測漿樣密閉放置24h后插棒觀測，根據以下標準判定：A級是漿體穩定性最好，漿體保持其初始狀態，無析水，無沉淀產生；B級是漿體穩定性較好，漿體存在少量的析水或少許軟沉淀產生；C級是漿體穩定性較差，有沉淀產生，但經攪拌作用后沉淀消失；D級是漿體穩定性最差，漿體產生部分沉淀或全部硬沉淀，無法通過攪拌后再生。水煤漿粒度分布采用馬爾文MS3000型激光粒度分布儀測定，該儀器能自動計算出被測樣品的平均粒度，測出的平均粒徑為體積平均粒徑。

實驗室成漿性試驗所用的主要儀器見表3。

1.2.2 中試生產線的成漿性試驗

中試生產線主要包括細漿制備系統和粗粉制備系統，破碎后的原料煤通過行車吊裝至原煤倉內，原煤倉中的原煤可通過三通閥將其分成兩部分，一部分進入細漿制備系統，一部分進入粗粉制備系統。細漿制備系統通過棒磨機和臥式細磨機制備原料細漿，臥式細磨機是制備細漿的核心設備，設備采用水平單懸臂軸的旋轉，帶動研磨介質進行圓周運動，其線速度達到10～15m/s，通過動態渦輪離心分離裝置分離出研磨介質和細漿，細漿通過篩網順利流出。粗粉制備系統通過輥式破碎機制備原料粗粉，輥式破碎機是制備粗粉的關鍵設備，利用多個高強度耐磨合金破碎輥相對旋轉產生的高擠壓力和剪切力來破碎物料，該設備能實現只破碎大顆粒不破碎小顆粒，可將煤粉粒徑精準控制在0.2～1mm。制備出的原料細漿和粗粉根據設定的比例混合進入高剪切均質槽內，進行剪切、均質和熟化后制得產品水煤漿，最后將產品煤漿取出進行分析檢測。中試生產線工藝流程如圖1所示。

表3 實驗室成漿性試驗所用的主要儀器

圖1 中試試驗的工藝流程圖

中試試驗所用的主要設備見表4。

2 成漿性試驗結果與討論

2.1 實驗室成漿性試驗

分別采用傳統制漿工藝和間斷級配制漿工藝進行制漿試驗，后者作為重點工藝進行試驗研究。傳統制漿工藝是模仿工業上的傳統單棒磨機或球磨機制漿，將破碎后的原料煤、添加劑和水按照設定的比例加入到制漿容器內，經攪拌后制得產品水煤漿。采用傳統制漿工藝，在添加劑用量為干基煤的0.3%條件下進行成漿性試驗，試驗結果見表5。

表4 中試試驗的主要設備

表5 傳統制漿工藝的成漿性試驗

由表5傳統制漿工藝的試驗結果可知：隨著制漿濃度的提高，水煤漿的表觀黏度逐漸增大，水煤漿的流動性變差；水煤漿的穩定性較好，存在少量的析水或少許軟沉淀產生；綜合考慮表觀黏度和流動性等因素，該煤樣在傳統制漿工藝下的最高成漿濃度為51.01%，煤漿的流動性為B-，煤漿為間斷流動。

采用間斷級配工藝，制備出合格的原料粗粉和細粉后，在粗、細粉質量比為6∶4，添加劑用量為干基煤質量的0.3%條件下進行成漿性試驗，試驗結果見表6。

表6 間斷級配制漿工藝的成漿性試驗

由表6間斷級配制漿工藝的試驗結果可知：隨著制漿濃度的提高，水煤漿的表觀黏度逐漸增大，水煤漿的流動性變差；由于細漿的加入，細顆粒起到了潤滑和增黏作用，水煤漿的穩定性變好，漿體保持其初始狀態，無析水和沉淀產生；采用間斷級配制漿工藝，在添加劑用量為0.3%的條件下，綜合考慮流動性和表觀黏度指標達到較好狀態時，該煤種最高成漿濃度可達57.08%。

2.2 中試生產線成漿性試驗

根據實驗室得到的基礎數據，適量調節細漿和粗粉的粒度，按照粗粉和細漿的干基比為6∶4，綜合考慮到中試裝置添加劑的計量精度和損耗情況，適當增大添加劑的添加比例，用量為干基總煤量(粗粉+細漿)的0.5%，煤漿的處理量為0.3t/h，細磨機的進料濃度為45%，按照中試工藝流程進行了中試成漿性試驗。將制備出的粗粉與細漿按干基煤比6∶4加入到高剪切槽內，經過一定時間的高速剪切均質熟化，制備出合格的成品煤漿。中試試驗過程中的細漿系統和粗粉系統的運行情況見表7。

表7 中試生產線的運行參數

由表7細漿制備系統運行參數可知：按照設定的煤漿處理量0.3t/h，細磨機的進料濃度為45%，裝置運行穩定后，分析細漿的實際平均濃度為44.62%，細漿的平均粒徑為25.10μm；由表7粗粉制備系統運行參數可知：粗粉制備系統運行穩定后，粗粉系統的處理量為0.15t/h，粗粉的入料粒徑小于6mm，經輥式破碎機破碎后的出料平均粒徑為小于1.5mm。

中試生產線進行4h連續運轉，得到了一系列試驗結果見表8。

表8 中試生產線的成漿性試驗

試驗采用馬爾文MS3000型激光粒度儀對中試生產線的產品煤漿進行粒度分布測試，結果如圖2、圖3所示。

圖2 產品煤漿的區間粒度分布

圖3 產品煤漿的累計粒度分布

由表8可知：粗粉系統輥式破碎機的出料粒度較穩定；細漿制備系統由于粗漿槽內需有50%以上的粗漿液位，在棒磨機穩定運行后才開始啟動細磨機，在系統運行初期，細磨機出料的平均粒度偏粗，隨著運行時間的增加，設備狀態逐步改善，最終達到最佳運行狀態；此時，細漿的出料平均濃度約為44.62%，細漿的平均粒度約25.10μm，制備出成品煤漿的平均濃度為56.19%，漿體的流動性較好。由圖2可以看出，產品煤漿在50μm粒級附近的含量較少，出現了中間部分的間斷，這是由于制漿工藝中細磨機的加入，把本來粒度連續的部分大顆粒研磨的更細，使得細顆粒的峰值出現在25μm左右。

比較實驗室制漿試驗和中試制漿試驗結果可知：實驗室的基礎數據能夠很好地指導中試試驗，且中試試驗結果也驗證了實驗室試驗的基礎理論，對將來工業化應用起到了很好的指導作用。

3 結 論

1)采用傳統制漿工藝，該試驗煤種的最高成漿濃度僅為51.01%，屬于難成漿煤種，煤漿的流動性和穩定性較好。

2)采用間斷級配制漿工藝，該試驗煤種的最高成漿濃度可達57.08%，較傳統制漿工藝相比可提高6個百分點；由于細漿的加入，優化了煤漿的粒度分布，實現煤漿粒度的高效緊密堆積，成漿濃度大幅度提高，且細顆粒在煤漿中起到很好的潤滑和增黏作用，煤漿的流動性和穩定性得到明顯改善。

3)采用中試生產線制漿工藝，中試裝置運行穩定后細漿平均濃度為44.62%，細漿的平均粒度約25.10μm，制備出成品煤漿濃度為56.19%，較傳統制漿工藝相比提高5個百分點，但低于實驗室的間斷級配制漿工藝；中試試驗結果驗證了實驗室的小試結果。