提高新疆硫磺溝煤成漿性實驗研究

宋曉玲，張永龍，李 慧

(1.新疆天業(yè)(集團)有限公司，新疆 石河子 832000；2.新疆天業(yè)匯合新材料有限公司，新疆 石河子 832000)

新疆蘊藏著大量的煤炭資源，經(jīng)查明的保有儲量為3 915億t，占全國儲量的24.5%[1]。準(zhǔn)南、什托洛蓋、三塘湖3個煤田均大于1 000億t[2]。準(zhǔn)南煤田包括艾維爾溝、呼圖壁白楊河、昌吉硫磺溝、昌吉阜康瑪納斯塔西河等礦區(qū)，且普遍為低階煤，該類煤種具有內(nèi)水高、煤質(zhì)年輕、灰熔點高、孔隙發(fā)達(dá)等特點[3]，普遍用于燃料煤。為了提高低階煤的成漿性，國內(nèi)外許多學(xué)者對此作了大量研究，包括顆粒級配[4]、微波/超聲輻照[5，6]、熱處理[5]、開發(fā)高效分散劑[7，8]、水熱脫水工藝[9，10]與石油焦混合[11]、配煤[12，13]等。

昌吉硫磺溝煤礦年產(chǎn)90萬t，但該煤種成漿性較差，在水煤漿氣化方面優(yōu)勢不足。新疆天業(yè)匯合新材料有限公司擁有4臺晉華爐，該裝置于2020年8月開車成功。為降低原料成本，該公司通過提高添加率、改變煤粉粒度分布、利用當(dāng)?shù)夭煌悍N摻配硫磺溝煤的方法來提高水煤漿性能，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 實驗

1.1 實驗樣品來源及工業(yè)分析

原料煤來源：硫磺溝煤、中煤、烏冬煤、黑山煤；添加劑來源：臨猗縣科華工貿(mào)有限公司，其主要成分為木質(zhì)素磺酸鈉。

按照GB474—2008、GB/T212—2008、GB/T211—2007、GB213—2008的方法對原料煤進(jìn)行分析，原料煤工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 原料煤工業(yè)分析

從表1中可以看出，4種煤均屬于低階煤，其中黑山煤的揮發(fā)分最高32.76%，灰分最低8.81%，中煤內(nèi)水最低0.90%，硫磺溝內(nèi)水較高1.96%，各煤的變質(zhì)程度不同，水分、灰分、固定碳有較大差異。

1.2 水煤漿制備

實驗采用干法研磨、濕法制漿的方式制備水煤漿樣品。將原料煤用顎式破碎機粉碎成一定粒度，然后用小型棒磨機制粉，根據(jù)煤的可磨指數(shù)和制氣化用水煤漿的粒度要求，控制磨制時間，制得所需粒度分布的煤粉。按照所需的配比稱取煤粉，加入添加劑、一次水，在電子攪拌器1 000 r/min下攪拌10 min，制備好的水煤漿靜置3 min排出氣泡，檢測料漿的性能參數(shù)。

配煤制漿中，在相同添加率(干劑/干煤=0.2%)條件下，硫磺溝煤漿與其他3種煤漿質(zhì)量比選為 7∶3，6∶4，5∶5，4∶6。配煤實驗用各煤種的粒度分布見表2。

表2 配煤實驗中各煤種的粒度分布 %

1.3 料漿性能測定方法

(1)濃度測定。采用 GB/T 18856.2—2008 中規(guī)定的紅外干燥法測定水煤漿的濃度。檢測設(shè)備為梅特勒-托利多國家貿(mào)易(上海)有限公司生產(chǎn)的 HX-204 型號快速水分分析儀。

(2)黏度測定。采用 GB/T 18856.4—2008 中規(guī)定的方法測定水煤漿的表觀黏度。檢測設(shè)備為成都儀器廠生產(chǎn)的 NXS-4C 型號黏度計。在溫度為 20 ℃的恒溫水浴中，將適量均勻的水煤漿試樣倒入測量容器中，首先靜止恒溫 5 min，然后使剪切速率從 0 s-1升至 100 s-1，在剪切速率為 100 s-1時，每隔 12 s 記錄1次試驗數(shù)據(jù)，共計 6 次，然后將所有數(shù)據(jù)取平均值，即為水煤漿的表觀黏度。

(3)穩(wěn)定性測定。水煤漿經(jīng)過長時間儲存后會有分層：上層是半透明的析水層，中間是比較軟的沉淀層，最下層是硬沉淀層。本實驗采用玻璃棒穿透試驗，通過測量穿透率隨儲存時間的變化來評估水煤漿的穩(wěn)定性。將制備后的水煤漿儲存在密封的 100 mL量筒中，在室溫下放置 24 h。用玻璃棒從水煤漿表面自由落到底部，當(dāng)尖端接觸到硬質(zhì)沉積物時停止。通過析水率和穩(wěn)定率來表征水煤漿的穩(wěn)定性。靜置48 h后的水煤漿分層示意見圖1。

圖1 靜置48 h后的水煤漿分層示意

(4)流動性測定。采用100 mL煤漿通過漏斗的時間來表示(漏斗上口直徑120 mm，下口直徑18 mm，管高45 mm，總高度130 mm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加劑量對成漿性的影響

采用同種添加劑，在添加劑添加率為1‰、2‰、3‰條件下，測定了黏度600 mPa·s以下的硫磺溝煤單一成漿的煤漿性能(見表3)。

從表3中可以看出，硫磺溝兗礦煤可以單獨制漿，但穩(wěn)定性較差，當(dāng)添加率達(dá)3‰時，析水率最低5%，穩(wěn)定率最高為92%，即靜置24 h后，有8%的硬沉淀，無法滿足水煤漿氣化裝置生產(chǎn)需求。在同一添加率條件下，煤漿隨著質(zhì)量濃度的升高，黏度逐漸增加，流動性逐漸降低，但穩(wěn)定性沒有明顯變化。隨著添加率的提高，當(dāng)黏度為600 mPa·s時，煤漿濃度逐漸提高，但穩(wěn)定性沒有得到明顯改善。綜合考慮，添加率為2.0‰，煤漿質(zhì)量濃度最高為 62.84%，此時煤漿黏度為 579 mPa·s。

表3 添加率對硫磺溝煤成漿性影響實驗

2.2 粒度對成漿性的影響

通過控制原煤磨制時間，以200目通過率為基準(zhǔn)，使其通過率分別為45%，65%，80%，為連續(xù)粒度分布，記作樣品1、樣品2、樣品3。在添加率為2.0%的條件下，測定了硫磺溝煤單一成漿的煤漿性能。樣品粒度分布見表4。粒度分布對成漿性的影響見表5。

表4 硫磺溝煤粒度分布 %

表5 粒度分布對成漿性的影響

從表4、表5中可以看出，具有連續(xù)顆粒級配的3種樣品，其流變特性、穩(wěn)定性均發(fā)生了變化。在同一濃度條件下，隨著煤粉200目通過率的提高，黏度逐漸增加，流動性逐漸降低，穩(wěn)定性明顯提高。當(dāng)煤粉200目通過率達(dá)79.25%時，質(zhì)量濃度60.57%，黏度838mPa·s，析水率降至0%，穩(wěn)定率達(dá)100%。

當(dāng)煤漿粗顆粒較多時，煤漿表觀黏度下降，流動性變好，但粒子的重力將超過粒子間的凝聚力，引起懸浮體系沉降、分層，穩(wěn)定性變差。當(dāng)煤漿中的細(xì)顆粒較多，粒子間的相互作用力增大，形成更多的黏滯性粒子凝聚團，穩(wěn)定性提高。但是，煤漿表觀黏度會隨平均粒徑的減小而迅速增大，流動性變差。因此，需結(jié)合實際生產(chǎn)情況，選擇適當(dāng)?shù)牧６确植际侵迫「邼舛取⒘鲃有院谩⒎€(wěn)定性好的水煤漿的根本保證。

2.3 其他煤種的最優(yōu)成漿濃度

在添加率為2‰的條件下，測定了中煤、烏冬、黑山3種煤單獨成漿的煤漿性能，選取各煤種最優(yōu)成漿性能參數(shù)，結(jié)果見表6。

表6 各煤種最優(yōu)成漿性能參數(shù)

從表6中可以看出，3種煤制煤漿的最高濃度差距較大，結(jié)合各煤種工業(yè)分析可知，這與煤種的物性有關(guān)，中煤內(nèi)在水最低為0.9%，煤的內(nèi)水含量是影響水煤漿濃度關(guān)鍵因素[14]，內(nèi)在水是水分通過煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)入到煤的內(nèi)部，并停留其中的水分。煤的內(nèi)在水在制漿過程中不參與漿體的流動，內(nèi)在水含量高時，會占據(jù)流動水的份額，使作為流動介質(zhì)的自由水份額減少，導(dǎo)致其不易成漿[15]。

2.4 硫磺溝兗煤與不同煤種混合成漿的特性

硫磺溝煤分別與中煤、烏冬、黑山在各煤最優(yōu)成漿條件下混合制漿，結(jié)合實際生產(chǎn)，添加劑添加率2‰，硫磺溝煤與不同煤種按照質(zhì)量比為4∶6，5∶5，6∶4，7∶3摻配，分析所制得的水煤漿成漿特性(見表7)。

從表7中可以看出，中煤、烏冬、黑山均能不同程度地提高硫磺溝煤的成漿性。硫磺溝煤與成漿性高的中煤、烏冬摻配時，混合后煤漿的濃度隨著硫磺溝煤比例的增加而降低。硫磺溝煤和中煤質(zhì)量比為4∶6時，濃度可達(dá)65.79%，黏度為578 mPa·s，且此時穩(wěn)定性明顯提高。在相同質(zhì)量比條件下，硫磺溝煤與烏冬煤摻配后煤漿的穩(wěn)定性提高最為明顯。

表7 硫磺溝煤與不同煤種混合成漿特性

3 結(jié)論

(1)硫磺溝煤可以單獨制漿，但穩(wěn)定性較差，析水率高，且24h后有硬沉淀生成。隨著添加率的提高，煤漿濃度逐漸提高，但穩(wěn)定性沒有得到明顯改善。單一成漿最優(yōu)條件為添加率2.0‰、煤漿濃度最高為 62.84%，此時煤漿黏度為 579 mPa·s。

(2)在相同添加率、同一濃度條件下，隨著煤粉200目通過率的提高，黏度逐漸增加，流動性逐漸降低，穩(wěn)定性明顯提高。

(3)中煤、烏冬、黑山均能不同程度地提高硫磺溝煤的成漿性。硫磺溝煤與烏冬煤摻配后，煤漿的穩(wěn)定性提高最為明顯；與中煤質(zhì)量比為4∶6時，濃度可達(dá)65.79%，黏度578mPa·s，且此時穩(wěn)定性明顯提高。