分級研磨制備高濃度水煤漿技術研探

李興義 新疆美克化工股份有限公司 庫爾勒 841000

煤炭是我國的基礎能源，約占能源消費總量的70%，在未來相當長的一段時間內，以煤炭為主的能源結構難以改變。水煤漿氣化屬清潔煤生產技術的重要組成部分，20世紀80年代初期，我國就已開始研究并逐步應用此技術。經過40多年的探索，目前我國水煤漿氣化技術已達世界先進水平，并廣泛應用于化工、發電及城鎮燃氣制備等領域，應用規模均居世界第一[1]。制漿工藝是水煤漿氣化的核心技術之一，完善的制漿工藝對于提高水煤漿的質量和降低水煤漿的成本起著至關重要的作用。但是，在我國氣化水煤漿制備行業中，多采用單磨制漿工藝，這樣會存在水煤漿粒度偏粗、級配不盡合理、濃度低等問題，直接影響水煤漿氣化效率的提高[2]。

作為氣化用水煤漿，其濃度和質量越高，氣化效率也越高。不同質量的煤種，定黏成漿濃度也不一樣。分級研磨制漿是相對傳統單磨制漿開發的一項新技術，其技術核心是采用分級研磨的方式制取不同粒徑的煤炭顆粒，并按一定的比例進行級配制取高濃度的水煤漿。在相同煤種、煤質、添加劑的條件下，分級研磨制漿較傳統單級研磨制漿，其濃度可提高約3個百分點，在生產中能提高氣化效率，降低氣化氧耗、煤耗，最終降低生產成本。分級研磨高濃度制漿工藝流程如圖1所示：

圖1 分級研磨高濃度制漿工藝流程

目前，分級研磨制漿技術已成功在沿海地區推廣應用，包括廣東、福建、浙江和江蘇。一些大型集團，如神華集團、新奧集團、大唐集團等也已應用，規模達1000萬噸/a，原料煤涉及褐煤、長焰煤和無煙煤。

1 成漿性試驗研究內容

（1）成漿性試驗所采用的儀器及主要方法。

（2）試驗用煤樣性質分析。

（3）分級研磨制漿工藝的成漿濃度、流變特性、流動性及穩定性試驗。

（4）傳統單磨制漿工藝的成漿濃度、流變特性、流動性及穩定性試驗。

（5）通過對比試驗數據，對兩種制漿技術的成漿性試驗給出結論。

2 成漿性試驗概述

2.1 試驗儀器

（1） TJCPS-180×150全密封錘式破碎縮分機。

（2）XMB-Φ240×300棒磨機。

（3）QHJM-3超細研磨機。

（4）GS-86型電動振篩機。

（5）MD110-2電子天平（精確度0.0001g）。

（6）DT500A電子天平（精確度0.01g）。

（7）101-DA型電熱鼓風干燥箱。

（8）HB43型梅特勒快速水分測定儀。

（9）NXS-4CNXC-4C型水煤漿專用黏度儀。

（10）BT-2002型激光粒度分布儀。

（11）JJ-1型定時電動攪拌器。

試驗中棒磨機配棒方案及細磨機配球方案見表1。

表1 棒磨機配棒方案及細磨機配球方案

2.2 試驗方法

2.2.1 煤漿成漿性試驗

成漿性是指用原料制備煤漿的難易程度及判斷制成的煤漿性能好壞的標準，優良的水煤漿應具有理想的流變特性、流動性、穩定性和較高的成漿濃度。本制漿實驗操作過程如下：

（1）根據氣化要求，水煤漿粒度分布：粒徑在0.075 mm以下的顆粒占比≥40.0%；粒徑在0.45 mm以下的顆粒占比≥86.0%；粒徑在1 mm以下的顆粒占比≥97.0%；漿體最大表觀粘度按照1200 mPa·s考慮。本成漿性試驗按照上述要求進行。

（2）將磨好的煤粉、一定量的添加劑和水加入燒杯中，然后用JJ-1型定時電動攪拌器攪拌6 min。

（3）將制備好的煤漿進行表觀黏度、濃度測試，并妥善保存，以方便進行流變特性、流動性及穩定性的試驗研究。表觀黏度用NXS-4C型水煤漿黏度儀測定，濃度用HB43型梅特勒快速水分測定儀測定，流動性采用目測法測定，穩定性用靜止觀察法測定，以考察不同制漿條件下水煤漿的表觀黏度及穩定性情況。

水煤漿濃度的測定參見GB/T 18856.2—2008，水煤漿黏度的測定參見GB/T 18856.4—2008。

2.2.2 煤漿流變特性試驗

作為一種流體燃料，水煤漿具有流體的流變特性，其對于煤漿在工業方面的應用非常重要，理想的水煤漿具有屈服假塑性，且有適宜的觸變性。水煤漿流變特性是指水煤漿受外力作用發生流動與變形的特性，也可認為是指漿體受力時，表觀黏度、剪切應力與剪切速率的關系，它直接影響水煤漿在管道中的流動運輸[3]。一般用Herschel—Buckley模型表述煤漿的流變特性：

式中τ——剪切應力；

τ0——屈服應力，即剪切速率為0時的剪切應力；

K——稠度系數（也叫剛性系數或塑性黏度）；

γ——剪切速率；

n——流動指數。

水煤漿的流變類型可分為牛頓體、賓漢體、假塑體或屈服假塑體、脹性體。

當τ0=0，n=1時，簡化成τ = Kγ，為牛頓流體模型；

當n=1時，簡化成τ = τ0+ Kγ，為賓漢塑性體模型；

當τ0=0時，簡化成τ = Kγn，n＞1時為脹性體模型，n＜1時為假塑性體模型；

當τ = τ0+ Kγn時，為屈服假塑性體模型。

表觀黏度與剪切速率關系如圖2所示，剪切應力與剪切速率關系如圖3所示。

圖2 表觀黏度與剪切速率關系

圖3 剪切應力與剪切速率關系

良好的水煤漿，靜態時在較大黏度下不發生沉淀。動態時有較低黏度，便于輸送及霧化燃燒。符合此要求的有賓漢塑性體、屈服假塑性體，它們均有剪切變稀效應（隨剪切速率增加，表觀黏度變小）[4]。

本次研究中，水煤漿的流變特性檢測采用旋轉黏度計法測量，試驗儀器采用四川領度儀器有限公司生產的NXS-4CNXC-4C型水煤漿專用黏度計，該儀器具有手動操作和自動操作選擇，操作簡單、測量迅速。可自動測量、輸出、記錄水煤漿的黏度、剪切速率、剪切應力及流變形態。

2.2.3 煤漿流動性試驗

水煤漿流動性的測定采取目測法，用特定帶有刻度及旋塞的漏斗進行滴落試驗，漏斗下液管直徑為15mm，漏斗內盛300ml的水煤漿，打開旋塞在自然狀態下觀察水煤漿的下流狀態，根據水煤漿下流狀態將流動性劃分為A、B、C三個等級，每個等級的劃分如下：

連續柱狀流動：A，間斷柱狀流動：B，滴狀或不流動：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“－”加以區分，“＋”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。

2.2.4 煤漿穩定性試驗

水煤漿的穩定性是衡量水煤漿產品質量好壞的一個關鍵指標。水煤漿的穩定性表示顆粒抗沉降的能力，即能維持不產生硬沉淀（指無法通過攪拌使水煤漿重新恢復原態的沉淀物）的性質。在煤氣化的生產過程中，水煤漿的穩定性比其流動性、濃度更為重要，因為它決定了水煤漿在生產過程中是否能夠被穩定存放、輸送，氣化裝置能否穩定、正常運行。

水煤漿的穩定性試驗采用插棒法：將被測水煤漿試樣密閉靜置8 h后，插棒觀測。水煤漿的穩定性的判定分成四個等級，具體情況如下：

A級為漿體保持其初始狀態，無析水和沉淀產生；

B級為少量的析水或少許軟沉淀產生；

C級為有沉淀產生，密度分布不均，經攪拌作用后可再生；

D級為產生部分沉淀或全部硬沉淀。

水煤漿穩定性示意圖如圖4所示。

圖4 水煤漿穩定性示意圖

3 煤質分析

不同煤種質量有較大的差異，通過分析煤質的各項指標，對于判斷煤種制漿的難易程度及煤漿氣化效果有很大的作用。實驗煤分析數據表見表2～表4：

表2 實驗煤分析數據表（1）

表3 實驗煤分析數據表(2)

表4 實驗煤分析數據表(3)

根據煤質分析數據可知，該煤樣內含水較低、灰分低、中高揮發分、高熱值、中硫、可磨性指數較高，適合作水煤漿氣化原料。

4 分級研磨制漿工藝成漿性試驗

4.1 粗、細粒度煤粉的制備

4.1.1 粗粒度煤粉的制備

（1）先利用全密封錘式破碎機將原料煤破碎到7 mm以下，再利用棒磨機進行二次研磨，每次入料3000 g。

（2）根據出料粒度要求，確定棒磨機研磨時間，將二次研磨后的煤粉取出并留好試樣。

不同研磨時間的粒度分布（粗磨）見表5。

表5 不同研磨時間的粒度分布（粗磨）

當研磨時間達到35 min時，所制煤粉粒度小于1 mm的占比為97.28%，此樣留作細粒度煤粉的制備及常規制漿試驗。

4.1.2 細粒度煤粉的制備

（1）將制備好的部分粗粒度煤粉放入超細研磨機中進行細磨，每次投料500 g。

（2）為獲得不同粒徑的煤粉，細磨時間選擇30 min、40 min、50 min三個時段，并將每個時段磨出的煤粉取出。

（3）針對每個時段磨出的煤粉使用BT-2002型激光粒度分布儀測定其粒度分布，試驗結果見表6。

表6 不同磨礦時間的粒度分布（細磨）

（4）當磨礦時間為50 min時，煤粉粒徑在75 μm以下的占比達到100%，平均粒徑15.33 μm。粗、細粒徑煤粉的合理搭配，按照磨礦時間50 min的細粒度煤粉留樣試驗。

4.2 添加劑的選擇

4.2.1 試驗依據

煤是疏水性的，添加劑的主要作用是改善煤表面的親水性，降低煤水表面張力，使煤粒充分潤濕并均勻分散在少量水中，改善水煤漿流動性，降低水煤漿黏度，同時使煤粒在水中保持長期均勻分散。但是，由于不同煤的特性、表面結構等不同，使之對添加劑有一定的選擇性。因此，需通過比較來確定適宜的添加劑。

4.2.2 試驗方法

試驗選用四種不同種類的添加劑進行比較，均為國內較好的添加劑系列（木質素、萘系、木質素改性、脂肪族）。

試驗條件為：粗+細=85+15，該煤樣的設計濃度都為60%，添加劑添加量為0.3%（干基/干粉），采用四種添加劑進行成漿性試驗。觀察比較水煤漿的黏度、流動性和穩定性等指標，四種添加劑成漿性能比較見表7，不同藥劑表觀黏度如圖5所示。

圖5 不同藥劑表觀黏度

由試驗結果可以看出，該煤樣在濃度為60%，添加劑添加量為0.3%(干基/干粉)的條件下，從表觀黏度、流動性、穩定性等指標看，四種添加劑性能由好到差的排序：木質素改性＞萘系＞脂肪族＞木質素。其中，木質素改性的分散性能最好，黏度最低，流動性最好。綜合考慮，本次試驗選擇木質素改性為整個成漿性試驗用添加劑。

4.3 最佳添加劑用量試驗

添加劑用量取決于添加劑本身對煤種的適應性，且添加劑用量決定水煤漿的生產成本，進而影響水煤漿氣化的經濟效益，因此，選擇最佳的添加劑用量至關重要。

試驗中，該煤樣設計濃度為60%，強力攪拌6 min，以改變木質素改性添加劑的用量，制成一系列的水煤漿。觀察水煤漿表觀黏度隨添加劑用量變化的規律，根據改善效果和生產成本進行綜合考慮，可得到最佳添加劑用量。最佳添加劑用量實驗數據見表8，水煤漿表觀黏度隨添加劑用量的變化規律如圖6所示。

表8 最佳添加劑用量實驗數據

圖6 水煤漿表觀黏度隨添加劑用量的變化規律

根據以上試驗結果，該煤樣在設計濃度為60%的條件下，隨著加入添加劑量的逐漸增加（干基：0.1%～0.7%），漿體性能得到改善。當煤樣的添加劑用量為0.3%（干基/干粉）時，表觀黏度≤1200 mPa·s，且表觀黏度大幅降低，流動性顯著改善。綜合考慮漿體性能及添加劑成本，最終確定煤樣的煤漿最佳添加劑用量為0.3%（干基/干粉）。

4.4 最佳粒度級配的確定

粒度級配是控制水煤漿性能指標的重要參數之一，其對于制備水煤漿和改善水煤漿的穩定性、流動性、黏度等具有重要意義。研究表明，在制漿過程中，采用合理的粒度級配不僅可使煤顆粒達到較高的堆積密度，而且可使漿體達到很好的流動性和穩定性[5]。

本次試驗，將磨好的粗、細粉分別按照95+5、90+10、85+15、80+20、75+25的比例進行混合制漿，并就煤漿分別進行濃度、黏度、穩定性、流變特性等測試。試驗所用的添加劑為木質素改性，添加量為0.3%（干基/干粉）。 粒度級配的確定試驗結果見表9。

表9 粒度級配的確定試驗結果

從表7可以看出：以木質素改性為添加劑（0.3%），濃度隨著細粉的增加先由低變高，隨后又開始下降。當細粉添加量為15%時，該煤樣濃度可達60.57%；表觀黏度隨著細粉添加比例的增大也隨之增大；流變特性在本次配比范圍內沒發生實質性的改變；流動性隨著細粉添加比例的增加逐漸變好；穩定性隨著細粉添加比例的增加先逐漸變好，隨后開始變差；粒度分布合理，此時所得的煤漿各項指標均滿足氣化用漿的要求。

綜合各方面因素，分級研磨制漿工藝的最佳粒度級配確定為粗+細=85+15。

5 常規制漿工藝成漿性試驗

利用前面研磨所留的粗粒煤粉試樣，按照不同的設定濃度，分別加入定量的煤粉、添加劑和水制備成水煤漿，并對漿體的濃度、黏度、流動性和穩定性進行成漿性試驗研究。試驗所用的添加劑依然為木質素改性，添加量為0.3%（干基/干粉）。常規制漿工藝條件下的成漿性試驗結果見表10。

表10 常規制漿工藝條件下的成漿性試驗結果

從表10可以看出，當煤樣濃度達到58%時，煤漿的流動性、穩定性變得較差，采用單磨煤粉制漿，當添加劑加入量為0.3%（干基/干粉）時，最佳成漿濃度約為57%。該煤漿濃度相對較低，會影響后續的氣化效率，增加生產成本。

6 結語

根據試驗結果，分級研磨制漿技術能有效地改善煤漿粒度級配，其成漿性能優于單磨制漿技術。同種煤質在相同的表觀黏度下，其成漿濃度較常規工藝提高約3個百分點，且漿體的流動性、穩定性較常規制漿工藝也有顯著改善。