管輸煤漿提濃制備氣化水煤漿的工藝條件研究

李 磊，王崇峰，王東明，閆建黨，王鵬斐，王 靜

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；2.陜西神渭煤炭管道運輸有限責任公司，陜西 西安 710001)

0 引 言

管道輸煤與傳統鐵路運輸、汽車運輸相比，具有投資相對較低、環境影響小、輸送成本低等優點，實現了煤炭的綠色封閉輸送，是煤炭運輸方式的顛覆性變革。神渭管道輸煤工程采用的是中濃度管道輸煤技術，管輸煤漿安全輸送濃度為51%～55%。管道輸送的煤漿由于濃度較低，無法直接輸送至氣化爐氣化，必須進行二次提濃，以達到管輸煤漿直接氣化利用的目的。

水煤漿氣化爐要求煤漿濃度>60%，但工業實踐證明，煤漿濃度對水煤漿氣化的煤耗、氧耗及合成氣產率至關重要。煤漿濃度每提高1個百分點，比煤耗降低8～10 kg/Nm3，比氧耗降低8～10 Nm3/Nm3，有效合成氣增加0.7～0.8個百分點，低濃度的水煤漿會嚴重影響了水煤漿氣化效率與經濟性。王倩[1]對比了管輸煤漿與氣化水煤漿漿體特性，從制備設備、儲存、運輸、產品特點分析對比給出了設備工藝的合理建議；梁霏飛[2]針對長距離管輸煤漿對濃度、粒度組成等重要特性指標的特殊要求，分析了高濃度水煤漿與常規濃度水煤漿特性對長距離管輸的影響，選取適合長距離管輸的煤漿濃度、粒度組成；鄧業新[3]針對神華煤成漿濃度低的問題，進行了粒度級配制漿技術探究，發現煤顆粒的粒徑及含量均對漿體的性能有著重要影響；毛成龍[4]通過三峰級配制備高濃度水煤漿成套技術的研究及工業化應用的探索，發現三峰級配技術提高了水煤漿濃度和有效氣含量，擴寬了煤種的選擇范圍，為煤化工企業帶來了良好的經濟和社會效益。近年來，圍繞管輸煤漿制備和輸送此熱點，做了大量的研究，且取得了很多碩果，但大量研究集中于制備管輸煤漿和突破輸送技術，而終端管輸煤漿提濃技術研究較少，缺乏實驗數據、工藝參數。神渭管輸煤漿輸送工程是我國第1個案例。

基于此，筆者以神渭管輸煤漿脫水后的壓濾細煤和離心粗煤為實驗原料，考察了不同原料配比、不同添加劑添加量對管輸煤漿制備高濃度氣化煤漿的影響規律，其研究結果對管輸煤漿終端提濃具有較好的指導意義和參考價值。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗煤種采用管輸煤漿脫水后的離心煤和壓濾煤，管輸煤漿源頭礦區為陜煤集團的紅柳林煤礦，屬于較低變質程度的長焰煤煤種，其煤質分析數據見表1，煤的粒度分布分析結果見表2。

表1 煤樣工業分析

表2 離心煤、壓濾煤的粒度分布

1.2 實驗方法

實驗依托工藝流程設計，目前管輸煤漿終端提濃工藝為對中濃度管輸煤漿依次進行離心處理和壓濾處理，分別得到離心粗煤以及壓濾細煤；對壓濾細煤進行制漿，得到壓濾細煤漿，抽取部分壓濾細煤漿進行細磨處理和超細磨處理，分別得到細漿和超細漿；將離心粗煤、壓濾細煤漿、細漿和超細漿進行混合，得到氣化水煤漿。

針對上述工藝流程，筆者實驗主要開展單獨壓濾細煤成漿性實驗，研究不同細漿和超細漿加入比例及各原料最佳配比實驗，旨在探明各因素對管輸煤漿制備氣化水煤漿的影響，給出各工藝條件，供終端提濃工程參考。實驗通過產品的濃度、流動性能和表觀黏度進行衡量。

1.2.1單獨壓濾細煤成漿性實驗

壓濾細煤是管輸煤漿離心后煤泥水壓濾后的固含物，粒度較細，含水量較高，鍋爐燃燒價值較低，制備氣化水煤漿時盡可能增大壓濾細煤比例有利于提高管輸煤漿整體價值。筆者實驗主要進行單獨壓濾細煤的成漿性實驗，具體實驗步驟為：從樣品袋里取一定量的壓濾細煤，改變添加劑比例(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.6%、0.7%)，確定滿足流動性能≥10 cm，表觀黏度≤1 200 mPa·s條件下的最高成漿濃度，添加比例為添加劑干基與成品漿干基之比的1.001倍。

1.2.2離心粗煤、細漿和超細漿最佳配比實驗

離心粗煤是管輸煤漿經離心處理得到的固含物，粒度較粗，含水量較低，適用于水煤漿氣化、鍋爐燃燒等用途。通過對離心粗煤、細漿和超細漿進行混合實驗確定該煤種的最高成漿濃度，并確定細漿、超細漿的最佳比例，為下1步實驗提供對照參考。具體實驗步驟為：從樣品袋里取一定量的離心粗煤，用壓濾細煤制備部分細漿和超細漿，設定細漿與超細漿比例為2∶1，摻入超細漿+細漿比例分別為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%。固定添加劑比例為0.3%，確定滿足流動性能≥10 cm，表觀黏度≤1 200 mPa·s條件下的最高成漿濃度。

1.2.3不同原料的最佳配比實驗

以1.2.2節得出的實驗結果為基礎，設定離心粗煤、壓濾細煤、細漿和超細漿4種原料的不同配比，要求壓濾細煤、細漿和超細漿總比例不小于1.2.2節的實驗結果，分別設定比例為75∶15∶5∶5、70∶20∶5∶5、65∶25∶5∶5、75∶10∶10∶5、70∶15∶10∶5、65∶20∶10∶5、75∶5∶15∶5、70∶10∶15∶5、65∶15∶15∶5。固定添加劑比例為0.4%，確定滿足流動性能≥10 cm，表觀黏度≤1 200 mPa·s條件下的最高成漿濃度。

1.2.4水煤漿成漿性實驗

實驗基于制漿工藝[5-6]，采用干-濕聯用法制漿，添加劑為陰離子型甲基萘磺酸鹽甲醛縮合物(MF)。結合工業實際生產狀況，一次制漿總量為 220 g，添加劑的添加比例按1.2.1節中的實驗設定進行。

1.2.5水煤漿評價方法

評價氣化煤漿的成漿性能的關鍵指標是濃度[7]、黏度[8]、流動性[9]，此次研究在固定濃度的前提下，對黏度和流動性2個指標進行測量。煤漿黏度采用 NXS-4C 型旋轉黏度計進行測量，煤漿流動性的測量方法：將水煤漿注滿標準截錐圓模(上口徑、下口徑、高度分別為36、 60、 60 mm)，提起截錐圓模，在流動 30 s 后測定水煤漿在玻璃平面上自由流淌的最大直徑，用最大直徑來判斷水煤漿的流動性。

2 結果分析與討論

2.1 單獨壓濾細煤成漿實驗結果

由于壓濾細煤中煤顆粒粒度相對較細，且粒度分布集中，比表面積較大，所以單獨成漿濃度較低。考慮到壓濾細煤在整個管輸煤漿中占比為25%～30%，為實現壓濾細煤的全部再成漿回收利用，在保證漿體可輸送的狀態下，盡可能提高壓濾細煤漿體的濃度。其實驗結果見表3。

表3 單獨壓濾細煤制漿最高成漿濃度

由表3可知，壓濾細煤單獨成漿時，整體濃度較低，隨著添加劑比例的提高，最高成漿濃度呈現增高趨勢，煤漿穩定性能也逐步提高，但添加劑比例>0.5%后，濃度增幅迅速減緩，當添加劑比例<0.1%時，最高成漿濃度約52.22%，且穩定性能較差。造成上述現象的原因推斷為壓濾細煤粒度分布相對集中，無法形成高效填充，致使煤漿濃度較低；且壓濾細煤整體粒度較細，比表面積較大，添加劑加進去后，改變了煤粒的親疏水性，將部分間隙水釋放為自由水，有利于提高煤漿的濃度；當添加劑比例≥0.5%時，繼續增大比例，雖然也能提高濃度，但增幅明顯降低，可供轉化的間隙水減少，藥效減弱；當添加劑比例<0.2%時，煤漿濃度較低，單位體積內煤顆粒較少，煤漿溶液的浮力不足以支撐煤顆粒的重力，煤漿易沉，不符合工藝要求。制備的氣化水煤漿要求濃度>65%，離心粗煤的水分介于20%～25%，所以要求壓濾細煤漿濃度越高越有利于制備成品煤漿，在添加劑添加比例為0.5%的條件下，壓濾細煤漿濃度為55.21%，此為制備壓濾細煤漿的最佳工藝條件。

2.2 離心粗煤、細漿和超細漿捏混成漿實驗結果

研究發現[10-13]，拓寬煤漿的粒度分布，有利于增大煤漿整體的填充效率，且合理的粒度分布，有利于改善煤漿的流動性能和穩定性能，便于煤漿的輸送及霧化。單獨離心粗煤顆粒較粗，容易2項分層，利用三峰級配工藝原理，通過離心粗煤、細漿和超細漿最佳配比實驗，確定該煤種的最高成漿濃度，作為下一步實驗的空白對照結果，同時確定細漿和超細漿的添加比例，供下一步實驗參考。成漿結果如圖1所示。

圖1 不同細漿/超細漿摻入比例下成漿實驗結果

由圖1可知，采用單獨離心煤制漿最高成漿濃度僅為59.8%，繼續增大濃度，煤漿性能迅速下降，甚至呈現不成漿的“渣狀”，煤漿濃度已達極限；隨著細漿和超細漿的摻入比例不斷增大，在同等條件下，煤漿的最高成漿濃度逐步增大，但存在1個峰值，最高成漿濃度為65.53%，煤漿黏度也逐步增大；當摻入比例超過25%時，雖漿體濃度可進一步提高，但表觀黏度超過1 200 mPa·s，超出氣化煤漿可接受范圍；漿體流動性表現出先增大后減小的狀態。推測主要由于隨著細漿和超細漿摻入比例的不斷增大，煤漿濃度不斷升高，單位煤漿中水介質的比例降低，且在水的種類中起潤滑作用的自由水的比例隨著顆粒的增多也逐漸降低，導致煤顆粒之間有效碰撞的幾率增加，運動阻力增加，直接致使煤漿表觀黏度升高。同時煤漿中細顆粒的增多，既使得煤粒間的空隙率進一步降低，同時細顆粒和超細顆粒相對大顆粒體積而言則相對圓潤，起到滾珠潤滑作用，從而使得煤漿的流態變好。

2.3 不同原料捏混成漿實驗結果

基于2.2節的實驗結果，對離心粗煤、壓濾細煤、細漿和超細漿進行組合成漿性實驗，壓濾細煤、細漿和超細漿占比>25%，固定煤漿濃度為64%、添加劑比例為0.4%，綜合對比4種原料以不同比例混合后制得煤漿流動性和黏度，成漿結果見表4。

表4 不同粒度級配對煤漿性能的影響

由表4實驗結果可以看出，在細漿和超細漿比例不變時，隨著離心粗煤比例的降低，成品煤漿的黏度稍有增大、流動性變差、穩定性變好；在離心粗煤比例不變時，隨著細漿和超細漿比例的增大，成品煤漿的黏度明顯增大、流動性變差、穩定性明顯變好。綜合考慮粒度配比對水煤漿黏度、流動性的影響以及現場制漿設備大小及電耗等因素，擬定粒度最佳配比為離心粗煤∶壓濾細煤∶細漿∶超細漿=70∶20∶5∶5，在此級配條件下，最高成漿濃度結果見表5。

表5 最佳級配條件下最高成漿濃度

由表5實驗結果可知，在離心粗煤∶壓濾細煤∶細漿∶超細漿=70∶20∶5∶5的條件下，使用萘系添加劑，添加量為0.4%時，最高成漿濃度為66.28%。

綜上所述，針對我國第1條管輸煤漿工程，輸送煤漿濃度為51%～55%，再終端經過再提濃工藝技術，理論上煤漿濃度可達66%以上，相關工藝條件為：① 最佳配比為離心粗煤：壓濾細煤∶細漿∶超細漿=70∶20∶5∶5；② 萘系添加劑總添加量為0.4%，可在壓濾細煤漿制備環節和最后混合環節分2次加藥；③ 壓濾細煤漿制備濃度可達55%，此處添加劑添加比例建議0.5%。通過上述工藝的實施，離心粗煤和壓濾細煤的摻混比例約為7∶3，可實現管輸煤漿脫水產品離心粗煤和壓濾細煤泥的全部消納利用。

2.4 工藝選擇物料衡算

上述實驗的工藝路線為先將管輸煤漿全部脫水為離心粗煤和壓濾細煤產品，再將二者按合理的級配進行再混成漿，編號為工藝①。為進一步對比不同工藝路線下管輸煤漿制備氣化煤漿的能耗，筆者設計了工藝②和工藝③，工藝②的方案如下：外購原煤(低階煤全水按16%計)，抽取部分管輸煤漿制備為細漿和超細漿，3者和53%濃度管輸煤漿摻混制備氣化煤漿；工藝③的方案如下：部分管輸煤漿進行脫水(根據生產數據全水按25%計)，部分管輸煤漿制備為細漿和超細漿，得到的產品和53%濃度管輸煤漿摻混制備為氣化煤漿。固定氣化煤漿濃度為65%，3種工藝物料衡算對比見表6。

表6 不同工藝條件下物料衡算

由前述研究可知，離心粗煤和壓濾細煤泥單獨使用或二者共混時，制備的氣化煤漿整體煤漿粒度分布較粗，穩定性較差，難以直接泵輸至用戶單位。結合實驗結果和物料衡算表，固定細漿與超細漿干基比例為10%時，工藝①在物料衡算上滿足工藝要求，且能實現離心粗煤和壓濾細煤泥的全部消納處理；工藝②需外購70%的原煤，與53%濃度的管輸煤漿共混也可制備65%濃度的氣化煤漿，但在煤漿總量上，下游用戶單位使用的氣化煤漿只能消納約30%的富余管輸煤漿，難以滿足管道輸煤工程連續不間斷的要求；工藝③需將90%的管輸煤漿進行脫水處置，剩余10%管輸煤漿直接制備細漿/超細漿，可制備合格的氣化煤漿，但53%濃度管輸煤漿粒度分布偏粗，不滿足細磨機和超細磨機進料粒度要求，且粒度太粗會增加設備能耗并影響易損件使用壽命。后續若下游用戶氣化煤漿消耗量增加或能將脫水后的管輸煤全水控制在15%以下，工藝②和工藝③可作為優化改進的方向。

3 結 論

神渭管輸煤漿工程輸送煤漿濃度為51%～55%，無法直接用于下游煤化工用戶，基于工程終端中濃度管輸煤漿提濃工藝現場，筆者通過對現場工程樣品分析，針對工藝各環節進行小型化實驗分析，給出最佳配比及最佳比例，主要結論如下：

(1)在制備壓濾細煤漿環節，添加劑比例不得低于0.2%，最佳添加比例為0.5%(干基)，制得壓濾細煤漿濃度為55.21%。

(2)原料最佳配比為離心粗煤∶壓濾細煤∶細漿∶超細漿=70∶20∶5∶5，添加劑總添加量為0.4%(干基)，建議分2次加藥，在制備壓濾細煤漿時加藥量為0.5%(干基)，剩余添加劑在最后捏混環節加入。

(3)物料衡算表明，將53%濃度管輸煤漿全部脫水后，再按合理的級配制備為氣化煤漿，在實現富余管輸煤漿全部制備為高值氣化煤漿的同時，消納利用了全部壓濾細煤泥。