水煤浆性能的影响因素及技术进展

张孝雨1,2,何国锋2,李 磊1,2,陈 浩2

(1. 煤炭科学研究总院,北京 100013;2. 中煤科工清洁能源股份有限公司,北京 100013)

摘 要:水煤浆技术是我国洁净煤技术发展中的重要分支,对提高我国煤炭资源的利用效率、减少煤炭利用过程中产生的污染、实现煤炭的高价值利用具有重要意义,是我国能源长效稳定发展的必然选择,符合国家政策导向和环保要求。随着水煤浆尤其是气化浆用量的扩大和节能环保要求的提高,化工厂对水煤浆质量的要求越来越高。但目前国内气化水煤浆普遍存在浓度偏低、流变性差、气化效果不理想等问题,降低了水煤浆气化炉效率,不利于企业降本增效和稳定生产。笔者基于水煤浆性能的评定指标,介绍了水煤浆性能指标的测定方法,并简要说明了水煤浆的浓度、黏度、稳定性、流态及流变性对实际生产的意义;重点介绍了煤质、添加剂、级配方式以及颗粒形态等因素对水煤浆性能的影响,为改善水煤浆性能指明了方向,强调了粒度级配对水煤浆浓度、流态及流动度改善的重要意义;总结了近年来水煤浆制浆领域的研究进展,包括对成浆用煤的复配、新型水煤浆添加剂的研发以及“以破代磨“新型制浆工艺的介绍,并对水煤浆技术的发展趋势进行了展望,包括新制浆工艺的开发和核心设备的研制、高效经济低阶煤水煤浆添加剂的研制、化工污泥和气化细渣等废弃物的处理以及水煤浆颗粒间作用规律和颗粒形态研究等。

关键词:水煤浆;性能;影响因素;技术进展;颗粒形态

中图分类号:TQ546

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2019)06-0096-09

收稿日期:2019-10-11;责任编辑:张晓宁

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19101102

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基金项目:中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项青年基金资助项目(2018-TD-QN030)

作者简介:张孝雨(1994—),男,安徽宿州人,硕士研究生,研究方向为高浓度水煤浆制备。E-mail:1455097076@qq.com

引用格式:张孝雨,何国锋,李磊,等.水煤浆性能的影响因素及技术进展[J].洁净煤技术,2019,25(6):96-104.

ZHANG Xiaoyu,HE Guofeng,LI Lei,et al.Influence factors and technical progress of CWS performance[J].Clean Coal Technology,2019,25(6):96-104.

Influence factors and technical progress of CWS performance

ZHANG Xiaoyu1,2,HE Guofeng2,LI Lei1,2,CHEN Hao2

(1. China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2. China Coal Technology & Engineering Group Clean Energy Company Limited Department,Beijing 100013,China)

Abstract:Coal water slurry technology is an important branch in the development of clean coal technology in China. It is of great significance to improve the utilization efficiency of coal resources in China,reduce the pollution generated in the process of coal utilization,and realize the high value utilization of coal. It is the inevitable choice for the long-term and stable development of China's energy,which conforms to the national policy guidance and environmental protection requirements. With the expansion of coal water slurry,especially gasification slurry consumption and the improvement of energy conservation and environmental protection requirements,the quality of coal water slurry requirements are higher and higher in chemical plants. However,there are many common problems such as low concentration,poor rheological property and unsatisfactory gasification effect in gasification CWS in China,which reduce the efficiency of CWS gasifier and are not conducive to reducing cost,increasing efficiency and stabilizing production.Based on the evaluation index of CWS performance,in this paper,the measurement method of CWS performance index was introduced,and the significance of CWS concentration,viscosity,stability,flow pattern and rheology to actual production were explained.The effects of coal quality,additives,gradation and particle morphology on the performance of CWS were introduced in this paper,the direction for improving the performance of CWS was pointed out,and the significance of improving the concentration,flow pattern and fluidity of CWS with particle size gradation was emphasized.The research progress in the field of coal water slurry pulping in recent years was listed,including the compound of coal used for pulping,the research and development of new coal water slurry additives,and the introduction of the new pulping process of "breaking for grinding".The development trend of CWS technology was prospected,including the development of new pulping process and core equipment,the development of high-efficiency and economical low-order CWS additives,the treatment of chemical sludge and gasification slag and other wastes,as well as the research on the law of interaction between CWS particles and particle morphology.

Key words:coal water slurry;performance;influence factor;technical progress;particle morphology

0 引 言

水煤浆技术是我国洁净煤技术发展中的重要分支,对提高我国煤炭资源的利用效率、减少煤炭利用过程中产生的污染、实现煤炭的高价值利用具有重要意义,是我国能源长效稳定发展的必然选择,符合国家政策导向和环保要求。水煤浆作为一种能源替代燃料,已广泛应用于我国长三角、珠三角等经济发达地区,且取得了良好的经济效益和环境效益。据不完全统计,截至2016年底,全国燃料水煤浆使用量已达3 000万t/a,范围涵盖了电力、石油、化工、建材等行业。水煤浆作为煤气化原料,具有生产效率高、持续运行时间长、设备国有化程度高、投资运行费用低等优点,在合成甲醇、合成氨、煤制烯烃等领域得到了广泛应用。截至2016年底,我国水煤浆气化炉达300余台套,气化水煤浆使用量已超过1.2 亿t/a,并随着我国煤制油、煤制烯烃等大型煤化工产业的迅猛发展,我国气化煤浆用量仍将保持高速增长态势[1]

目前国内气化水煤浆普遍存在浓度偏低、流变性差、气化效果不理想等不足,降低了水煤浆气化炉效率,不利于企业降本增效和稳定生产。水煤浆性能的改善,尤其是煤浆浓度和流动性的提升,不仅可提高煤浆的雾化性能和气化效率,还可有效降低气化的比煤耗和比氧耗,同时可减少因煤浆质量问题导致的设备、系统停车,对煤气化产业的发展具有重要意义[2]

1 水煤浆性能评定指标

水煤浆是煤与水的非均相固液悬浮液,属于典型的非牛顿流体,既保持了煤炭原有的物理性质,如发热量、灰熔融温度、水分、灰分、挥发分、硫分等,又具有像流体一样的性能特征,如浓度、黏度、粒度及磨蚀性、稳定性等。工业上常用的水煤浆性能特征指标主要有水煤浆的浓度、表观黏度和流变性、稳定性、流态和流动度[3]

1.1 水煤浆浓度

水煤浆浓度即水煤浆中固体煤含量,通常用质量分数表示[4]。在一定范围内,浓度越大,水煤浆热值越大,对燃烧和气化越有利。但是浓度升高使浆体黏度升高,通常浓度每升高1%,黏度提高数百mPa·s,黏度过大,不利于水煤浆雾化、充分燃烧、泵送和运输[5]。浓度是水煤浆性能的主要考察指标,也是实际生产中水煤浆的主要控制指标。崔意华等[6]通过对比不同煤浆浓度和气化温度下的气化效率,研究了煤浆浓度对气化效率的影响,研究表明,在相同的气化温度下,水煤浆气化效率随煤浆浓度的升高而升高,当煤浆浓度高于70%时,气化效率的提升趋缓;气化温度为1 350 ℃时的气化效率比同浓度下1 500 ℃的气化效率高。

水煤浆在气化炉中先发生水的汽化,产生的水蒸气中很小部分参与反应,大部分都随产生的粗煤气一起进入下一工段。水分蒸发所需的气化潜热和显热完全由煤部分或完全燃烧提供,同时产生了对合成无效的CO2,增大了比煤耗和比氧耗[7-8]。工业实践证明,水煤浆浓度的提高可显著提高气化效率,减少因煤浆自身水分蒸发引起的能源消耗,扩大原料煤的选择范围,降低气化比煤耗、比氧耗,可为企业带可观的经济效益。因此在满足气化正常运行的条件下,浓度越高,气化能耗越低,有效气比例越高[9-12]

1.2 水煤浆的表观黏度和流变性

水煤浆属于固液两相流体,是一种包括宾汉塑性体、胀塑性体等多重性的非牛顿流体,具有“剪切变稀”性质,即具备了一定的流变性。水煤浆的流变性受煤粉粒度分布、煤表面性质及所使用的添加剂等因素影响。水煤浆黏度与温度、剪切速率有关,一般要求在常温下(25 ℃),水煤浆在低剪切速率下具有较高的黏度,以保证浆体的稳定性,在较高的剪切速率下浆体黏度应尽可能低,以便于煤浆泵送和雾化。工业上一般用表观黏度ηa来评定煤浆黏度[4],一般要求水煤浆在常温及100 s-1剪切速率下表观黏度在((1 000~1 200)±200) mPa·s。水煤浆黏度过低,易导致煤浆分层、不稳定;黏度过高,会引起磨机跑浆,煤浆管道阻力大,煤浆泵打量受限,造成跳车,影响生产的正常运行[13]

1.3 水煤浆稳定性

水煤浆属于粗分散体系,在静置和外界扰动情况下易产生固液分离。水煤浆的稳定性指维持不产生“硬沉淀”所持续的时间,“硬沉淀”是指无法经过机械搅拌使浆体恢复均匀性的沉淀。水煤浆稳定性是煤颗粒抵抗沉降作用的量度,煤浆浓度低时,煤颗粒间间距较大,颗粒间的作用力较弱,在重力作用下,煤粉颗粒自由沉降速度加快。随着煤浆浓度的提高,煤粉颗粒在沉降过程因为相互作用形成类似“力链”的结构,保持体系的相对稳定,从而减缓沉降速度。因此,水煤浆浓度越高,稳定性越好。在大规模工业生产中,稳定性至关重要,不仅决定了煤浆是否能够存放、输送,而且直接关系到用户的直接生产[4]

水煤浆稳定性目前还没有统一的评价方法,常用的方法有冰冻分析法、静置观察法、插棒法、残留物百分比法等[14]。由于静置观察法和插棒法不需要专门的设备,且简单有效,因此得到了广泛应用。静置观察法是煤浆放置在玻璃烧杯中静置若干小时,以煤浆的析水率作为评价标准,析水率越高,煤浆稳定性越差,一般气化浆的8 h析水率要低于5%。插棒法是将煤浆静置一定时间后,将玻璃棒插入水煤浆的深度或玻璃棒穿过整个浆体的时间来评价其稳定性。

煤浆稳定性可分为4个等级:① A级。煤浆静置后无析水,无沉淀,静置后煤浆状态如初;② B级。煤浆静置后有少量析水,略有分层,流动性良好;③ C级。煤浆析水量大,底部有软沉淀,搅拌后流动如初;④ D级。煤浆经沉淀后产生了硬性沉淀。

1.4 流动状态(流态)和流动度

在实际生产和使用中发现,水煤浆的表观黏度无法充分表征煤浆的雾化和泵送性能,因此引入流动状态(以下简称流态)和流动度。水煤浆的流态和流动度与水煤浆的雾化性能密切相关[15]。水煤浆燃烧或气化前,必须经过雾化,以降低液滴粒度,增大比表面积,保证水煤装与环境气体充分接触,提高燃烧或气化效率[16]。水煤浆流态好时,经过喷嘴雾化后可形成均匀的小液滴,煤浆着火快,燃烧效率高,碳转化率高,气化残碳低[17]

水煤浆流动性的检测方法有:① 观察法,可直观描述浆体的流态,受主观影响较大;② 数值法,测量结果准确、易比对,直观性较差,一般2种测量方法配合使用。

1)观察法。根据其流动特性,分为A、B、C、D四个等级。 A级:流动连续,平滑不间断;B级:流动较连续,流体表面不光滑;C级:借助外力才能流动;D级:泥状不成浆,不能流动。为了表示属于某一等级范围流动性的较小差别,分别用“+”和“-”加以区分,“+”表示某一等级中流动性较好者;“-”表示某一等级中流动性较差者。

2)数值法。将水煤浆注满标准截锥圆模(上口径36 mm,下口径60 mm,高60 mm),提起截锥圆模,在流动30 s后测定水煤浆在玻璃平面上自由流淌的最大直径,以此判断水煤浆的流动性。

综上,水煤浆性能的4个评价指标具有相关联性,如水煤浆浓度的提高使煤浆黏度升高,流态和流动度恶化[4]

2 水煤浆性能影响因素

影响水煤浆性能的因素很多,工业上常用的影响因素有:制浆用煤的煤质特性、制浆工艺(级配方式)、添加剂的性能和添加量[4]。实际生产中,煤质特性是最重要的影响因素,但受制于经济和区位因素;水煤浆添加剂起辅助和优化作用;级配方式是实际生产过程中可调控的关键因素。

2.1 煤质特性的影响

制浆用煤的煤质特性是影响成浆效果的首要因素。水煤浆气化前,均需对原料煤进行化验,了解其煤阶、工分数据、元素组成、灰熔融温度、可磨性指数等特性,以确定其制备水煤浆的可行性、制浆工艺、可能达到的浓度范围以及适合的气化工艺等。煤质特性较复杂,且各因素相互影响[4]。随着技术的进步和节能环保要求的提高,针对煤质特性开发了改善煤浆性能的方法,主要包括配煤制浆、褐煤改性制浆等。

阮伟等[18]采用多种具有代表性的煤种进行成浆性试验,研究了煤质特性对煤浆性能的影响,发现煤的内水、灰分、含氧量等都对煤的成浆性有影响,煤的内水越高,煤成浆浓度降低;灰分和煤浆浓度变化关系不明显,但整体呈正相关,即灰分越高,可制浆浓度越高;煤的含氧量越高,可制浆浓度越低;可磨性指数与可制浆浓度整体呈正相关关系。但煤是复杂的混合物,灰分、内在水分、含氧量等和可制浆浓度都呈非线性相关。

Yu Chi等[19]探讨了不同煤化程度的煤对其成浆性的影响,结果表明,随着煤阶的增加,水煤浆的定黏浓度增加,且当FCdaf大于81%时,煤的定黏浓度达68%以上。原煤变质程度与成浆性的关系见表1。

煤的氧碳比越高,内部孔隙越多,煤颗粒“束缚”的水越多,水煤浆中能够自由流动的水越少,浆体黏度升高,性能变差,同时还会引起分散剂的分散效果下降。煤灰分对水煤浆性能的影响,一方面灰分比重高于可燃部分,灰分增多,成浆浓度相对增大,且灰分中的金属离子有利于水煤浆的稳定性;另一方面,灰分升高会降低水煤浆的热值和气化效率,不利于生产,一般气化厂要求水煤浆灰分低于15%。

表1 原煤变质程度与成浆性的关系

Table 1 Relationship between coal metamorphism and pulping property

煤阶工业分析/%MadAdVdaf元素分析/%CdafHdafNdafOdafSdaf成浆浓度/%流动性指数稳定性/d褐煤HM15.7617.9642.6271.094.460.9020.233.2559.140.22421长焰煤CCH8.6710.8739.2576.224.810.9517.160.2665.251.0938长焰煤WL2.2810.5337.0581.85.231.3210.171.4869.630.87330不黏煤DSH7.775.0836.3180.184.590.8513.930.4564.441.07510不黏煤HH2.036.1733.9682.964.640.7511.520.1370.151.1850.5弱黏煤XHY1.9034.7541.4778.395.641.2513.491.2370.330.56215弱黏煤MYK1.4213.1729.3482.104.740.9211.960.2869.131.3160.5气煤BS1.543.9543.7381.805.501.327.953.4368.601.2160.5气煤HN0.7713.3740.2183.735.761.548.680.2971.281.202101/3焦煤BY1.266.6736.1785.354.981.487.620.5772.321.1500.51/3焦煤KL3.076.5734.6085.785.201.476.990.5670.750.8436肥煤FF0.5913.5531.3386.265.331.625.850.9473.660.81910焦煤ST1.0917.0822.5689.144.951.573.880.4676.091.08815瘦煤SGJ0.7125.8419.5190.984.721.412.400.4975.471.1557贫瘦煤HB0.8313.7017.2189.804.481.573.840.3174.821.1583无烟煤YQ1.019.389.1092.613.871.261.830.4375.330.59117

宋成建[20]研究了神府东胜地区部分煤种的成浆浓度与煤质参数的变化关系,发现煤料内在水分的升高会降低可制浆浓度;灰分的升高可提升制浆浓度,这主要是因为灰分比重大导致的,灰分升高会导致煤浆气化效率的降低;原煤挥发分和固定碳含量与可制浆浓度呈负相关的趋势,原煤挥发分和固定碳含量越高,可制浆浓度越低。其研究结果与前人的研究结果基本相同。

2.2 添加剂的影响

煤炭属于天然疏水性物质,不易被水润湿,具有较大的比表面积,易自发团聚,因此煤粒与水很难自发的紧密结合成为一种浆体[21-22]。为了得到高浓度、低黏度且具备良好稳定性的水煤浆,必须添加一定量的添加剂,添加剂性能与用量对水煤浆性能的影响很大。

生产中,一般添加剂用量占水煤浆质量0.1%~1.0%。分散剂的主要作用[23]有:

1)提高煤表面的亲水性。添加剂分子通过其疏水基和煤表面结合,以亲水基朝水定向排列的方式使疏水的煤粒稳定地分散到水中,并在煤粒周围形成一层添加剂和水组成的水化膜。借助水化膜,将煤粒隔开,减少煤粒间阻力,降低黏度。

2)增强颗粒间静电斥力。煤颗粒在水中天然呈负电性,根据DLVO理论,强化煤颗粒间负电性可提高煤颗粒的分散效果。目前市场上主流的水煤浆分散剂都属于离子型分散剂。

3)提高空间位阻效应。当分散剂为链状大分子时,在煤表面形成三维水化膜,当颗粒相互接近时,水化膜受到挤压变形产生变形力,阻碍煤颗粒继续靠近,从而使煤粒稳定分散悬浮在水中。

水煤浆添加剂的作用原理如图1所示。在一定范围内,添加剂添加量越高,浆体的黏度越低。但添加量的提高使制浆成本加大,一般情况下,在保证浆体性能的前提下,添加剂用量最少为宜。

图1 水煤浆添加剂的作用原理
Fig.1 Action principle of CWS additives

2.3 级配方式(制浆工艺)的影响

级配,即物料各级粒径颗粒的分配情况,使堆积效率λ(固体体积占有率)提高的技术称为“级配技术”。煤浆粒度较小,比表面积增大,形成水化膜所需占比增大,自由水减少,无法制得高质量的煤浆;煤浆粒度较大时,虽有利于制备低黏度、流动性好的水煤浆,但可能导致煤浆不具有浆态特征,且颗粒过大会导致浆体稳定性变差,易堵塞泵体和管道,加速雾化喷嘴的磨损,导致气化炉频繁波动,不利于生产。要制备高浓度、性能优良的水煤浆,需要不同大小的颗粒相互填充,提高颗粒堆积效率,如图2所示。级配技术是水煤浆制备的关键技术之一,合理的级配方式不仅能有效提高浆体浓度,还能改善水煤浆的流动性和稳定性[24]

图2 水煤浆粒度级配示意
Fig.2 Schematic diagram of particle size gradation of CWS

1)传统级配方式

传统级配方式,即单棒/球磨制浆,是生产中应用最多的制浆工艺。由于棒磨机自身的限制,所制浆体的粒度分布不合理,浆体浓度较低,流变性与稳定性较差,雾化效果不理想,使煤炭转化率低;另外,由于煤浆粒度较粗易引起钢棒、管道、泵、阀门、气化炉喷嘴等磨损严重,设备检修频繁。其制浆工艺流程如图3所示。

图3 单峰级配制浆工艺流程
Fig.3 Flow chart of single-peak gradation pulping process

2)双峰级配制浆

双峰级配制浆工艺,相比于单棒/球磨工艺具有更宽的煤种适应性,适合于处理弱黏煤、不黏煤、长焰煤等低阶煤。由于煤颗粒堆积效率提高,小颗粒填充在大颗粒之间,煤浆性能得到改善。同等黏度条件下所制浆体的浓度可提高2~3个百分点,投资相对较小,具有一定的经济效益,具有较大的市场应用前景。其制浆工艺流程如图4所示。

图4 双峰级配制浆工艺流程
Fig.4 Flow chart of double peak grading process

3)三峰级配制浆

相比于单棒磨制浆工艺,煤种相同时,三峰级配制浆工艺可有效提高浆体浓度3~5个百分点。煤种适应范围更广,除了适用于烟煤制浆,还可用于煤泥、褐煤等成浆性较差的煤料。相比于双峰级配,三峰级配拥有更宽的粒度分布,堆积效率进一步提高,有利于制备高质量的水煤浆。其制浆工艺流程如图5所示。

图5 三峰级配制浆工艺流程
Fig.5 Flow chart of three peak grading process

级配技术的核心在于如何有效提高颗粒的堆积效率,煤颗粒在水煤浆中的堆积效率和水煤浆浓度有直接关系。

2.4 颗粒形态的影响

制浆理论认为,在煤种一定的前提下,粒度级配和添加剂是影响水煤浆性能的主要因素。但笔者发现,硅酸盐材料和岩土工程等领域有研究表明,颗粒形状和形貌对浆体、粉体材料的堆积效率和性能都有显著影响。水煤浆作为浆体材料的一种,其性能同样受到颗粒形状和形貌的影响[25-28]

涂亚楠[29]利用数字图像处理软件对不同粒级的颗粒形貌进行了定量表征,并利用扫描电镜观察分析了煤样经破碎、研磨、微波处理等条件下的颗粒形貌微观特性,发现颗粒破碎后颗粒形态有恶化的趋势,对于改性后的褐煤,研磨并不能改善颗粒形态,但微波处理后颗粒形态有所改善。

高志芳[30]以内蒙褐煤为原料,通过气流干燥管加压成型、气流干燥、和低温干馏工艺制备了3种提质褐煤,通过扫描电镜观察发现,提质褐煤的颗粒形态较提质前有了较大改善,经对比3种提质后褐煤的成浆性发现,颗粒形态与成浆性呈正相关关系,即颗粒的规则度越高,可制浆浓度越高;体系中不规则颗粒的增多会增大体系的空隙率,降低体系的堆积效率,还会增大颗粒间相对运动的阻力,导致浆体的黏度升高,流动性明显恶化。

3 水煤浆制浆技术

3.1 煤质方向的制浆技术

随着科技水平的不断提高和经济的发展,拓宽制浆煤种以适用我国煤炭资源结构越发重要。近年来研究多从配煤、改性等角度来改善制浆煤质,以提高煤浆性能,拓宽制浆原料,降低制浆成本。

胡亚轩等[31]对20多种煤质差异较大的煤进行配煤制浆,发现煤种配比对煤浆质量的影响是非线性的,实际制浆浓度和预测成浆浓度相差较大,但配煤后的煤浆稳定性得到改善;配煤中亲水性煤比例的增加会引起煤浆质量恶化,疏水性强的煤的比例增加会改善煤浆的质量。李艳昌等[32]采用11种煤进行配煤制浆,发现通过合理的配煤可改善单种成浆性差煤的煤浆性能,但合理的配煤方案需通过试验确定,很难通过预测得到。赵忠霞[33]研究了无烟煤、烟煤和褐煤的成浆性,发现无烟煤和褐煤制备的煤浆性能均较差,但可通过配煤方式制备性能优良的配煤水煤浆。高志芳[30]以褐煤为原料进行配煤制浆,发现配煤制浆能实现煤质互补,降低制浆过程中的能耗,促进褐煤的利用。关于褐煤改性制浆,目前研究较多的是水热改性及热解改性制浆。颜艳东[34]采用自制低温干馏反应器对小龙潭褐煤进行热解改性提质,改性后得到的半焦可制浆浓度较改性前提高了17个百分点,但稳定性较差,与未改性褐煤混配后,可制得浓度在60%以上性能优良的水煤浆。刘红缨等[35]研究了水热改性后褐煤表面官能团和碳骨架与水结合能力的强弱,发现水热改性后褐煤中的羟基和羧基官能团随热解温度升高大幅降低。赵卫东[36]对褐煤水热改性机理及燃烧特性进行了研究,发现经水热改性后褐煤致密度提高,比表面积和官能团降低,微孔减少,疏水性变强。虞育杰[37]采用密闭高压反应釜对褐煤进行水热脱水提质,发现改性后的褐煤羟基、羧基和酚羟基含量减少,褐煤亲水性降低,固水能力大幅弱化,在320 ℃改性温度下,可制浆的定黏浓度升高,流变性得到改善。关于煤泥制浆,梁霏飞等[38]采用3种煤泥和不同的制浆工艺进行成浆性试验,发现干法制浆工艺条件下煤泥的成浆性、稳定性和流动性最好;煤泥的成浆性和制浆工艺的选择与煤质关系密切。

3.2 添加剂方向的制浆技术

目前,市场上使用最广泛的是萘磺酸盐缩合物(NSF)系列添加剂,具有分散性能好、降黏作用强、浆体流动性好、适用煤种范围广等特点,但单价相对较高,且煤浆稳定性较差、易产生硬沉淀,生产中常使用NSF与木质素磺酸盐按一定比例复配使用。近年来,研究者展开了腐殖酸、聚丙烯酸等水煤浆添加剂的开发并取得了一定的成果,同时还研究了化工废水对煤浆性能的影响。隋明炜等[39]采用水溶液聚合方法以腐殖酸和丙烯酰胺、烯丙醇聚氧乙烯醚(APEG-1000)为原料合成新型腐殖酸系水煤浆添加剂,并对新型添加剂性能进行表征,发现添加量相同时,新型腐殖酸系添加剂流变性能和降黏效果较腐殖酸有很大提高。段艺萍[40]以木质素为基础原料,经亚硫酸钠的磺化改性,制得了改性木质素,并将其作为水煤浆添加剂进行试验研究,发现经过改性后的木质素系添加剂性能具有很好的市场优势,分析认为改性木质素中含有2种具有分散作用的官能团:磺酸根基团,具有亲水性能;芳香基团,具有亲煤性能。谢欣馨[41]对以兰炭废水为原料制备的水煤浆性能进行比较,发现废水中的酚类物质具有降黏作用,可使浆体保持良好的流动性,废水中的氨氮类物质和金属离子可提高煤浆稳定性,但会使煤浆黏度升高,废水中的油类物质可提高水煤浆的热值。吴晓华[42]通过酯化和共聚的方式合成13种聚丙烯酸系添加剂,与市售的萘系添加剂进行成浆性试验对比,发现合成的聚丙烯酸添加剂性能优于市售萘系添加剂,且吨浆成本较萘系低,是很好的水煤浆添加剂品种。

3.3 制浆工艺方向的制浆技术

近年来随着水煤浆制备技术不断进步,制浆工艺也有了新的发展。蒋斌斌[43]提出了一种以破碎机代替棒磨机的制浆工艺,即使用细碎机、成浆反应器和高压煤浆泵组成制浆系统。其工艺流程如图6所示,即先用粗碎机将大块煤破碎至6 mm以下,再用细碎机将煤料破碎至3 mm以下,细碎过程中加入分散剂和水混合后,泵送入成浆反应器,通过高压细化装置使其成浆进入剪切罐中,加入稳定剂,经滤浆得到成品浆。该工艺通过“以破代磨”的方式,降低了制浆电耗,可获得可观的经济效益。

图6 新型制浆工艺流程
Fig.6 Flow chart of new pulping process

4 结语与展望

我国水煤浆技术经过30余年的科学研究和技术攻关,已形成具备自主知识产权的技术和装备,煤浆产量和行业应用规模均达到世界首位,但仍有待改进。

1)新制浆工艺的开发和核心设备的研制

我国水煤浆厂一般采用棒磨机作为核心制浆设备,制浆能耗高,研磨效率低,颗粒粒度分布不合理,颗粒形态不好,煤浆性能差。现有技术在棒磨机的基础上增加外挂的细浆和超细浆研磨设备,可改善煤浆质量,但制浆能耗及系统投资增加。针对现有技术特点和存在的问题,开发新一代制浆工艺和相关设备,降低制浆能耗和投资成本,具有重要的意义。

2)高效经济的低阶煤水煤浆添加剂的研制

随着新疆、宁夏及蒙东地区“两高一低”煤的应用,我国制浆用煤具有向低阶煤发展的趋势。市售添加剂与低阶煤适配性差,高性价比的低阶煤专用水煤浆添加剂亟待开发。

3)化工污泥和气化细渣等废弃物的处理

据不完全统计,我国的化工污泥产量已高达400余万t/a,以水煤浆为气头的煤化工企业每年的气化细渣产量高达4 400余万t/a[44]。由于缺乏合理的利用和处置方式,长期以来,煤化工企业对化工污泥普遍采用补贴外送的形式进行处理,处置费用达6 000元/t以上;气化细渣因含水率较高、污染严重,难以浆态化运输与利用,一般采用补贴外送的方式处理。通过改性和煤浆掺烧的方式对化工废弃物进行协同处理,可提高煤炭资源的利用效率,且节能环保。

4)水煤浆颗粒间作用规律和颗粒形态研究

水煤浆基础理论的研究主要集中在以煤浆整体为对象的宏观领域和以颗粒表面为对象的微观领域,以颗粒或颗粒群为对象的细观研究目前较少。煤颗粒之间的作用规律和颗粒形态对水煤浆性能影响的研究目前还处于起步阶段。从颗粒形态和煤颗粒间的作用规律出发,可为水煤浆性能的提升带来新的思路和方向。

参考文献(References):

[1] 段清兵,张胜局,段静. 水煤浆制备与应用技术及发展展望[J]. 煤炭科学技术,2017,45(1):205-213.

DUAN Qingbing,ZHANG Shengju,DUAN Jing. Preparation and application technology of coal water slurry and development prospect[J]. Coal Science and Technology,2017,45(1):205-213.

[2] 周永涛. 三峰分形级配水煤浆提浓技术研究[J]. 洁净煤技术,2018,24(1):63-68,73.

ZHOU Yongtao. Study on three peak fractal gradation coal water slurry concentration improvement technology[J]. Clean Coal Technology,2018,24(1):63-68,73.

[3] 李发林,尚庆雨,王国房,等.低阶煤制备高浓度水煤浆技术现状及发展趋势[J].洁净煤技术,2018,24(6):20-26.

LI Falin,SHANG Qingyu, WANG Guofang,et al.Progress and technology development of preparing high concentration coal water slurry from low-rank[J].Clean Coal Technology,2018,24(6):20-26.

[4] 何国锋,詹隆,王燕芳. 水煤浆技术发展与应用[M]. 北京:化学工业出版社,2012:34-35.

HE Guofeng,ZHANLong,WANG Yanfang. Coal water slurry technology development and application[M]. Beijing:Chemical Industry Press,2012:34-35.

[5] WEI Y,LI B,LI W,et al. Effects of coal characteristics on the properties of coal water slurry[J]. Coal Preparation,2005,25(4):239-249.

[6] 崔意华. 压力、煤浆浓度、氧煤比对水煤浆气化的影响[J]. 化肥设计,2010,48(5):20-23.

CUI Yihua. Influence of pressure、coal slurry concentration and ratio of oxygen to coal on coal water slurry gasification[J]. Chemical Fertilizer Design,2010,48(5):20-23.

[7] 李智. 水煤浆提浓对气化装置运行经济性影响的分析[J]. 中氮肥,2018,204(6):5-9.

LI Zhi. Analysis of the influence of coal water slurry concentration on the operation economy of gasification unit[J]. Chinese Journal of Nitrogen Fertilizer,2018,204(6):5-9.

[8] 张杰. 水煤浆提浓技术的应用及对气化炉运行效率的影响[D].北京:北京化工大学, 2016.

ZHANG Jie. Application of coal water slurry concentration enhancement technology and its impact on the operation efficiency of gasifier[D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2016.

[9] 徐昊,关翰敏. 水煤浆气化有效气含量的影响因素[J]. 煤炭加工与综合利用,2018(6):21-24.

XU Hao,GUAN Hanmin. Influencing factors of effective gas content in coal water slurry gasification[J]. Coal Processing and Comprehensive Utilization,2018(6):21-24.

[10] 任小佳. 水煤浆浓度变化对煤气化工艺的能耗影响[J]. 化工设计通讯,2019,45(3):25-26.

REN Xiaojia. Influence of coal water slurry concentration change on energy consumption of coal gasification process[J]. Chemical Engineering Design Communication,2019,45(3):25-26.

[11] 何翔,金晶,张忠孝,等. 水煤浆气化炉入口参数对出口合成气的影响[J]. 上海电力,2009(1):74-77.

HE Xiang,JIN Jing,ZHANG Zhongxiao,et al. Influence of inlet parameters of coal water slurry gasifier on export syngas[J]. Shanghai Electric Power,2009(1):74-77.

[12] 刘乐利. 气化用水煤浆配浆提浓工程应用[J]. 煤炭加工与综合利用,2012(6):52-53.

LIU Leli. Application of water-coal slurry for gasification[J]. Coal Processing and Comprehensive Utilization,2012(6):52-53.

[13] 李志颖,董加存. 对水煤浆黏度低的原因分析[J]. 科技信息,2010(16):710-713.

LI Zhiying,DONG Jiacun. Analysis on the causes of low viscosity of coal water slurry[J]. Science and Technology Information,2010(16):710-713.

[14] 孙美洁,徐志强,涂亚楠,等 基于多重光散射原理的水煤浆稳定性分析研究[J]. 煤炭学报,2015,40(3):659-664.

SUN Meijie,XU Zhiqiang,TU Ya′nan,et al. Stability analysis of coal water slurry based on the principle of multiple heavy light scattering[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(3):659-664.

[15] 李习臣. 大型水煤浆喷嘴的开发与雾化机理研究[D]. 杭州:浙江大学,2004.

LI Xichen. Development and atomization mechanism of large coal water slurry nozzle[D].Hangzhou:Zhejiang University,2004.

[16] 侯妍冰. 粘弹性对液体气流式雾化的影响[D]. 上海:华东理工大学,2013.

HOU Yanbing. Influence of viscoelasticity on liquid vapor atomization[D].Shanghai:East China University of Science and Technology,2013.

[17] 岑可法. 煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与应用技术[M]. 杭州:浙江大学出版社,1997.

CEN Kefa Theory and application of coal slurry combustion,flow,heat transfer and gasification[M].Hangzhou:Zhejiang Uiversity Press,1997.

[18] 阮伟,刘建忠,虞育杰,等. 煤质特性与配煤对成浆性的影响[J]. 动力工程学报,2012,32(2):165-169.

RUAN Wei,LIU Jianzhong,YU Yujie,et al. Influence of coal quality and coal blending on sludging property[J]. Chinese Journal of Power Engineering,2012,32(2):165-169.

[19] WEI Y,LI B Q,LI W,et al. Analysis of coal characteristics on the properties of coal water slurry preparation with different coal ranks[J]. Journal of Fuel Chemistry & Technology,2007,35(2):146-154.

[20] 宋成建. 神府东胜煤成浆性及煤焦浆制备研究[D].西安:西安科技大学,2017.

SONG Chengjian. Study on slurry formation and coke slurry preparation of shenfu dongsheng coal[D].Xi′an:Xi′an University of Science and Technology,2017.

[21] 王冉. 改性萘系水煤浆添加剂的研究进展及展望[J]. 煤矿现代化,2018(3):125-128.

WANG Ran. Research progress and prospect of modified naphthalene additives for coal water slurry[J]. Coal Mine Modernization,2018(3):125-128.

[22] HUANG J,XU J,WANG D,et al. Effects of amphiphilic copolymer dispersants on rheology and stability of coal water slurry[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2013,52(25):8427-8435.

[23] 董志龙,许明,刘坤,等. 水煤浆分散剂作用机理及常用分散剂种类[J]. 化工设计通讯,2017,43(4):5-7.

DONG Zhilong,XU Ming,LIU Kun,et al. Action mechanism of coal water slurry dispersant and common dispersant types[J]. Chemical Engineering Design Communications,2017,43(4):5-7.

[24] 陈浩. 基于间断级配水煤浆复合流机理研究[D]. 北京:煤炭科学研究总院,2016.

CHEN Hao. Research on the mechanism of compound flow of discontinuous coal slurry[D].Beijing:China Coal Research Institute,2016.

[25] 李秋义,李云霞,朱崇绩. 颗粒整形对再生粗骨料性能的影响[J]. 材料科学与工艺,2005,13(6):579-581.

LI Qiuyi,LI Yunxia,ZHU Chongji. Effect of particle shaping on properties of recycled coarse aggregate[J]. Materials Science and Technology,2005,13(6):579-581.

[26] 龚健,刘君. 颗粒形状对散体材料剪切行为的影响[C]//2014颗粒材料计算力学会议论文集. 兰州:[s.n.],2014.

GONG Jian,LIU Jun. Influence of particle shape on shear behavior of granular materials[C]//Proceedings of 2014 Conference on Computational Mechanics of Granular Materials.Lanzhou:[s.n.],2014.

[27] 刘清秉,项伟,BUDHU M,等. 砂土颗粒形状量化及其对力学指标的影响分析[J]. 岩土力学,2011,32(S1):190-197.

LIU Qingbing,XIANG Wei,BUDHU M,et al. Quantification of sand particle shape and its influence on mechanical indexes[J]. Rock and Soil Mechanics,2011,32(S1):190-197.

[28] 刘广,荣冠,彭俊,等. 矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析[J]. 岩土工程学报,2013,35(3):540-550.

LIU Guang,RONG Guan,PENG Jun,et al. Effects of rock mechanics on mineral particle shapes[J]. Journal of Geotechnical Engineering,2013,35(3):540-550.

[29] 涂亚楠. 颗粒级配优化及界面改性提高褐煤成浆浓度的研究[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2013.

TU Yanan. Study on particle gradation optimization and interface modification to improve lignite slurry concentration[D].Beijing:China University of Mining and Technology(Beijing),2013.

[30] 高志芳. 提质褐煤制浆及配煤成浆特性的研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2009.

GAO Zhifang. Study on slurries of improved lignite and coal blending[D].Beijing:China University of Mining and Technology(Beijing),2009.

[31] 胡亚轩. 含碳固体燃料混合成浆特性及配煤成浆浓度神经网络预测[D]. 杭州:浙江大学,2015.

HU Yaxuan. Slurryforming characteristics of solid fuels containing carbon and prediction of slurry forming concentration by neural network[D].Hangzhou:Zhejiang University,2015.

[32] 李艳昌,程军,刘剑,等. 配煤提高煤种成浆性能的研究[J]. 煤炭转化,2010,33(3):41-44.

LI Yanchang,CHENG Jun,LIU Jian,et al. Study on coal blending to improve the slurry properties of coal types[J]. Coal Conversion,2010,33(3):41-44.

[33] 赵忠霞. 不同煤质对水煤浆成浆性能的影响[J]. 内蒙古科技与经济,2016(23):92-94.

ZHAO Zhongxia. Influence of different coal quality on slurryability of water coal slurry[J]. Inner Mongolia Science & Technology and Economy,2016(23):92-94.

[34] 颜艳东. 褐煤提质及其成浆性能研究[D]. 湘潭:湖南科技大学,2012.

YAN Yandong. Study on lignite quality and slurping performance[D].Xiangtan:Hunan University of Science and Technology,2012.

[35] 刘红缨,郜翔,张明阳,等. 水热法改性褐煤及含氧官能团与水相互作用的研究[J]. 燃料化学学报,2014,42(3):284-289.

LIU Hongying,GAO xiang,ZHANG Mingyang,et al. Hydrothermal modification of lignite and the interaction between oxygen-containing functional groups and water[J]. Journal of Fuel Chemistry,2014,42(3):284-289.

[36] 赵卫东. 低阶煤水热改性制浆的微观机理及燃烧特性研究[D]. 杭州:浙江大学,2009.

ZHAO Weidong. Study on micro-mechanism and combustion characteristics of low-rank coal hydrothermal modified pulp[D].Hangzhou:Zhejiang University,2009.

[37] 虞育杰. 褐煤水热脱水提质制备高浓度水煤浆的基础研究[D]. 杭州:浙江大学,2013.

YU Yujie. Preparation of high concentration coal water slurry by hydrothermal dehydration of lignite[D].Hangzhou:Zhejiang University,2013.

[38] 梁霏飞,吴国光,孟献梁,等. 煤泥水煤浆制备工艺研究[J]. 选煤技术,2011(6):7-10.

LIANG Feifei,WU Guoguang,MENG Xianliang,et al. Study on the preparation process of coal slurry[J]. Coal Preparation Technology,2011(6):7-10.

[39] 隋明炜,沈一丁,赖小娟,等. 大分子改性腐殖酸系水煤浆分散剂的合成[J]. 煤炭技术,2018,37(5):309-311.

SUI Mingyi,SHEN Yiding,LAI Xiaojuan,et al. Synthesis of macromolecular modified humic acid dispersing agent for coal water slurry[J]. Coal Technology,2018,37(5):309-311.

[40] 段艺萍. 改性木质素系水煤浆添加剂对煤浆性能影响的研究[D]. 北京:北京化工大学,2016.

DUAN Yiping. Study on the influence of modified lignin additives on the properties of coal water slurry[D].Beijing:Beijing University of Chemical Technology,2016.

[41] 谢欣馨. 工业废水制水煤浆气化特性研究[D].西安:西安石油大学,2013.

XIE Xinxin. Study on gasification characteristics of coal water slurry from industrial wastewater[D].Xi′an:Xi′an Petroleum University,2013.

[42] 吴晓华. 聚丙烯酸系列水煤浆添加剂的合成及应用机理研究[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2009.

WU xiaohua. Synthesis and application mechanism of polyacrylic acid series CWS additive[D]. Beijing:China university of mining and technology(Beijing),2009.

[43] 蒋斌斌. 新型水煤浆制备工艺的探讨与研究[J]. 煤炭工程,2013,45(8):67-68.

JIANG Binbin. Discussion and research on the preparation process of new coal water slurry[J]. Coal Engineering,2013,45(8):67-68.

[44] 陈浩,熊君霞,何国锋. 我国水煤浆技术现状及发展趋势[J]. 煤炭经济研究,2019,39(6):85-88.

CHEN Hao,Xiong Junxia,He Guofeng. Current situation and development trend of coal water slurry technology in China[J]. Coal Economics Research,2019,39(6):85-88.