不同煤質(zhì)對(duì)水煤漿性能及工業(yè)生產(chǎn)的影響研究

董志龍，宋九成

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗154100）

目前水煤漿的應(yīng)用技術(shù)十分成熟，其被廣泛應(yīng)用于冶金、輕工、化工、電力、石化、機(jī)械等行業(yè)，在緩解我國(guó)原油緊缺、合理利用現(xiàn)有傳統(tǒng)能源、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展方面具有重大民用和軍用價(jià)值。中海石油華鶴煤化有限公司設(shè)計(jì)年產(chǎn)30萬t合成氨、52萬t尿素，氣化裝置采用GE公司的水煤漿加壓氣化技術(shù)和激冷流程，設(shè)計(jì)壓力為6.5 MPa，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)由中國(guó)天辰工程有限公司完成。因受煤炭市場(chǎng)制約，該公司頻繁更換煤源，以期達(dá)到生產(chǎn)效益最大化。鑒于此，筆者通過實(shí)驗(yàn)研究了來自黑龍江鶴崗當(dāng)?shù)夭煌旱V和俄羅斯遠(yuǎn)東煤礦的煤所制備水煤漿的性質(zhì)，并對(duì)水煤漿工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，為中國(guó)最北方地區(qū)進(jìn)行水煤漿化工和“外煤內(nèi)用”可行性提供了一定的數(shù)據(jù)支撐和借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水煤漿的制備

1.1.1 原料煤的選取及分析

實(shí)驗(yàn)所選取的原料煤分別來自鶴崗當(dāng)?shù)鼐旅旱V（JD）、富力煤礦（FL）、興安煤礦（XA）和俄羅斯遠(yuǎn)東煤礦（ELS）。原料煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。

表1 原料煤的工業(yè)分析與元素分析%

1.1.2 實(shí)驗(yàn)條件的選擇

1.1.2.1 水煤漿添加劑

水煤漿是將水、少量添加劑、具有不同粒度分布的煤粉混合在一起，經(jīng)研磨形成的混合物[1]。因煤粉是憎水性物質(zhì)，難于被水潤(rùn)濕，故水煤漿是一種顆粒懸浮體，屬熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，必須加入化學(xué)添加劑才能夠制出低黏度、高濃度、高穩(wěn)定性、易于輸送的優(yōu)質(zhì)水煤漿[2]。木質(zhì)素磺酸鹽系水煤漿添加劑，因價(jià)格低廉、制備原材料豐富、無毒、性能優(yōu)越等特性被廣泛用于水煤漿的制備[3-4]。因此，實(shí)驗(yàn)選用國(guó)內(nèi)常用的木質(zhì)素磺酸鹽系水煤漿添加劑制備水煤漿。

1.1.2.2 制漿用水水質(zhì)

制漿用水為工業(yè)原水：濁度≤3 mg/L，COD≤20 mg/L，pH為6～9，色度≤70度，BOD≤4 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度≤1 mg/L。

1.1.2.3 煤粉粒度分布

水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)每提高1%，有效氣（CO+H2）體積分?jǐn)?shù)平均提高1.5%，為使氣化過程中有效氣（CO+H2）含量較高和工業(yè)生產(chǎn)效益最大化，要求氣化用水煤漿在性質(zhì)穩(wěn)定的前提下，具有較高濃度，這就要求水煤漿中煤粉顆粒具有不同的粒度分布，以便形成有效堆積和填充，來增加所制水煤漿的濃度。由于所選煤質(zhì)差異性較大，哈氏可磨性能不同，為使4種煤粉粒度分布相同，實(shí)驗(yàn)采取干法球磨制煤粉，篩分不同粒徑煤粉，按照粒度分布要求進(jìn)行配比制漿。制漿用煤粉粒度分布應(yīng)符合Alfred公式[5]，粒度分布為：14目～40目占6.0%、40目～120目占37.5%、120目～200目 占12.5%、200目～325目占9.0%、325目及以上占35.0%。

1.1.3 水煤漿的制備過程

根據(jù)上述所選實(shí)驗(yàn)條件制漿，在25℃下，稱取一定量原水置于廣口瓶中，加入一定量添加劑干粉，添加劑用量為干基煤質(zhì)量的3.5‰，再按相同的粒度分布加入煤粉，進(jìn)行混合攪拌，攪拌速率為3 200 r/min，攪拌時(shí)間為15 min。

1.2 水煤漿評(píng)價(jià)方法的選擇

1.2.1 水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定方法一般有紅外干燥法和烘箱干燥法2種，實(shí)驗(yàn)采用烘箱干燥法。稱取一定量的水煤漿，放在烘箱中，設(shè)定干燥溫度為105℃～110℃，干燥至恒重。根據(jù)干燥后干基煤質(zhì)量計(jì)算水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)。水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）=[干基煤質(zhì)量/（干基煤質(zhì)量+原水質(zhì)量+添加劑質(zhì)量）]×100%。

1.2.2 水煤漿流變性的測(cè)定

采用國(guó)家水煤漿工程技術(shù)研究中心和成都儀器廠聯(lián)合研制的NXS-4C型水煤漿黏度儀，在25℃恒溫條件下，測(cè)量在一定剪切速率下水煤漿的表觀黏度。

1.2.3 水煤漿穩(wěn)定性的測(cè)定

采用落棒法測(cè)定水煤漿的穩(wěn)定性。將所制水煤漿樣品放入玻璃容器中，恒溫、密閉保存，定期用玻璃棒插入樣品，即采用自由落棒的方式來測(cè)定水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性，并記錄水煤漿產(chǎn)生軟沉淀和硬沉淀的含量。

1.3 水煤漿性能

1.3.1 不同煤質(zhì)水煤漿的成漿性

煤制成水煤漿的難易程度通常用煤的成漿特性來評(píng)價(jià)。在25℃、剪切速率為100 s-1下，選用相同的制漿條件，測(cè)得4種煤制水煤漿的表觀黏度見圖1。

由圖1可知，4種煤質(zhì)水煤漿隨著濃度的增加，其表觀黏度逐漸增加，ELS煤因其內(nèi)水含量較高，不易制成高濃度水煤漿。不同煤質(zhì)成漿性能具有一定差異，隨著煤變質(zhì)程度的增加，其碳元素含量增高，有利于制成高濃度水煤漿，鶴崗地區(qū)碳元素含量最高的JD煤相比FL煤和XA煤，其水煤漿成漿濃度更高，流動(dòng)性更好。

圖1 水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表觀黏度的關(guān)系

1.3.2 不同煤質(zhì)水煤漿的流變性

流體的流變性能一般有3種：第一種為牛頓流體，即流體黏度與剪切速率成線性關(guān)系；第二種為假塑性流體，即流體黏度隨著剪切速率的升高而降低，表現(xiàn)為剪切稀釋；第三種為脹塑性流體，即流體黏度隨著剪切速率的升高而升高，表現(xiàn)為剪切黏稠。選取4種煤質(zhì)水煤漿最高濃度漿體，測(cè)得水煤漿的剪切速率與剪切應(yīng)力，得到水煤漿流變性能曲線，見圖2。

圖2 水煤漿剪切速率與剪切應(yīng)力關(guān)系

由圖2可知，4種煤質(zhì)水煤漿在剪切速率＜18 s-1時(shí)，表現(xiàn)為水煤漿漿體黏度較高，隨剪切速率的增加，水煤漿漿體黏度顯著降低。4種煤制水煤漿的流變性能曲線具有高度相似性，其水煤漿漿體呈現(xiàn)明顯的剪切稀釋特性，即均為假塑性流體。

1.3.3 不同煤質(zhì)水煤漿的穩(wěn)定性

評(píng)價(jià)水煤漿漿體穩(wěn)定性常用24 h析水率和48 h產(chǎn)生軟沉淀與硬沉淀量進(jìn)行表征。在加入相同含量的水煤漿添加劑情況下，研究了4種煤質(zhì)水煤漿最大成漿濃度時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定性。同時(shí)用落棒法測(cè)定了水煤漿在靜置48 h后產(chǎn)生軟沉淀和硬沉淀的含量，結(jié)果見表2。

表2 不同煤質(zhì)水煤漿的穩(wěn)定性

由表2可知，隨著煤變質(zhì)程度增加，水煤漿漿體的穩(wěn)定性升高。JD煤和ELS煤水煤漿穩(wěn)定性好，析水率較低。

2 工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行情況

2.1 生產(chǎn)運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

工業(yè)上常用比氧耗、比煤耗、有效氣含量評(píng)價(jià)水煤漿燃燒性能。為滿足實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行需求，選取4種煤質(zhì)水煤漿性質(zhì)穩(wěn)定時(shí)各自最大的成漿濃度進(jìn)行煤漿燃燒性能對(duì)比分析。在保障系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，列出氣化爐運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同煤質(zhì)水煤漿運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)

由表3可知，在氣化爐壓力相同和渣口壓差變化不大情況下，鶴崗當(dāng)?shù)?種煤水煤漿濃度越高，其有效氣含量越高，合成氣總量越高。ELS煤因灰分含量低，表現(xiàn)出水煤漿濃度雖不高，但有效氣含量及合成氣總產(chǎn)量?jī)H次于鶴崗JD煤。

2.2 生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

依據(jù)表3中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算出4種煤質(zhì)水煤漿運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，結(jié)果列于表4。

表4 不同煤質(zhì)水煤漿經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

由表4可知，隨鶴崗當(dāng)?shù)?種煤變質(zhì)程度升高，水煤漿濃度升高，水煤漿氣化比氧耗和比煤耗均下降；ELS煤因灰分低，煤中有效成分高，故其比氧耗和比煤耗最低。

3 結(jié) 論

3.1 原料煤變質(zhì)程度越高，煤中碳元素含量越高，越容易制成高濃度水煤漿。

3.2 JD煤和ELS煤成漿性能較好，其水煤漿漿體具有較好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性、較低的析水率和沉淀量。

3.3 4 種煤質(zhì)水煤漿均是假塑性流體，呈現(xiàn)剪切稀釋特性。

3.4 4 種煤質(zhì)水煤漿隨著濃度的增加，其表觀黏度逐漸增加。

3.5 隨鶴崗當(dāng)?shù)?種煤變質(zhì)程度升高，煤漿濃度升高，有效氣含量升高，比氧耗和比煤耗降低；ELS煤因灰分低，煤中有效成分高，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，是較為理想的煤氣化水煤漿用煤。