高濃度料漿制備磨礦特性研究

戴愛(ài)軍，袁善錄，杜彥學(xué) ，葛啟明 ，劉 瑜

（1.西北化工研究院有限公司，陜西 西安 710061；2.西安元?jiǎng)?chuàng)化工科技股份有限公司，陜西 西安 710061；3.湖南金磨科技有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

水煤漿氣化是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用的有效途徑之一。常規(guī)氣化水煤漿含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%左右的原料煤，其水分在30%以上，故噸漿發(fā)熱量較低，在氣化爐內(nèi)氣化過(guò)程中單位產(chǎn)品能耗較高。高濃度料漿制備是通過(guò)改變傳統(tǒng)的一次濕磨料漿制備工藝，引入細(xì)磨或循環(huán)研磨工序[1]，達(dá)到調(diào)整料漿粒度級(jí)配的目的，實(shí)現(xiàn)粒度級(jí)配優(yōu)化，提高煤顆粒堆積效率，得到高濃度料漿。高濃度料漿比普通水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高約3個(gè)百分點(diǎn)以上，其發(fā)熱量更高，氣化時(shí)單位產(chǎn)品能耗較低。

磨礦特性是影響高濃度料漿制備和選配磨礦電機(jī)的關(guān)鍵因素。本文在實(shí)驗(yàn)室高濃度料漿制備的研究基礎(chǔ)上[2]，進(jìn)行了高濃度料漿制備磨礦特性研究，以獲得研磨過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，為工業(yè)化放大應(yīng)用提供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的依據(jù)和參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

煤樣：某企業(yè)生產(chǎn)用煤；制漿水：自來(lái)水；添加劑：萘磺酸甲醛縮聚物。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和分析方法

實(shí)驗(yàn)儀器：SDJC-100 顎式破碎機(jī)、XMB-Φ240×300 型球磨機(jī)、SDTGA-5000a 工業(yè)分析儀、可磨指數(shù)測(cè)定儀、JM-260 立式螺旋攪拌磨機(jī)（容積10 L 和50 L）、BT-2002 激光粒度儀、分樣篩、烘箱、真空泵、FA2004N分析天平。

原料煤質(zhì)分析按照GB/T 474—2008、GB/T 212—2008、GB/T 2565—2014 等進(jìn)行。原料煤粉的粒度采用分樣篩進(jìn)行分析，用篩上剩余煤粉的質(zhì)量除以總質(zhì)量，即為篩上率；用100%減去最上層篩的篩上率，即為最上層篩的篩下率，也叫通過(guò)率，第二層篩的篩下率為用100%減去最上層篩的篩上率以及第二層篩的篩上率，其他層的篩下率依此類推。一段磨礦產(chǎn)生的料漿采用濕法篩分進(jìn)行分析，二段磨礦產(chǎn)生的料漿采用BT-2002 激光粒度儀進(jìn)行分析。

1.3 原料分析

實(shí)驗(yàn)煤樣的煤質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤質(zhì)分析結(jié)果

從表1可知，實(shí)驗(yàn)煤樣的可磨指數(shù)（HGI）為 68，說(shuō)明該煤樣的可磨性中等。

2 結(jié)果與討論

2.1 磨礦時(shí)間

煤粒通過(guò)磨機(jī)研磨達(dá)到所需粒度的時(shí)間，即為磨礦時(shí)間。磨礦時(shí)間與原料煤的可磨指數(shù)關(guān)系密切，可磨指數(shù)越高的煤，達(dá)到同樣粒度的時(shí)間越短，反之，則時(shí)間越長(zhǎng)[3]。在實(shí)驗(yàn)室高濃度料漿制備的研究基礎(chǔ)上，采用兩級(jí)磨礦工藝進(jìn)行研磨，第一級(jí)研磨要求粒度＜45 μm 的煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)95%，第二級(jí)研磨要求粒度＜20 μm 的煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)95%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定滿足粒度要求所需要的磨礦時(shí)間，防止因磨礦時(shí)間不足或過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致煤粉粒度級(jí)配的不合理，影響料漿整體性能。原料煤（280 g）經(jīng)顎式破碎機(jī)粉碎成一定粒度的煤粉，然后經(jīng)球磨機(jī)研磨成具有一定粒度分布的煤粉，選用 20 目、40 目、80 目、120 目、160 目、200目和325 目（孔徑約45 μm）的分樣篩對(duì)其粒度進(jìn)行篩分分析，粒度分布見(jiàn)表2。

表2 一級(jí)磨礦入料粒度分布

2.1.1 一級(jí)磨礦時(shí)間

以表2 中煤粉和萘磺酸甲醛縮聚物為固體原料，加入自來(lái)水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%的料漿。利用JM-260 型50 L 立式螺旋攪拌磨機(jī)對(duì)上述料漿研磨攪拌一定時(shí)間后（第一級(jí)磨礦），利用分樣篩測(cè)定其粒度分布，主要考察45 μm 以下粒徑顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。每次稱取相同質(zhì)量的上述料漿，一次實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)研磨介質(zhì)進(jìn)行清洗，確保對(duì)相同質(zhì)量的料漿進(jìn)行研磨，維持磨機(jī)內(nèi)相同的填充效率。粒徑＜45 μm 煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨磨礦時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖1。

由圖1 可知，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的研磨后，粒徑＜45 μm的煤粒的含量明顯上升，說(shuō)明磨礦效果良好；磨礦時(shí)間超過(guò)18 min 后，曲線慢慢趨于平緩，變化幅度下降，說(shuō)明磨礦介質(zhì)對(duì)該料漿的研磨作用減弱，并且即使時(shí)間再延長(zhǎng)，其粒度變化也不大；當(dāng)磨礦時(shí)間19 min時(shí)，粒徑＜45 μm 的煤粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為95%，達(dá)到設(shè)定實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 粒徑＜45 μm 煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨磨礦時(shí)間的變化曲線

2.1.2 二級(jí)磨礦時(shí)間

第二級(jí)磨礦設(shè)備為JM-260 型10 L 立式螺旋攪拌磨機(jī)。原料采用第一級(jí)磨礦產(chǎn)生的粒徑＜45 μm 的煤粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.26%的料漿（對(duì)應(yīng)的第一級(jí)磨礦時(shí)間20 min），為了防止在第二級(jí)磨礦過(guò)程中因平均粒徑變細(xì)而導(dǎo)致料漿黏度迅速增大、流動(dòng)性變差，將其加水稀釋至固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%后使用；產(chǎn)品粒度采用BT-2002 激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。D95粒徑（煤粉累積粒度分布達(dá)到95%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑）隨磨礦時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 D95 粒徑隨磨礦時(shí)間的變化曲線

由圖2 可知，采用粒徑＜45 μm 的煤粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.26%的料漿作為第二級(jí)磨礦的原料時(shí)，通過(guò)磨礦介質(zhì)的連續(xù)研磨，可使其平均粒徑下降；隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，D95粒徑逐漸變小；研磨 50 min 后，D95粒徑變化幅度很小，說(shuō)明研磨介質(zhì)已經(jīng)不能將該料漿煤粒的粒徑研磨至更小，如果需要更細(xì)小的顆粒，必須更換研磨介質(zhì)。磨礦時(shí)間為35 min 時(shí)，D95粒徑約為20 μm，符合第二級(jí)磨礦設(shè)定條件。

2.2 磨礦能耗

磨礦單位能耗是確定磨機(jī)電機(jī)功率的關(guān)鍵參數(shù)，在選配電機(jī)時(shí)至關(guān)重要，影響料漿制備系統(tǒng)整體裝機(jī)規(guī)模和工業(yè)化運(yùn)行成本。在進(jìn)行前述磨礦時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還對(duì)磨礦單位能耗進(jìn)行了測(cè)量。第一級(jí)立式磨機(jī)單位磨礦能耗的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3，第二級(jí)立式磨機(jī)單位磨礦能耗的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

結(jié)合圖1 和圖3 可以看出，隨著磨礦時(shí)間的延長(zhǎng)，料漿中的顆粒粒徑逐漸變小，且粒徑變化幅度也逐漸變小，粒徑＜45 μm 的顆粒含量逐漸增加，磨機(jī)的單位能耗也隨之增大。當(dāng)入一級(jí)磨礦原料粒徑從＜45 μm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占 27.93%研磨到粒徑＜45 μm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占95%時(shí)，電耗約為16.0 kWh/t。

圖3 第一級(jí)磨礦能耗曲線

圖4 第二級(jí)磨礦能耗曲線

由圖4 可知，以第一級(jí)磨礦產(chǎn)品粒徑＜45 μm 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占96.26%的料漿為原料，進(jìn)行第二級(jí)磨礦研磨，當(dāng)D95=20 μm 時(shí)，單位磨礦能耗約為36.0 kWh/t。

3 結(jié)論和建議

在球磨機(jī)制粉的基礎(chǔ)上，通過(guò)兩級(jí)磨礦研磨，能夠?qū)⒚毫Ｑ心ブ烈欢６确植?，符合高濃度料漿制備條件。當(dāng)?shù)谝患?jí)磨礦研磨19 min，能耗約為16.0 kWh/t，第二級(jí)磨礦研磨35 min，能耗約為36.0 kWh/t 時(shí)，兩級(jí)磨礦均可得到符合要求的粒度分布，可為工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

在工業(yè)化實(shí)施過(guò)程中，要根據(jù)原料煤的可磨性及要求達(dá)到的粒度級(jí)配，有針對(duì)性地進(jìn)行詳細(xì)的磨礦實(shí)驗(yàn)，以確定該原料煤的磨礦特性，為工業(yè)化應(yīng)用工藝條件和設(shè)備選擇提供參考依據(jù)。