改善粒度级配提高宁东水煤浆的研究*

吉文欣，王丽琼

（宁夏大学 能源化工重点实验室，宁夏 银川 750021）

我国是一个多煤少油的国家，煤炭在一次能源的生产和消费中占75%左右，随着我国国民经济的快速发展，我国对石油的需求量也逐年剧增。为此，我国将“以煤代油”列为一项基本能源政策，并明确将“水煤浆（CWS）技术开发”列为国家重点鼓励发展的高新技术和产业，实行以煤代油具有深远的战略意义[1-4]。神华煤业集团宁东煤化工基地25万t·a-1煤基甲醇项目，采用德士古水煤浆加压气化技术[5-7]，球磨机湿法磨煤制浆，工艺要求煤浆浓度≥60%，表观粘度≤1500MPa·s，才能利于泵送、加压气化，并提高气化效率；由于气化炉采用液态排渣，要求原料煤的灰分含量不能超过13%，原料煤灰熔点≤1300℃。由于宁东地区主要煤质属低变质年轻煤种，内水含量高，挥发份及灰分含量偏高，属易磨难成浆煤种，制得的水煤浆浓度偏低（59%以下），限制甲醇产量，同时过量的水使煤耗增加，导致气化装置长期处于低水平、高负荷运转，所以如何提高宁东地区水煤浆的浓度是当务之急。

高浓度水煤浆分散体系在某种意义上可看作是由各种粒度煤粉构成的粒子床，其孔隙度为0.4左右，当这些空隙被水完全填充时，水煤浆浓度可达65%。不论单煤还是配煤，采用合适的粒度级配，均可明显提高成浆浓度。不同颗粒级配的煤制成的浆体都存在不同的浓度临界值，超过这个临界值，浆体的粘度急剧增大，流动性恶化；相同浓度水煤浆的粘度随颗粒级配不同而有较大差异，合理的颗粒级配可使水煤浆粘度降低，流动性增强[8]。

结合甲醇厂主要原料煤——羊场湾煤煤质分析数据，通过实地考察宁东甲醇厂实际生产情况，采用干磨配煤的方法，考察不同级配条件对水煤浆的性能影响规律，制备出浓度在60%以上、粘度≤1500 MPa·s的适合德士古炉气化工艺的宁东煤制高浓度水煤浆，为工业生产提供可靠的级配方案，以保证德士古气化装置长周期、满负荷运转。

1 实验部分

选取宁东甲醇厂原料煤——羊场湾矿，采用干磨配煤的方法，用100×60型鄂式破碎机预破碎，然后在QQ4A/B型轻型球磨机上磨煤，制得煤粉经筛分后进行煤粒度级配。采用干法制浆，称取已经配好的100g煤粉，倒入钢杯中，用小烧杯准确量取一定量的添加剂（所有水煤浆均采用木质素磺酸盐类具有较高性价比的添加剂），加入蒸馏水使其溶解，全部转移到钢杯中，用搅拌器在1200r·min-1的转速下搅拌5min，制备水煤浆。水煤浆粘度的测定使用DV-1+PRO型数字式粘度计，选用3号转子，转速30r·min-1，测量时间30s，测量温度25℃。最后称取准确质量水煤浆，在105℃烘至质量不在改变，称重，确定水煤浆质量百分比浓度。

2 结果与讨论

现在宁东甲醇厂使用的原料煤来自羊场湾矿，该煤灰份（Aad）8.23（wt）%，内水（wad）8.30（wt）%，挥发份（Vad）27.94（wt）%，固定碳（FCad）55.04（wt）%，发热量（Qb.ad）24.85kJ·g-1，可磨指数（HGI）72，灰熔点（DT=1210℃，ST=1220℃，FT=1230℃），反应活性（800℃时16.8%，900℃时45.1%，1000℃时70.1%，1100℃时95.2%），综合比较来看，羊场湾矿煤灰份、内水含量不大，易磨，具有较高的气化反应活性，适合于制备较高浓度德士古气化炉用原料水煤浆。

2.1 不同粒径煤的浆体粘度和稳定性

选用3种粒度组成不同的细煤粉制浆，粒度分别是35目以下、80目以下和200目以下，煤浆的浓度控制在61.0%，测定不同粒径煤的浆体粘度和稳定性，见表1。

表1 不同粒径煤的浆体粘度和稳定性Tab.1 Viscosity and stability of CWS of different sizes

由表1可见，当煤浆的质量分数相同时，煤粒度对水煤浆的粘度有巨大的影响，制浆所用煤的粒径越小，浆体的粘度越高，稳定性也越好。但是全部采用200目以下煤粉制成的煤浆其粘度过大（2557.7 MP·s），超过了工艺要求上限，表明需要向浆体中加入粗粒子，以降低浆体的粘度，同时使煤粉具有紧密的堆积，进一步提高浓度，并使浆体保持一定的稳定性。

2.2 细颗粒对水煤浆性能的影响

表2 细粒子含量对的水煤浆粘度的影响Tab.2 Effect of percentage of small size to viscosity of CWS

对于宁东甲醇厂的德士古水煤浆加压气化工艺，原料水煤浆都是边生产边使用，基本上不存在长时间储存和运输的问题，所以对于该工艺，稳定性并不是最主要的技术参数，最重要的技术参数是煤浆的浓度和粘度，要求水煤浆浓度不低于60%，粘度低于1500MPa·s，由于原料水煤浆中的细颗粒含量对气化效率有很大影响，一般要求200目以下细颗粒含量要在40%以上，才利于气化，所以有必要考察200目以下的细粒子对水煤浆的影响（表2），控制煤浆浓度在61.0%，煤浆中其他粒度（80～200目，60～80目，35～60目）按 1∶1∶1的比例进行级配，改变200目以下细粒子的含量，发现200目以下细粒子对水煤浆的性能影响很大，随其含量上升水煤浆的粘度上升很快。而当细粒子含量在50%和40%时，煤浆粘度都比较小，综合考虑粘度及气化效率要求，水煤浆中200目以下粒子占50%的是最合适的。

2.3 多级级配

根据以上研究结果，我们用羊场湾矿煤制备了高浓度的水煤浆，保持浓度在65%，添加剂掺量在1%，将200目以下细粒子的含量固定在50%，改变其它粒度（80～200 目，60～80目，35～60目）含量时，水煤浆的性能变化规律见表3。

表3 多级级配水煤浆的粘度Tab.3 Viscosity of CWS of different sizes

由表3可见，在高浓度下，多级级配中有5种级配方案都达到了粘度＜1500MPa·s的德士古气化炉粘度要求，其中当 W200目以下∶W80～200目∶W60～80目∶W35～60目=5∶2∶1∶2 时，水煤浆的粘度最低，可以减少泵送、雾化能耗，提高气化效率，是最佳级配方案。

3 结论

对于宁东甲醇厂德士古水煤浆加压气化工艺，采用羊场湾矿煤制备的水煤浆，浓度相同时，煤的粒度越小浆体的粘度越高，稳定性越好。采用不同煤粒度级配的水煤浆其性能差异较大，合理的颗粒级配可使水煤浆粘度降低，流动性增强，经研究发现，最佳级配为 W200目以下∶W80～200目∶W60～80目∶W35～60目=5∶2∶1∶2，此时，粘度为 756.7 MP·s，浓度为65%，完全满足德士古炉对水煤浆的要求。

［1］赵国华，段钰锋，徐峰.高浓度水煤浆流变特性和稳定性试验研究［J］.热能动力工程，2008，23（2）：201-205.

［2］周明松，邱学青，王卫星.水煤浆分散剂研究进展［J］.煤炭转化,2004，27（3）：12-16.

［3］孙成功，吴家珊，李保庆.低温热改质煤表面性质变化及其对浆体流变特性的影响［J］.燃料化学学报，1996，24（2）：175-180.

［4］李寒旭，纪明俊，李军.混合煤对水煤浆性能的影响［J］.选煤技术，2001，（3）：54-56.

［5］吕运江，潘荣.德士古煤气化工艺运行方式总结［J］.化肥工业，2008，35（1）：42-45.

［6］谢书胜，邹佩良.德士古水煤浆气化、Shell气化和GSP气化工艺对比［J］.当代化工，2008，37（6）：666-668.

［7］韩承结.德士古气化工艺的优劣比较［J］.安徽化工，2007，33（1）：45-46.

［8］田青运，胡发亭，樊学彬.水煤浆的药剂、粒度级配的试验与应用［J］.煤炭科学技术，2005，33（1）：44-47.