新疆混煤制气化水煤浆的成浆性试验研究*

杜丽伟，何红兴

(1. 煤科院节能技术有限公司，北京 100013；2. 国家水煤浆工程技术研究中心，北京 100013；3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

新疆煤炭资源丰富，预测储量为2.19万亿t，约占全国总储量的40.5%[1]。适度发展现代煤化工是实现煤炭清洁转化和高效利用的重要途径，既能保障能源供应安全，又能发挥我国煤炭资源优势[2]。水煤浆是一种新型煤基流体洁净环保燃料，既保留了煤的燃烧特性，又具备了类似重油的液态燃料特点。水煤浆技术作为一种清洁环保煤炭洁净煤技术之一，已被列为我国能源发展重点推广技术。自20世纪80年代开始，美国、加拿大、日本、英国、瑞典等国家均投入大量研发力量开发各种水煤浆技术，水煤浆技术在国际上已日趋成熟[3]。我国水煤浆制备技术历经30多年的研究与开发，已应用于工业锅炉燃烧及煤化工转化等多个领域，并达到了国际领先水平。据统计，目前我国燃料水煤浆生产和使用量已达3 000万t/a，气化水煤浆的使用量已超过2亿t/a[4]。低阶煤制浆及燃烧技术、工业废水制浆、市政污泥制浆、制浆设备大型化、装备的开发应用等技术是未来水煤浆产业的主要发展方向[5]。

水煤浆是一种复杂的固液煤基流体燃料和气化原料，影响其质量的主要因素有煤质性质、粒度级配及添加剂等[6-9]。其中，煤质性质是影响水煤浆成浆性和浆体流变性的首要因素；粒度级配是影响水煤浆质量的重要因素；添加剂在制浆过程中的加入量比较少，其用于改变煤颗粒表面性质，促使颗粒在水中分散，形成较好的流变性和稳定性[10]。我国新疆地区的煤炭大部分属于低阶煤，较难制得高质量分数煤浆，许多学者通过粒度级配或添加剂复配等手段来改变煤浆质量。段清兵等[11]、王淼森[12]采用分级研磨制浆工艺对新疆当地的单种煤进行了提浓试验，制得煤浆平均质量分数为57.75%，比传统工艺提高3个百分点；李文明[13]研究了不同分散剂对神华新疆煤的成浆影响，单独制浆时红沙泉煤制浆质量分数较黑山煤制浆质量分数低5个百分点；红沙泉煤和黑山煤混合后，红沙泉煤在混煤所占比例越高，成浆质量分数越低，当红沙泉煤质量分数为50%，萘系与木质素磺酸钠复配质量比为4∶6，添加剂量(w)为0.4%时，制取的混煤成浆质量分数最高为60.45%。上述研究在一定程度上提高了新疆地区的低阶煤制浆质量分数。

为进一步提高新疆地区低阶煤的气化煤浆质量分数，扩大制浆煤源，针对某煤化工项目，进行新疆混煤[红沙泉煤为主煤(w=70%)、黑山煤为辅煤(w=30%)]制浆，要求煤气化水煤浆质量分数达到60%以上，具有较好的流动性和适宜的表观黏度。笔者利用间断级配制浆工艺对新疆混煤进行成浆性试验，考察了不同制浆工艺下对煤浆质量分数、黏度及流动性的影响，探索出提高新疆混煤成浆质量分数的最佳粒度级配。

1 试验部分

1.1 煤质分析

黑山煤、红沙泉煤2个煤样的煤质分析结果见表1。

表1 煤的工业分析

由表1可见：黑山煤具有内水含量低、特低灰、高挥发分特点，红沙泉具有内水含量高、低灰、中高挥发分特点。

1.2 试验仪器

5E-JCA破碎机：长沙开元仪器有限公司；NXS-4C水煤浆黏度计：成都仪器厂；HB43快速水分测定仪：瑞士梅特勒-托利多公司；Mastersizer3000型激光粒度仪：英国马尔文仪器公司；XMB-φ240×300棒磨机：武汉探矿机械厂；MKJP-3选择性破磨机：山东九昌重工科技有限公司；QHJM-3超细磨机：湖南超牌科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 水煤浆制备

采用干法制备水煤浆，根据制浆工艺的不同选择不同的研磨设备制备粗、细煤粉，添加剂选择国家水煤浆工程技术研究中心研发的木质素改性添加剂，添加剂用量(w)为0.3%(干基/干粉)，每次调浆量为200 g，再经电动搅拌器在800 r/min条件下对物料进行剪切，剪切时间为6 min，使之成为有流动性的浆体，最后对水煤浆试样进行质量分数、表观黏度、流动性测试。

1.3.2 水煤浆性能测定方法

水煤浆质量分数作为水煤浆质量的重要指标，是指煤在水煤浆所占的固体质量分数。多次试验结果表明，采用快速水分测定仪测定水煤浆质量分数的方法是可行的，该方法简单、易操作、检测时间较短。

水煤浆表观黏度测定按GB/T 18856.4—2008《水煤浆试验方法 表观黏度测定》，测试在试验温度20 ℃、剪切速率100 s-1时水煤浆的表观黏度。

气化水煤浆的流动性采用目测法，根据浆体自然下落的间断状态，可分为B和C 2个级别。B级：浆体连续流动，浆体自然下落不粘连；C级：浆体膏状不成浆，无流动性。为了进一步区分B级流动性的较小差别，分别以“+”和“-”表示，“B+”表示B级中流动性较好者；“B-”表示B级中流动性较差者。

水煤浆稳定性测定采用简单有效的插棒法进行评价，首先将制好的水煤浆试样密封保存静置8 h，然后将玻璃棒插入水煤浆试样中，探测浆体的深度，并记录煤浆沉淀状态。水煤浆稳定性分为4个等级：A级表示浆体无沉淀，无析水；B级表示浆体有少量析水或底部略有软沉淀；C级表示浆体多数软沉淀，上层析水量多，经搅拌能恢复流动；D级表示浆体分层严重，析水澄清可见，浆体变硬，玻璃棒无法插入。

水煤浆粒度测定采用筛分法，称取一定量的需要筛分的水煤浆试样，置于1，0.15，0.075，0.045 mm试验筛中，用自来水进行筛分，将试验筛上的物料烘干后放入振筛机再次进行振筛，最后算出水煤浆中大于或小于某一筛孔孔径的物料质量分数。

2 结果与分析

2.1 传统工艺制浆试验

单磨机制浆指采用棒磨机研磨出级配粒度，目前在我国气化水煤浆制备行业中应用较多。棒磨机的磨棒处于线接触，因此煤中大颗粒首先受到磨碎，具有一定的选择性磨碎作用，在磨机出口处即为水煤浆气化原料，棒磨虽然具有磨矿效率高、能耗低、处理量大及控制上限粒度等优点，但存在粒度较粗，粒度级配不合理的缺点，会使浆体质量分数偏低，稳定性与流动性较差[14]。

黑山煤与红沙泉煤粗粉的制备：煤种经破碎至6 mm以下，再分别单独入料2.5 kg加至小型棒磨机中，研磨一定时间后，取出试样，振筛煤粉粒度，粒度符合要求后，先对单种煤制备的粗粉调浆，考察单种煤成浆性能，再用2种粗煤粉以质量比7∶3掺匀混配后进行配煤制浆。配煤制浆可以改善难制浆煤的成浆性能，还可扩大原料煤种的适用范围，实现原料多样化及资源的合理利用。黑山、红沙泉2个单种煤及混煤制浆结果表2，混煤粒度分布见表3。

表2 传统制浆工艺成浆性试验

由表2可见：采用传统制浆工艺，煤浆黏度随着质量分数的增大而增大，这是由于质量分数增大使颗粒间的自由水减少，摩擦阻力增大，进而增大煤浆黏度，流动性变差。在流动性较好和表观黏度小于1 300 mPa·s的条件下，黑山煤，红沙泉，配煤的成浆质量分数分别为60.62%，55.12%，56.39%。通过配煤，成浆性较差的红沙泉煤的成浆质量分数较单独制浆时也有所提高。

表3 新疆混煤传统制浆工艺下的粒度分布

由表3可见：传统制浆工艺主要以棒磨为主，存在制浆浓度低，粒度分布为单峰连续级配，粒度分布上没有调节手段等缺点。颗粒间的空隙没有更小的颗粒进行填充，降低了堆积效率，尤其是小于0.045 mm的细颗粒质量分数为34.96%，煤浆中的粒度比较均一，制得的水煤浆质量分数较低。

2.2 分级研磨工艺制浆试验

随着水煤浆产业的不断发展，制浆技术与设备也随着制浆煤种的变化而改进。国家水煤浆工程技术研究中心开发了分级研磨高质量分数制浆技术，该技术通过选择性粗磨机和高效超细细磨机的有机组合，使粗细颗粒相互填充，达到最佳粒度级配，提高了堆积效率和质量分数[15]。与传统制浆工艺相比，煤浆质量分数提高2～3个百分点，解决了低阶煤制浆时研磨能耗高、粒度级配差等技术难题[16]，已成功应用于气化煤浆制备领域。工艺流程见图1。

图1 分级研磨制浆工艺流程示意

红沙泉煤与黑山煤按质量比7∶3均匀配比后作为一种煤样进入棒磨机研磨，出料后的粒度作为粗粉，粗粉的平均粒径为100～150 μm，选取部分粗粉再进入细磨机制备成细粉，细粉的平均粒径约为20 μm。粗细粉的配比、粒径是制备高质量分数水煤浆的关键。若加入细粉比例太高，煤浆黏度上升，研究结果表明：根据煤种的不同，细粉配入比例优选添加10%～20%。添加剂选用木质素改性系，用量(w)0.3%(干基/干粉)，分级研磨工艺成浆试验结果见表4，分级研磨制浆工艺和传统制浆工艺的粒度分布对比见表5。

表4 分级研磨工艺成浆性试验

由表4可见：采用分级研磨制浆工艺后，细粉的加入提高了水煤浆质量分数和黏度，在浆体质量分数为60%时，浆体黏度增大，流动性变差。通过对浆体的流动性、表观黏度等因素进行考察，确定粗细级配达到最优的条件为细粉加入比例(w)为15%，该条件下新疆混煤制备的水煤浆质量分数为59.26%。较传统制浆工艺(红沙泉煤与黑山煤质量比7∶3，水煤浆质量分数56.39%)提高2.87个百分点，但仍未满足气化制浆质量分数为60%以上的要求。

由表5可见：分级研磨工艺的各粒度的水煤浆质量分数均有所提高，分级工艺中粒度小于0.075 mm水煤浆质量分数较传统工艺提高了7.93个百分点，煤浆的平均粒径有所降低，拓宽了粒度分布范围。

表5 分级研磨制浆工艺和传统制浆工艺的粒度分布对比

2.3 间断级配工艺制浆试验

为进一步提高煤浆质量分数及堆积效率，国家水煤浆工程技术研究中心开发了间断级配制浆技术。采用原煤破碎与煤粉分离技术相结合的方法实现了对水煤浆粒度分布的控制，使煤浆粒度级配更加优化，堆积效率大幅提高。该制浆技术的实验室工艺流程示意见图2。

图2 间断级配制浆工艺流程示意

经实验室多次对不同煤样进行验证，结果表明该工艺较传统制浆工艺水煤浆的质量分数提高4个百分点以上。采用间断级配制浆工艺，在新疆混煤[红沙泉煤为主煤(w=70%)、黑山煤为辅煤(w=30%)]，配入(w)20%～30%的细粉至粗粉中，添加剂选木质素改性系，用量为0.3%(w) (干基/干粉)，间断级配工艺成浆性试验结果见表6，间断级配制浆工艺和传统制浆工艺的粒度分布对比见表7。

表6 间断级配工艺成浆性试验

由表6可见：经实验室多次对不同煤样进行验证，结果表明该工艺较传统制浆工艺质量分数提高4个百分点以上。采用间断级配制浆工艺后，浆体质量分数大幅提高，粗细颗粒之间相互填充，在细粉填加到一定比例后，浆体有非常明显的增黏和流动性提高的效果。当细粉加入量(w)为30%时，浆体质量分数达到63%，煤浆黏度已超过气化标准要求(表观黏度不大于1 300 mPa·s)，但煤浆还具有较好的流动状态，这是由于复合流中粗颗粒由推移形式运动转变为悬移运动，细颗粒对大颗粒的表面起到了润滑作用，进而减少了流动阻力。

表7 间断级配制浆工艺和传统制浆工艺的粒度分布

由表7可见：采用间断级配工艺，粒度小于0.075 mm和粒度小于0.045 mm累积含量均比传统制浆工艺的含量高，分布特点是粗细两端的颗粒含量增加，表现为粗粉粒度增大，细粉足够细，这样有利于提高煤浆的堆积效率，进而提高煤浆质量分数。

考虑工业制浆实际情况，在满足气化水煤浆标准的条件下，粗细粉质量比为70∶30时，新疆混煤成浆质量分数最高为61.38%，黏度为1 289 mPa·s，浆体流动性和稳定性均较好，较传统制浆工艺混煤质量分数56.39%提高了4.99个百分点，满足了企业对气化煤浆质量分数高于60%的要求。

3 结论

以新疆红沙泉煤和黑山混煤为原料，对比分析了传统制浆工艺、分级研磨工艺和间断级配工艺的成浆试验结果，得到以下结论。

1)采用传统制浆工艺，红沙泉煤、黑山煤2种单种煤及两者以质量比7∶3混煤所制水煤浆的质量分数分别为55.12%，60.62%，56.39%，成浆性较差，需通过优化粒度级配来提高煤浆的质量分数。

2)采用分级研磨制浆工艺，新疆混煤中细粉质量分数为15%时，水煤浆最高质量分数为59.26%，较传统制浆工艺提高了2.87个百分点。该工艺的创新是多破少磨，粗磨与细磨结合，磨矿效率及水煤浆堆积效率较高，形成了连续级配，改善了粒度分布，与单棒磨机(传统制浆)工艺相比，煤浆质量分数显著提高。

3)采用间断级配制浆工艺，粗细粉质量比为70∶30时，混煤的成浆质量分数达到了61.38%，较传统制浆工艺提高4.99个百分点，满足了生产中气化水煤浆质量分数应高于60%的要求；同时，该条件下制备的水煤浆黏度为1 289 mPa·s。满足气化水煤浆标准。该工艺的创新是以隔层堆积理论为基础，结合浆体水力学相关内容，利用细颗粒包裹大颗粒提高了煤浆流动性及堆积效率，采用原煤破碎与煤粉分离技术相结合的方法实现了对水煤浆粒度分布的控制，使煤浆粒度级配更加优化。