煤液化残渣与神华煤制备气化水煤浆的试验研究*

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))

煤液化残渣是在煤直接液化过程中产生的约占投煤量30%左右的主要副产物，是一种高碳、高灰、高硫且成分复杂的固体混合物[1]，主要由液化原料煤中未转化的有机体、无机矿物质、催化剂和部分重质油等组成[2]。煤直接液化残渣的合理、高效利用具有重要的研究意义，对液化过程的资源利用率、经济性和环境保护有着重要的影响[3]。目前，液化残渣利用的主要途径有焦化、气化和燃烧3种方式，还有一些利用超临界萃取方法制备高附加值碳素材料等[4-5]。液化残渣具有内在水分含量低、含氧官能团和孔隙低的特点，有利于制备较高浓度的水煤浆。液化残渣替代部分原料煤制备气化水煤浆，再用水煤浆气化方式生产液化过程所需要的氢气，可以实现液化残渣再利用与煤炭液化的有机结合，对于提高煤直接液化过程中的能源转化效率和液化成本有重要的现实意义[6-7]。经过几十年的科技攻关，水煤浆制备技术得到了迅速发展，形成了多种成熟的水煤浆制备工艺，我国的制浆技术已达到国际先进水平[8-9]。制浆煤的性质、添加剂和粒度级配是影响水煤浆成浆性的主要因素，粒度级配又是评价水煤浆质量的重要因素[10-11]。常规制浆工艺是将原料煤、水和添加剂加入到磨机内经一次性研磨成浆，工艺简单但调节手段少，煤浆属于单峰级配，粒度分布相对集，堆积效率差，成浆浓度低[12]。分级研磨制浆工艺是将“选择性分级研磨”和“优化粒度级配”融入制浆工艺中，将棒磨机和细磨进行有机组合，在提高煤浆流动性的同时优化颗粒的堆积密度，进而提高煤浆浓度，该工艺可使煤浆浓度提高3~5个百分点，显著提高煤气化效率，降低比氧耗和比煤耗，增加有效气含量，降低了煤化工企业的生产运行成本[13-14]。煤浆浓度提高后，进入气化炉内的水分减少，提高水煤浆气化和煤炭资源利用效率，减少温室气体排放，对我国节能减排、低碳环保政策的实施具有重要的促进作用[15]。

笔者首先通过干法制浆方式，采用常规制浆工艺和分级研磨制浆工艺对液化残渣和神华煤进行成浆性研究，然后通过湿法制浆方式对其结果进行验证，最后在此基础上开展了液化残渣和神华煤的配煤制浆试验。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验原料为液化残渣和神华煤，收到煤样后对其进行分析测试，分析数据见表1。

表1 试验煤样的基本性质分析

由表1可见：液化残渣具有水分含量较低、高灰分、中高挥发分、高硫分的特点，液化残渣的水分较低有利于制成高浓度的煤浆，液化残渣的硫含量较高，一部分来自原料煤，大部分来自液化过程的助催化剂。神华煤属于水分中等、特低灰分、中高挥发分、特低硫的煤种。

1.2 试验仪器

成浆性试验所用的主要仪器见表2。

表2 成浆性试验所用的主要仪器

1.3 试验方法

先采用干法制浆，然后用湿法磨矿进行验证，干法制浆试验操作过程如下：先用颚式破碎机将原料煤破碎到6 mm以下；然后用棒磨机将一定量的煤粉进行粗磨矿，根据出料粒度要求，选取不同的磨矿时间；对不同时间点的煤样用振动筛进行筛分，测出粒度分布，直到达到要求。取出部分制备好的粗粉，放入超细研磨机中进行磨矿，选取不同的磨矿时间，使用激光粒度分布仪测定其粒度分布，至煤粉的粒径在75 μm以下。将符合粒度要求的煤粉、添加剂和水按照设定比例加入到制浆容器内进行调浆，将制备好的成品浆样分别进行浓度、表观黏度、流动性、稳定性的分析测试。

湿法制浆的试验过程如下：在超细研磨机内装入5 kg刚玉球介质，然后按设计浓度加入先前磨制好的粗粉、添加剂和一定量的水，湿法磨矿一定时间后制备出细浆。然后将钢棒及煤粉放入棒磨机中，按照煤样的设计浓度，加入一定量的添加剂、水和细浆，磨制不同时间，将制备好的成品浆试样分别进行浓度、表观黏度、流动性、稳定性的分析测试。

2 结果与讨论

2.1 常规制浆工艺成浆性试验

常规制浆工艺是在试验室内采用工业上传统的单棒磨机或球磨机制浆，将破碎后的原料煤、水和添加剂按设计比例加入到制浆容器内一次搅拌成浆。采用常规制浆工艺，添加剂选择木质素改性添加剂，添加量(w，下同)为0.3%(干基/干粉)，分别对液化残渣和神华煤进行成浆性试验，试验结果见表3。

表3 常规制浆工艺条件下的成浆性试验结果

由表3可见：随着液化残渣和神华煤成浆质量分数的逐渐提高，水煤浆的表观黏度逐渐增大，水煤浆的流动性明显变差，水煤浆的稳定性均较好。综合考虑表观黏度和流动性等因素，液化残渣的最高成浆质量分数为76.49%，神华煤的最高成浆质量分数为62.38%，2种煤样的成浆质量分数均相对较高。

2.2 分级研磨制浆工艺成浆性试验

原料煤的煤质性质、制浆用添加剂和粒度级配是影响成浆性的主要因素，其中粒度级配对水煤浆质量有重要影响，优化煤浆的粒度级配，可以提高颗粒的堆积效率，提高煤浆浓度，改善煤浆的流动性和稳定性。采用分级研磨制浆工艺进行成浆性研究，通过初步试验，确定出分级研磨工艺的的合理粒度配比为粗细粉质量比为85∶15，木质素改性添加剂为成浆性试验用药剂，最优的添加剂用量(w)为0.3%(干基/干粉)，在上述条件下进行成浆性试验，结果见表4。

表4 分级研磨制浆工艺条件下的试验结果

由表4可见：液化残渣的最高成浆质量分数为79.58%，神华煤的最高成浆质量分数为65.50%；与常规制浆工艺相比，分级研磨制浆工艺下2个煤样的成浆质量分数能提高3个百分点以上。

2.3 分级研磨制浆工艺湿法验证

在分级研磨制浆工艺条件下，采用湿法磨矿方式模拟工业制浆，验证干法制浆的试验结果。采用上述试验确定的最佳干法制浆条件，分别以液化残渣和神华煤为原料进行湿法磨矿试验，试验结果见表5。

表5 分级研磨制浆工艺的湿法制浆试验结果

由表5可见：在分级研磨湿法制浆条件下，细浆加入量(w)为15%时，液化残渣和神华煤磨矿时间分别为6 min，8 min时所制水煤浆的粒度指标、表观黏度指标基本满足要求，此时液化残渣和神华煤的成浆质量分数分别达到79.55%、65.42%，湿法制浆的试验结果和干法制浆的试验结果一致。

2.4 配煤制浆的成浆性试验

根据试验要求，在上述试验的基础上对神华煤与液化残渣进行配煤制浆试验(神华煤与液化残渣质量比为4∶1)。在粗细粉质量比为85∶15，添加剂选择木质素改性添加剂，添加剂用量(w)为0.3%(干基/干粉)的条件下，分别采用常规制浆工艺和分级研磨制浆工艺进行成浆性试验，试验结果见表6。

表6 配煤制浆的试验结果

由表6可见：神华煤与液化残渣按质量比4∶1比例配煤后，常规制浆工艺下的最高成浆质量分数为64.46%，分级研磨制浆工艺下的最高成浆质量分数为67.58%。与神华煤单种煤成浆质量分数相比，2种工艺下配煤后的成浆质量分数均提高了2个百分点以上。

3 结论

1)采用常规制浆工艺，液化残渣的最高成浆质量分数为76.49%，神华煤的最高成浆质量分数为62.38%，2种煤样的成浆质量分数相对较高。

2)分级研磨制浆工艺确定的合理粒度配比为粗细粉质量比为85∶15，木质素改性添加剂为成浆性试验用药剂，最优的添加剂用量(w)为0.3%(干基/干粉)，在上述工艺条件下，液化残渣的最高成浆质量分数为79.58%，神华煤的最高成浆质量分数为65.50%，与常规制浆工艺相比，分级研磨制浆工艺下2个煤样的成浆浓度能提高3个百分点以上。

3)对液化残渣和神华煤进行湿法磨矿验证，液化残渣和神华煤的成浆质量分数分别达到79.55%、65.42%，湿法制浆的试验结果和干法制浆的试验结果一致。

4)神华煤与液化残渣按质量比4∶1配煤后，常规制浆工艺下的最高成浆质量分数为64.46%，分级研磨制浆工艺下的最高成浆质量分数为67.58%；与神华煤单种煤成浆质量分数相比，成浆质量分数均可提高2个百分点以上。