气化配煤成浆性的优化研究*

荣令坤,崔保禄,张沛儒,孙海章,贾风军,李文秀,李大虎

(内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院,内蒙古 包头 014010)

煤气化能够达到充分利用煤炭资源的目的,是煤炭清洁高效利用的最主要途径,更是发展煤制气、煤制油、煤制甲醇、煤制烯烃和煤制乙二醇等现代煤化工产业的基础.鄂尔多斯市依托其丰富的煤炭资源,不断加大煤炭资源洁净利用率,大力发展现代煤化工产业,目前已建成各类煤化工产能1 500多万t,年煤炭转化量可达6 500万t,形成了全国最大的现代煤化工产业集群.

现代煤化工是以煤气化为龙头的.目前,主流煤气化工艺是水煤浆气化,包括神华煤制烯烃、达旗新奥能源、汇能煤化工等均采用这种工艺.尽可能的提高煤浆浓度可对气化企业带来巨大收益[1].配煤技术是改善煤成浆性的有效技术之一,它是将不同煤种按照一定的比例混合起来,人工生产出一种“新煤种”,以充分发挥各单煤种的优势,取长补短,降低原料煤成本的同时,又能获得优秀的煤浆特性指标[2].

本文选取鄂尔多斯地区成浆性较差的煤为优化对象,研究了不同配煤比例、粒度级配和药剂复配条件下煤浆的特性参数(包括制浆浓度、表观黏度、流动性和稳定性),以期为低煤化度煤的气化配煤制浆工艺提供一些借鉴和参考.

1 试验部分

1.1 试验原料

1)制浆煤样

实验选用内蒙古鄂尔多斯地区3种代表性动力煤:纳林河煤(NLH)、韩家村煤(HJC)和满来梁煤(MLL),它们的工业分析及发热量见表1.由表1可知,3种煤的挥发分较高,都在46%左右,说明它们煤化程度类似,都属于较年轻的烟煤.其中韩家村煤的内在水含量较高,超过10%,同时灰分较低,其余煤样内在水分较低,灰分较高,根据张荣增等[3]发明的煤的成浆性评定方法,预测后2种煤的成浆浓度应高于韩家村煤.

表1 煤样的工业分析和发热量

2)制浆添加剂

本次试验采用了通用水煤浆气化炉专用的水煤浆添加剂(工业纯,通用电气公司,美国,以下简称通用专用),为棕褐色碱性液态产品,密度在1.2 g/cm3左右,固体含量≥30%,杂质含量≤3%,此外还选用了聚羧酸系水煤浆添加剂,考虑到聚羧酸系水煤浆添加剂相比于常用的萘系添加剂能够明显提高水煤浆的制浆浓度,可有效的降低水煤浆黏度,相比于萘系添加剂,聚羧酸系添加剂可在小用量情况下成浆[4].试验采用的聚羧酸系水煤浆添加剂从市场购得,为弱碱性白色粉末,堆积密度为0.6 g/cm3,固体含量≥98%.

1.2 试验设备

本试验用到的主要设备如表2所示.

表2 主要试验设备

1.3 水煤浆制备

本试验中水煤浆制备的工艺流程如图1所示.首先将原煤破碎到一定粒度,经筛分分级为0.3～0.154 mm,0.154～0.074 mm和-0.074 mm 3个粒度级.然后根据实验设计采用单煤种粒度级配或不同比例配煤粒度级配,再加入一定比例的添加剂和水与煤粉混合,用1 500 r/min转速的搅拌器搅拌15 min,得到所需水煤浆样品.最后再采用相应设备或方法测定水煤浆的浓度、黏度、流动性和稳定性.

图1 水煤浆制备流程

1.4 水煤浆性能评价

1)水煤浆浓度的测定

水煤浆浓度按照国家标准《水煤浆试验方法第2部分:浓度测定》(GB/T 18856.2—2008)中的干燥箱干燥法进行测定.

2)水煤浆表观黏度的测定

水煤浆表观黏度按照国家标准《水煤浆试验方法第4部分:表观黏度测定》(GB/T 18856.4—2008)中的方法进行测定.

3)水煤浆流动性的测定

采用SPSS 18.0软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

本次试验采用目测法判定水煤浆的流动性,具体为:水煤浆经过搅拌后,按其流动状态将其流动性分为4个等级:A级,在未加干扰的情况下能够进行线性流动;B级,在未加干扰的情况下能够以水滴的形式滴落;C级,需有外力干扰才能进行流动;D级,经过搅拌后不流动.

4)水煤浆稳定性的测定

本试验中水煤浆的稳定性测定采用棒测法,即将制得的水煤浆静置24 h后插入玻璃棒,观察其是否出现硬沉淀.

2 结果与讨论

2.1 3种煤的单独成浆性能

张颂[5]的研究表明:将>74 μm和<74 μm粒级的颗粒按照1∶1的质量配比,能够获得一个较好的粒度级配效果.为此本试验就采用上述2个粒级的煤样以1∶1的质量配比进行单种煤制浆.均采用通用专用水煤浆添加剂,添加量为0.3%,其成浆特性参数见表3.

表3 3种煤样的成浆特性参数

由表3可知:满来梁煤的最高制浆浓度能达到60%以上,但是其表观黏度较高,流动性较差,静置24 h后出现少许硬沉淀.韩家村煤的成浆性最差,这应该与其较高的内在水分有关,内在水分高使煤浆中可自由流动的水分减少,所以要达到合适的表观黏度和流动性,其成浆浓度就很低.很明显,纳林河煤的成浆性最好,其浓度为63.25%时,表观黏度和流动性都是最好的,这可能与其内水含量较低有关.3种煤的煤浆参数说明:相比于灰分和挥发分,内在水含量对成浆浓度的影响最大.

2.2 配煤的成浆性能

配煤技术能够发挥不同煤种的优良特性,不同煤种之间可以取长补短,将配煤的综合指标提高.前述,韩家村煤因内在水含量高,使其成浆性很差.因此,本试验采用配煤方法来改善韩家村煤的成浆性,提高其成浆浓度,所以在配煤时着力提高韩家村煤的占比.试验设定纳林河∶韩家村∶满来梁3种煤的质量配比分别为1∶7∶2,2∶6∶2和2∶5∶3,配煤的粒度级配也采用>74 μm和<74 μm粒级按1∶1的质量配比,添加通用专用水煤浆添加剂0.3%,不同配煤的成浆性能见表4.

表4 3种配煤的成浆特性参数

由表4可知:以韩家村煤为优化对象,随着纳林河煤和满来梁煤占比增加,配煤的最高制浆浓度也随之增加.采用配煤技术通过将成浆性好的煤加入难成浆煤中确实能够改善难成浆煤种的成浆性,获得好的经济效益.本试验中,当3种煤的配比为2∶5∶3时,不仅最高制浆浓度达到了57.54%,表观黏度和流动性都有所改善.

2.3 不同粒度级配提高成浆浓度

杨磊等[6]对宁东煤进行粒度级配制浆的研究发现:粗颗粒和细颗粒煤在粒度尺寸相差较大的情况下,能够实现较好的粒度级配效果,制浆浓度较高,流动性好,且浆体的黏度较低.苏鑫等[7]认为2窄粒级煤的颗粒尺寸相差一定的大小后会明显地改善煤炭颗粒的堆积效率,而且在制备高浓度低黏度水煤浆时,需要合适的粒级配比.为找出较好的粒度级配方案,本试验采用0.154～0.3 mm,0.074～0.154 mm和-0.074 mm 3个粒级两两互配制浆.同样,本次试验也采用成浆性最差的韩家村煤制浆,不同粒级质量配比为1∶1,通用专用水煤浆添加剂用量0.3%,不同级配方案下煤浆参数见表5.

表5 不同粒度级配下韩家村煤的成浆特性参数

由表5可知:不同的粒度级配下,同种煤的成浆浓度存在差异,只有使小粒度煤能够嵌入大粒度煤形成的间隙,即获得较大的堆积效率,并具有一定的自由度,才能使煤的成浆浓度升高.这可能是第3种粒度级配获得高浓度浆体的原因.结合表3数据,第3种粒度级配下韩家村煤的制浆浓度较+74 μm/-74 μm粒级=1∶1制浆浓度提升了4.16%,但水煤浆表观黏度较高,为此,接下来试着采用配煤制浆的方法降低煤浆黏度.由表4可知,3种煤质量配比(纳林河∶韩家村∶满来梁)为2∶5∶3时较1∶7∶2,2∶6∶2时,配煤的成浆浓度较大,黏度较低.为此,继续按照纳林河煤∶韩家村煤∶满来梁煤=2∶5∶3的质量配比制备水煤浆,其特性参数见表6,表中粒度级配为1∶1,添加剂也为通用专用水煤浆添加剂(用量0.3%).

表6 配煤粒度级配成浆特性参数

由表6可知:配煤技术确实能很好的改善韩家村煤的成浆性,使成浆浓度提高2.43%,不仅如此,表观黏度也降低到934 MPa·s,而且流动性也得到改善.

2.4 药剂复配提高浆体性能

分散剂对于煤炭制浆至关重要.常用的水煤浆分散剂多数为具有两亲作用的表面活性剂,如萘系、木质素系、腐殖酸系、聚羧酸系等等.水煤浆添加剂各有所长,目前还没有发现各方面性能均优异的水煤浆添加剂.只有复配适当的分散剂体系,才具有明显地分散剂协同效应,同时也是制备高浓度水煤浆,降低黏度的有效途径[8].

本文制浆试验除采用通用气化炉专用水煤浆添加剂外,又选择了生产技术成熟且价格较低的聚羧酸系水煤浆添加剂.有报道指出聚羧酸盐分子结构的主链、侧链和侧链基团能够产生稳定的立体作用,防止发生凝聚现象,可有效地将煤粉颗粒分散在水中[9].试验采用纳林河煤∶韩家村煤∶满来梁煤=2∶5∶3质量配比的混配煤,粒度级配为0.154～0.3 mm粒级:-0.074 mm粒级=1∶1,添加剂用量为0.3%,2种添加剂质量配比及成浆特性参数见表7.

表7 不同配比分散剂成浆特性参数

由表7可知:与单独采用通用专用水煤浆添加剂相比,药剂复配可明显改善水煤浆性能,3种药剂配比下的成浆浓度都较表6中的数据高,而且表观黏度和流动性均得到显著改善.尤其是药剂配比为2∶3时,配煤的制浆浓度最高(为60.96%),而且流动性最好,且表观黏度也降到851 mPa·s.

3 结语

1)3种煤中韩家村煤单独成浆性能最差,煤的内在水分是影响制浆难易程度的关键因素,影响程度大于灰分的影响程度.

2)3种煤的配煤比例(纳林河∶韩家村∶满来梁)为2∶5∶3时,制浆浓度较高,且流动性较好,黏度较低.

3)配煤的粒度级配为粒级为0.154～0.3 mm粒级:-0.074 mm粒级=1∶1的情况下制浆浓度较好,达到58.86 %,表观黏度为1 011 MPa·s.

4)药剂复配可显著改善煤的成浆性能,药剂配比(聚羧酸系∶通用专用分散剂)为2∶3时,成浆浓度和表观黏度分别为60.96%和851 MPa·s,可满足II级气化水煤浆国标相应指标要求,此时浆体流动性等级为A,24 h不出现硬沉淀.