新疆混煤制氣化水煤漿的成漿性試驗研究*

杜麗偉，何紅興

(1. 煤科院節能技術有限公司，北京 100013；2. 國家水煤漿工程技術研究中心，北京 100013；3. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

新疆煤炭資源豐富，預測儲量為2.19萬億t，約占全國總儲量的40.5%[1]。適度發展現代煤化工是實現煤炭清潔轉化和高效利用的重要途徑，既能保障能源供應安全，又能發揮我國煤炭資源優勢[2]。水煤漿是一種新型煤基流體潔凈環保燃料，既保留了煤的燃燒特性，又具備了類似重油的液態燃料特點。水煤漿技術作為一種清潔環保煤炭潔凈煤技術之一，已被列為我國能源發展重點推廣技術。自20世紀80年代開始，美國、加拿大、日本、英國、瑞典等國家均投入大量研發力量開發各種水煤漿技術，水煤漿技術在國際上已日趨成熟[3]。我國水煤漿制備技術歷經30多年的研究與開發，已應用于工業鍋爐燃燒及煤化工轉化等多個領域，并達到了國際領先水平。據統計，目前我國燃料水煤漿生產和使用量已達3 000萬t/a，氣化水煤漿的使用量已超過2億t/a[4]。低階煤制漿及燃燒技術、工業廢水制漿、市政污泥制漿、制漿設備大型化、裝備的開發應用等技術是未來水煤漿產業的主要發展方向[5]。

水煤漿是一種復雜的固液煤基流體燃料和氣化原料，影響其質量的主要因素有煤質性質、粒度級配及添加劑等[6-9]。其中，煤質性質是影響水煤漿成漿性和漿體流變性的首要因素；粒度級配是影響水煤漿質量的重要因素；添加劑在制漿過程中的加入量比較少，其用于改變煤顆粒表面性質，促使顆粒在水中分散，形成較好的流變性和穩定性[10]。我國新疆地區的煤炭大部分屬于低階煤，較難制得高質量分數煤漿，許多學者通過粒度級配或添加劑復配等手段來改變煤漿質量。段清兵等[11]、王淼森[12]采用分級研磨制漿工藝對新疆當地的單種煤進行了提濃試驗，制得煤漿平均質量分數為57.75%，比傳統工藝提高3個百分點；李文明[13]研究了不同分散劑對神華新疆煤的成漿影響，單獨制漿時紅沙泉煤制漿質量分數較黑山煤制漿質量分數低5個百分點；紅沙泉煤和黑山煤混合后，紅沙泉煤在混煤所占比例越高，成漿質量分數越低，當紅沙泉煤質量分數為50%，萘系與木質素磺酸鈉復配質量比為4∶6，添加劑量(w)為0.4%時，制取的混煤成漿質量分數最高為60.45%。上述研究在一定程度上提高了新疆地區的低階煤制漿質量分數。

為進一步提高新疆地區低階煤的氣化煤漿質量分數，擴大制漿煤源，針對某煤化工項目，進行新疆混煤[紅沙泉煤為主煤(w=70%)、黑山煤為輔煤(w=30%)]制漿，要求煤氣化水煤漿質量分數達到60%以上，具有較好的流動性和適宜的表觀黏度。筆者利用間斷級配制漿工藝對新疆混煤進行成漿性試驗，考察了不同制漿工藝下對煤漿質量分數、黏度及流動性的影響，探索出提高新疆混煤成漿質量分數的最佳粒度級配。

1 試驗部分

1.1 煤質分析

黑山煤、紅沙泉煤2個煤樣的煤質分析結果見表1。

表1 煤的工業分析

由表1可見：黑山煤具有內水含量低、特低灰、高揮發分特點，紅沙泉具有內水含量高、低灰、中高揮發分特點。

1.2 試驗儀器

5E-JCA破碎機：長沙開元儀器有限公司；NXS-4C水煤漿黏度計：成都儀器廠；HB43快速水分測定儀：瑞士梅特勒-托利多公司；Mastersizer3000型激光粒度儀：英國馬爾文儀器公司；XMB-φ240×300棒磨機：武漢探礦機械廠；MKJP-3選擇性破磨機：山東九昌重工科技有限公司；QHJM-3超細磨機：湖南超牌科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 水煤漿制備

采用干法制備水煤漿，根據制漿工藝的不同選擇不同的研磨設備制備粗、細煤粉，添加劑選擇國家水煤漿工程技術研究中心研發的木質素改性添加劑，添加劑用量(w)為0.3%(干基/干粉)，每次調漿量為200 g，再經電動攪拌器在800 r/min條件下對物料進行剪切，剪切時間為6 min，使之成為有流動性的漿體，最后對水煤漿試樣進行質量分數、表觀黏度、流動性測試。

1.3.2 水煤漿性能測定方法

水煤漿質量分數作為水煤漿質量的重要指標，是指煤在水煤漿所占的固體質量分數。多次試驗結果表明，采用快速水分測定儀測定水煤漿質量分數的方法是可行的，該方法簡單、易操作、檢測時間較短。

水煤漿表觀黏度測定按GB/T 18856.4—2008《水煤漿試驗方法 表觀黏度測定》，測試在試驗溫度20 ℃、剪切速率100 s-1時水煤漿的表觀黏度。

氣化水煤漿的流動性采用目測法，根據漿體自然下落的間斷狀態，可分為B和C 2個級別。B級：漿體連續流動，漿體自然下落不粘連；C級：漿體膏狀不成漿，無流動性。為了進一步區分B級流動性的較小差別，分別以“+”和“-”表示，“B+”表示B級中流動性較好者；“B-”表示B級中流動性較差者。

水煤漿穩定性測定采用簡單有效的插棒法進行評價，首先將制好的水煤漿試樣密封保存靜置8 h，然后將玻璃棒插入水煤漿試樣中，探測漿體的深度，并記錄煤漿沉淀狀態。水煤漿穩定性分為4個等級：A級表示漿體無沉淀，無析水；B級表示漿體有少量析水或底部略有軟沉淀；C級表示漿體多數軟沉淀，上層析水量多，經攪拌能恢復流動；D級表示漿體分層嚴重，析水澄清可見，漿體變硬，玻璃棒無法插入。

水煤漿粒度測定采用篩分法，稱取一定量的需要篩分的水煤漿試樣，置于1，0.15，0.075，0.045 mm試驗篩中，用自來水進行篩分，將試驗篩上的物料烘干后放入振篩機再次進行振篩，最后算出水煤漿中大于或小于某一篩孔孔徑的物料質量分數。

2 結果與分析

2.1 傳統工藝制漿試驗

單磨機制漿指采用棒磨機研磨出級配粒度，目前在我國氣化水煤漿制備行業中應用較多。棒磨機的磨棒處于線接觸，因此煤中大顆粒首先受到磨碎，具有一定的選擇性磨碎作用，在磨機出口處即為水煤漿氣化原料，棒磨雖然具有磨礦效率高、能耗低、處理量大及控制上限粒度等優點，但存在粒度較粗，粒度級配不合理的缺點，會使漿體質量分數偏低，穩定性與流動性較差[14]。

黑山煤與紅沙泉煤粗粉的制備：煤種經破碎至6 mm以下，再分別單獨入料2.5 kg加至小型棒磨機中，研磨一定時間后，取出試樣，振篩煤粉粒度，粒度符合要求后，先對單種煤制備的粗粉調漿，考察單種煤成漿性能，再用2種粗煤粉以質量比7∶3摻勻混配后進行配煤制漿。配煤制漿可以改善難制漿煤的成漿性能，還可擴大原料煤種的適用范圍，實現原料多樣化及資源的合理利用。黑山、紅沙泉2個單種煤及混煤制漿結果表2，混煤粒度分布見表3。

表2 傳統制漿工藝成漿性試驗

由表2可見：采用傳統制漿工藝，煤漿黏度隨著質量分數的增大而增大，這是由于質量分數增大使顆粒間的自由水減少，摩擦阻力增大，進而增大煤漿黏度，流動性變差。在流動性較好和表觀黏度小于1 300 mPa·s的條件下，黑山煤，紅沙泉，配煤的成漿質量分數分別為60.62%，55.12%，56.39%。通過配煤，成漿性較差的紅沙泉煤的成漿質量分數較單獨制漿時也有所提高。

表3 新疆混煤傳統制漿工藝下的粒度分布

由表3可見：傳統制漿工藝主要以棒磨為主，存在制漿濃度低，粒度分布為單峰連續級配，粒度分布上沒有調節手段等缺點。顆粒間的空隙沒有更小的顆粒進行填充，降低了堆積效率，尤其是小于0.045 mm的細顆粒質量分數為34.96%，煤漿中的粒度比較均一，制得的水煤漿質量分數較低。

2.2 分級研磨工藝制漿試驗

隨著水煤漿產業的不斷發展，制漿技術與設備也隨著制漿煤種的變化而改進。國家水煤漿工程技術研究中心開發了分級研磨高質量分數制漿技術，該技術通過選擇性粗磨機和高效超細細磨機的有機組合，使粗細顆粒相互填充，達到最佳粒度級配，提高了堆積效率和質量分數[15]。與傳統制漿工藝相比，煤漿質量分數提高2～3個百分點，解決了低階煤制漿時研磨能耗高、粒度級配差等技術難題[16]，已成功應用于氣化煤漿制備領域。工藝流程見圖1。

圖1 分級研磨制漿工藝流程示意

紅沙泉煤與黑山煤按質量比7∶3均勻配比后作為一種煤樣進入棒磨機研磨，出料后的粒度作為粗粉，粗粉的平均粒徑為100～150 μm，選取部分粗粉再進入細磨機制備成細粉，細粉的平均粒徑約為20 μm。粗細粉的配比、粒徑是制備高質量分數水煤漿的關鍵。若加入細粉比例太高，煤漿黏度上升，研究結果表明：根據煤種的不同，細粉配入比例優選添加10%～20%。添加劑選用木質素改性系，用量(w)0.3%(干基/干粉)，分級研磨工藝成漿試驗結果見表4，分級研磨制漿工藝和傳統制漿工藝的粒度分布對比見表5。

表4 分級研磨工藝成漿性試驗

由表4可見：采用分級研磨制漿工藝后，細粉的加入提高了水煤漿質量分數和黏度，在漿體質量分數為60%時，漿體黏度增大，流動性變差。通過對漿體的流動性、表觀黏度等因素進行考察，確定粗細級配達到最優的條件為細粉加入比例(w)為15%，該條件下新疆混煤制備的水煤漿質量分數為59.26%。較傳統制漿工藝(紅沙泉煤與黑山煤質量比7∶3，水煤漿質量分數56.39%)提高2.87個百分點，但仍未滿足氣化制漿質量分數為60%以上的要求。

由表5可見：分級研磨工藝的各粒度的水煤漿質量分數均有所提高，分級工藝中粒度小于0.075 mm水煤漿質量分數較傳統工藝提高了7.93個百分點，煤漿的平均粒徑有所降低，拓寬了粒度分布范圍。

表5 分級研磨制漿工藝和傳統制漿工藝的粒度分布對比

2.3 間斷級配工藝制漿試驗

為進一步提高煤漿質量分數及堆積效率，國家水煤漿工程技術研究中心開發了間斷級配制漿技術。采用原煤破碎與煤粉分離技術相結合的方法實現了對水煤漿粒度分布的控制，使煤漿粒度級配更加優化，堆積效率大幅提高。該制漿技術的實驗室工藝流程示意見圖2。

圖2 間斷級配制漿工藝流程示意

經實驗室多次對不同煤樣進行驗證，結果表明該工藝較傳統制漿工藝水煤漿的質量分數提高4個百分點以上。采用間斷級配制漿工藝，在新疆混煤[紅沙泉煤為主煤(w=70%)、黑山煤為輔煤(w=30%)]，配入(w)20%～30%的細粉至粗粉中，添加劑選木質素改性系，用量為0.3%(w) (干基/干粉)，間斷級配工藝成漿性試驗結果見表6，間斷級配制漿工藝和傳統制漿工藝的粒度分布對比見表7。

表6 間斷級配工藝成漿性試驗

由表6可見：經實驗室多次對不同煤樣進行驗證，結果表明該工藝較傳統制漿工藝質量分數提高4個百分點以上。采用間斷級配制漿工藝后，漿體質量分數大幅提高，粗細顆粒之間相互填充，在細粉填加到一定比例后，漿體有非常明顯的增黏和流動性提高的效果。當細粉加入量(w)為30%時，漿體質量分數達到63%，煤漿黏度已超過氣化標準要求(表觀黏度不大于1 300 mPa·s)，但煤漿還具有較好的流動狀態，這是由于復合流中粗顆粒由推移形式運動轉變為懸移運動，細顆粒對大顆粒的表面起到了潤滑作用，進而減少了流動阻力。

表7 間斷級配制漿工藝和傳統制漿工藝的粒度分布

由表7可見：采用間斷級配工藝，粒度小于0.075 mm和粒度小于0.045 mm累積含量均比傳統制漿工藝的含量高，分布特點是粗細兩端的顆粒含量增加，表現為粗粉粒度增大，細粉足夠細，這樣有利于提高煤漿的堆積效率，進而提高煤漿質量分數。

考慮工業制漿實際情況，在滿足氣化水煤漿標準的條件下，粗細粉質量比為70∶30時，新疆混煤成漿質量分數最高為61.38%，黏度為1 289 mPa·s，漿體流動性和穩定性均較好，較傳統制漿工藝混煤質量分數56.39%提高了4.99個百分點，滿足了企業對氣化煤漿質量分數高于60%的要求。

3 結論

以新疆紅沙泉煤和黑山混煤為原料，對比分析了傳統制漿工藝、分級研磨工藝和間斷級配工藝的成漿試驗結果，得到以下結論。

1)采用傳統制漿工藝，紅沙泉煤、黑山煤2種單種煤及兩者以質量比7∶3混煤所制水煤漿的質量分數分別為55.12%，60.62%，56.39%，成漿性較差，需通過優化粒度級配來提高煤漿的質量分數。

2)采用分級研磨制漿工藝，新疆混煤中細粉質量分數為15%時，水煤漿最高質量分數為59.26%，較傳統制漿工藝提高了2.87個百分點。該工藝的創新是多破少磨，粗磨與細磨結合，磨礦效率及水煤漿堆積效率較高，形成了連續級配，改善了粒度分布，與單棒磨機(傳統制漿)工藝相比，煤漿質量分數顯著提高。

3)采用間斷級配制漿工藝，粗細粉質量比為70∶30時，混煤的成漿質量分數達到了61.38%，較傳統制漿工藝提高4.99個百分點，滿足了生產中氣化水煤漿質量分數應高于60%的要求；同時，該條件下制備的水煤漿黏度為1 289 mPa·s。滿足氣化水煤漿標準。該工藝的創新是以隔層堆積理論為基礎，結合漿體水力學相關內容，利用細顆粒包裹大顆粒提高了煤漿流動性及堆積效率，采用原煤破碎與煤粉分離技術相結合的方法實現了對水煤漿粒度分布的控制，使煤漿粒度級配更加優化。