煤液化殘渣與神華煤制備氣化水煤漿的試驗研究*

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))

煤液化殘渣是在煤直接液化過程中產生的約占投煤量30%左右的主要副產物，是一種高碳、高灰、高硫且成分復雜的固體混合物[1]，主要由液化原料煤中未轉化的有機體、無機礦物質、催化劑和部分重質油等組成[2]。煤直接液化殘渣的合理、高效利用具有重要的研究意義，對液化過程的資源利用率、經濟性和環境保護有著重要的影響[3]。目前，液化殘渣利用的主要途徑有焦化、氣化和燃燒3種方式，還有一些利用超臨界萃取方法制備高附加值碳素材料等[4-5]。液化殘渣具有內在水分含量低、含氧官能團和孔隙低的特點，有利于制備較高濃度的水煤漿。液化殘渣替代部分原料煤制備氣化水煤漿，再用水煤漿氣化方式生產液化過程所需要的氫氣，可以實現液化殘渣再利用與煤炭液化的有機結合，對于提高煤直接液化過程中的能源轉化效率和液化成本有重要的現實意義[6-7]。經過幾十年的科技攻關，水煤漿制備技術得到了迅速發展，形成了多種成熟的水煤漿制備工藝，我國的制漿技術已達到國際先進水平[8-9]。制漿煤的性質、添加劑和粒度級配是影響水煤漿成漿性的主要因素，粒度級配又是評價水煤漿質量的重要因素[10-11]。常規制漿工藝是將原料煤、水和添加劑加入到磨機內經一次性研磨成漿，工藝簡單但調節手段少，煤漿屬于單峰級配，粒度分布相對集，堆積效率差，成漿濃度低[12]。分級研磨制漿工藝是將“選擇性分級研磨”和“優化粒度級配”融入制漿工藝中，將棒磨機和細磨進行有機組合，在提高煤漿流動性的同時優化顆粒的堆積密度，進而提高煤漿濃度，該工藝可使煤漿濃度提高3~5個百分點，顯著提高煤氣化效率，降低比氧耗和比煤耗，增加有效氣含量，降低了煤化工企業的生產運行成本[13-14]。煤漿濃度提高后，進入氣化爐內的水分減少，提高水煤漿氣化和煤炭資源利用效率，減少溫室氣體排放，對我國節能減排、低碳環保政策的實施具有重要的促進作用[15]。

筆者首先通過干法制漿方式，采用常規制漿工藝和分級研磨制漿工藝對液化殘渣和神華煤進行成漿性研究，然后通過濕法制漿方式對其結果進行驗證，最后在此基礎上開展了液化殘渣和神華煤的配煤制漿試驗。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗原料為液化殘渣和神華煤，收到煤樣后對其進行分析測試，分析數據見表1。

表1 試驗煤樣的基本性質分析

由表1可見：液化殘渣具有水分含量較低、高灰分、中高揮發分、高硫分的特點，液化殘渣的水分較低有利于制成高濃度的煤漿，液化殘渣的硫含量較高，一部分來自原料煤，大部分來自液化過程的助催化劑。神華煤屬于水分中等、特低灰分、中高揮發分、特低硫的煤種。

1.2 試驗儀器

成漿性試驗所用的主要儀器見表2。

表2 成漿性試驗所用的主要儀器

1.3 試驗方法

先采用干法制漿，然后用濕法磨礦進行驗證，干法制漿試驗操作過程如下：先用顎式破碎機將原料煤破碎到6 mm以下；然后用棒磨機將一定量的煤粉進行粗磨礦，根據出料粒度要求，選取不同的磨礦時間；對不同時間點的煤樣用振動篩進行篩分，測出粒度分布，直到達到要求。取出部分制備好的粗粉，放入超細研磨機中進行磨礦，選取不同的磨礦時間，使用激光粒度分布儀測定其粒度分布，至煤粉的粒徑在75 μm以下。將符合粒度要求的煤粉、添加劑和水按照設定比例加入到制漿容器內進行調漿，將制備好的成品漿樣分別進行濃度、表觀黏度、流動性、穩定性的分析測試。

濕法制漿的試驗過程如下：在超細研磨機內裝入5 kg剛玉球介質，然后按設計濃度加入先前磨制好的粗粉、添加劑和一定量的水，濕法磨礦一定時間后制備出細漿。然后將鋼棒及煤粉放入棒磨機中，按照煤樣的設計濃度，加入一定量的添加劑、水和細漿，磨制不同時間，將制備好的成品漿試樣分別進行濃度、表觀黏度、流動性、穩定性的分析測試。

2 結果與討論

2.1 常規制漿工藝成漿性試驗

常規制漿工藝是在試驗室內采用工業上傳統的單棒磨機或球磨機制漿，將破碎后的原料煤、水和添加劑按設計比例加入到制漿容器內一次攪拌成漿。采用常規制漿工藝，添加劑選擇木質素改性添加劑，添加量(w，下同)為0.3%(干基/干粉)，分別對液化殘渣和神華煤進行成漿性試驗，試驗結果見表3。

表3 常規制漿工藝條件下的成漿性試驗結果

由表3可見：隨著液化殘渣和神華煤成漿質量分數的逐漸提高，水煤漿的表觀黏度逐漸增大，水煤漿的流動性明顯變差，水煤漿的穩定性均較好。綜合考慮表觀黏度和流動性等因素，液化殘渣的最高成漿質量分數為76.49%，神華煤的最高成漿質量分數為62.38%，2種煤樣的成漿質量分數均相對較高。

2.2 分級研磨制漿工藝成漿性試驗

原料煤的煤質性質、制漿用添加劑和粒度級配是影響成漿性的主要因素，其中粒度級配對水煤漿質量有重要影響，優化煤漿的粒度級配，可以提高顆粒的堆積效率，提高煤漿濃度，改善煤漿的流動性和穩定性。采用分級研磨制漿工藝進行成漿性研究，通過初步試驗，確定出分級研磨工藝的的合理粒度配比為粗細粉質量比為85∶15，木質素改性添加劑為成漿性試驗用藥劑，最優的添加劑用量(w)為0.3%(干基/干粉)，在上述條件下進行成漿性試驗，結果見表4。

表4 分級研磨制漿工藝條件下的試驗結果

由表4可見：液化殘渣的最高成漿質量分數為79.58%，神華煤的最高成漿質量分數為65.50%；與常規制漿工藝相比，分級研磨制漿工藝下2個煤樣的成漿質量分數能提高3個百分點以上。

2.3 分級研磨制漿工藝濕法驗證

在分級研磨制漿工藝條件下，采用濕法磨礦方式模擬工業制漿，驗證干法制漿的試驗結果。采用上述試驗確定的最佳干法制漿條件，分別以液化殘渣和神華煤為原料進行濕法磨礦試驗，試驗結果見表5。

表5 分級研磨制漿工藝的濕法制漿試驗結果

由表5可見：在分級研磨濕法制漿條件下，細漿加入量(w)為15%時，液化殘渣和神華煤磨礦時間分別為6 min，8 min時所制水煤漿的粒度指標、表觀黏度指標基本滿足要求，此時液化殘渣和神華煤的成漿質量分數分別達到79.55%、65.42%，濕法制漿的試驗結果和干法制漿的試驗結果一致。

2.4 配煤制漿的成漿性試驗

根據試驗要求，在上述試驗的基礎上對神華煤與液化殘渣進行配煤制漿試驗(神華煤與液化殘渣質量比為4∶1)。在粗細粉質量比為85∶15，添加劑選擇木質素改性添加劑，添加劑用量(w)為0.3%(干基/干粉)的條件下，分別采用常規制漿工藝和分級研磨制漿工藝進行成漿性試驗，試驗結果見表6。

表6 配煤制漿的試驗結果

由表6可見：神華煤與液化殘渣按質量比4∶1比例配煤后，常規制漿工藝下的最高成漿質量分數為64.46%，分級研磨制漿工藝下的最高成漿質量分數為67.58%。與神華煤單種煤成漿質量分數相比，2種工藝下配煤后的成漿質量分數均提高了2個百分點以上。

3 結論

1)采用常規制漿工藝，液化殘渣的最高成漿質量分數為76.49%，神華煤的最高成漿質量分數為62.38%，2種煤樣的成漿質量分數相對較高。

2)分級研磨制漿工藝確定的合理粒度配比為粗細粉質量比為85∶15，木質素改性添加劑為成漿性試驗用藥劑，最優的添加劑用量(w)為0.3%(干基/干粉)，在上述工藝條件下，液化殘渣的最高成漿質量分數為79.58%，神華煤的最高成漿質量分數為65.50%，與常規制漿工藝相比，分級研磨制漿工藝下2個煤樣的成漿濃度能提高3個百分點以上。

3)對液化殘渣和神華煤進行濕法磨礦驗證，液化殘渣和神華煤的成漿質量分數分別達到79.55%、65.42%，濕法制漿的試驗結果和干法制漿的試驗結果一致。

4)神華煤與液化殘渣按質量比4∶1配煤后，常規制漿工藝下的最高成漿質量分數為64.46%，分級研磨制漿工藝下的最高成漿質量分數為67.58%；與神華煤單種煤成漿質量分數相比，成漿質量分數均可提高2個百分點以上。