配煤对成浆性的影响.doc

配煤对淮南煤成浆性能的影响 摘要 淮南煤煤质优良 可以制出浓度 70 左右的水煤浆 但淮南煤灰熔融温度过高 不适合淮化集团近年引入的德士古水煤浆气化炉的液态排渣工艺温度要求 针对水煤 浆加压气化过程中的高灰熔融温度煤种 进行了配煤实验研究 结果表明 通过配煤 可有效降低煤样灰熔融温度 同时其成浆性能得到改善 对实现水煤浆加压气化原料 多样化及煤炭资源的合理利用具有重要的现实意义 不同变质程度的煤混配 可相应改善煤种的成浆性能 提高制浆浓度 而煤样的 反应活性并不会受大的影响 利用淮南煤与蒙煤和华亭煤配煤制浆可以有效提高蒙煤 和华亭煤的制浆浓度 一般在同等粘度下可以提高 3 8 但不同煤种配煤制浆结 果有一定的差异 关键词 德士古关键词 德士古 配煤 配煤 灰熔融温度 灰熔融温度 水煤浆 成浆性 水煤浆 成浆性 EFFECT OF COAL BLENDING ON THE SLURRING PROPERTIES OF HUAINAN COALS ABSTRACT Huainan coal fine can be produced about 70 of the concentration of coal water slurry but the Huainan coal ash fusion temperature is too high not suitable for Huaihua Group introduced in recent years Texaco Gasifier Slag tap coal water slurry process temperature requirements For the process of coal water slurry pressurized gasification melting temperature of the high ash coal a coal blending experimental research results show that coal can reduce the melting temperature of coal as that the same time its performance has improved slurry ability for achieving water coal slurry pressurized gasification raw material diversity and the rational utilization of coal resources has important practical significance Different mixtures of coal rank corresponding to the coal slurry to improve performance increase the pulp concentration and reactivity of coal and will not be affected by alargeimpact on the use of Huainan coal and coal Mongolian coal and coal pulp Huatingcan effectively improve the Mongolian Huating coal and coal pulp concentration generally in the same viscosity can be increased by 3 to 8 but the results of pulp blending different coals have some differences KEYWORDS Texaco gasification coal blending ash melting point coal water slurry 目录 摘要 I ABSTRACT II 绪论 1 1 文献综述 2 1 1 我国的能源概况 2 1 2TEXACO水煤浆气化工艺 2 1 2 1 水煤浆气化技术 2 1 2 2Texaco 气化工艺简介 2 1 2 3Texaco 水煤浆气化的技术特点 4 1 2 4Texaco 水煤浆气化技术的应用 5 1 2 5Texaco 气化对煤质的要求 5 1 2 6Texaco 对水煤浆性能的基本要求 5 1 3 影响水煤浆流变特性的因素 6 1 4 配煤对煤的灰熔融性和成浆性能的影响 8 1 5 水煤浆的应用及研究现状 9 1 5 1 水煤浆的应用概述 9 1 5 2 水煤浆添加剂的研究现状 9 1 6 研究内容 10 2 实验部分 11 2 1 实验原料 11 2 2 实验方法 12 2 2 1 灰熔融温度测定 12 2 2 2 水煤浆成浆性能的测定 12 3 实验结果与讨论 15 3 1 淮南煤配蒙煤对煤灰熔融温度的影响 15 3 2 单煤水煤浆性能的测定 18 3 3 淮南煤配蒙煤水煤浆性能的测定 20 3 4 淮南煤配华亭煤对煤灰熔融温度的影响 26 3 5 淮南煤配华亭煤水煤浆性能的测定 27 3 6 配煤效果比较 32 3 6 1 配煤对灰熔融温度的影响 32 3 6 2 配煤对成浆性能的影响 33 4 结论 38 参考文献 39 致谢 41 绪论 德士古煤气化工艺 装置采用湿法进料系统 煤与水研磨成浆后用泵送入气化炉 作为第二代煤气化技术的水煤浆加压气化技术 具有气化炉结构简单 能耗低 水煤 浆进料易控安全 单炉生产能力大 环境友好 有效气 CO H2 含量高 煤的适应性 宽 原料利用率高和原料输送方便等特点 对于国内正在运行的水煤浆加压气化装置 基本上都存在变换原料煤的问题 也 都不同程度地暴露出了由于煤源的变化或煤质的波动而带来的操作问题 1 2 由于煤质 不稳定 成浆性能变化较大 严重影响系统的正常运行和生产负荷的提高 液态排渣 操作的水煤浆加压气化炉 对原料煤种灰熔融温度一般要求 FT1500 不能单独用于液态排渣的水煤浆加压气化炉 淮南煤以气煤和 1 3 焦煤为主 煤质属中等挥发分 特低硫 特低磷 高热值 粘 结性好 可磨性好 碳含量高 是一种优质的动力煤和化工原料煤 由于煤的灰熔融 温度高 1500 以上 灰分高 在煤化工的应用上受到限制 如何降低淮南煤的灰熔融温度 使其达到水煤浆加压气化对灰熔融温度的要求 一般的技术途径为添加助熔剂或配煤 而配煤制浆可视为现实 经济的可行措施 尤 其是如何利用当地煤源与其他煤种配合 为工业生产装置提供质量稳定 成浆性能良 好 符合制浆要求的原料 对于拓宽水煤浆加压气化煤种 降低原料价格 提高制浆 浓度和气化效率方面既有理论意义又有实际意义 本文选取几种高灰熔融温度淮南煤 为研究对象 考察配煤对其灰熔融温度及成浆性能的影响 1 文献综述 1 1 我国的能源概况 我国是一个煤炭消费大国 煤炭在我国可燃矿物资源中占 96 2008 年我国煤炭 产量达到 27 16 亿吨 专家预测 2010 年我国煤炭产量将突破 30 亿吨 在可预见的未来 以煤炭作为我国的第一能源的地位是不会改变的 然而煤炭利用技术普遍落后 因此 提高煤炭利用效率对于提高我国经济效益 节约能源 保护环境和促进社会协调发展 都具有十分重要的意义 3 提高煤炭利用效率最直接也是最重要的就是煤炭的清洁燃烧 其中 煤的气化是煤炭洁净转化的基础和关键技术 也是洁净煤技术领域的主要研究 方向之一 4 在全球经济迅速发展的今天 石油供需矛盾日益突出 我国石油进口依存度越来 越高 已严重威胁到我国能源安全和经济建设 寻求新的替代能源势在必行 目前只 有通过煤炭液化 合成燃料甲醇 二甲醚的途径才可能得到解决 这些技术的核心都 必须首先解决煤的气化问题 尤其要解决高灰熔融温度煤的气化问题 1 2Texaco 水煤浆气化工艺 1 2 1 水煤浆气化技术 煤的气化是用气化剂与煤中的可燃物反应 其中主要是炭在高温下起反应生成可 燃气体的过程 气化剂通常是空气 氧气作为放热反应的成份 水蒸汽 二氧化碳作 为吸热反应的成份 5 9 水煤浆气化是以水煤浆为原料 与工艺 O2在气化炉内进行部分氧化反应 气化压 力为 2 6Mpa 8 53Mpa 温度 1400 最终获得合成气 CO H2 该工艺碳转化率达 95 96 有效气成份 CO H2 高达 80 左右 甲烷含量低 不产生焦油 萘 酚等 污染物 Texaco 气化是一种水煤浆进料的加压气流床气化法 由美国 Texaco 开发公司研究 开发成功的 它是第二代气化方法中 开发最快 最有发展前途的气化方法 已经实 现了大规模工业应用 1 2 2Texaco 气化工艺简介 图图 1 1Texaco 气化炉示意图气化炉示意图 图图 1 2Texaco 工艺流程图工艺流程图 Texaco 气化炉是一个装有耐火衬里的并能承受高温高压的容器 以水煤浆为原料 采用 95 的 O2为气化剂 工作压力很高 属于增压喷流床气化 Texaco 气化炉由喷嘴 气化室 激冷室 或废热锅炉 组成 其中喷嘴为三通道 工艺氧走一 三通道 水 煤浆走二通道 介于两股氧射流之间 Texaco 气化炉上部为气化区 有耐火衬里 下 部为煤气冷却区 水煤浆通过顶部喷嘴在高速氧气流作用下破碎 雾化喷入气化炉 雾化水煤浆和氧气在炉内受到耐火衬里的高温辐射作用 迅速经历预热 水分蒸发 煤的干馏 挥发物的裂解燃烧以及炭的气化等一系列复杂的物理 化学过程 最后生 成合成气 其成份主要是氢气 一氧化碳 水蒸汽 二氧化碳及少量的硫化氢 氮气 等 热的合成气和熔渣从气化炉向下流入进入煤气冷却区 合成气经冷却后 煤气和 所含饱和蒸汽进入煤气冷却和净化装置 1 2 3Texaco 水煤浆气化的技术特点 德士古煤气化技术作为具有代表性的第二代煤气化技术 优点有 1 煤种适应性广 德士古气化工艺可以利用次烟煤 烟煤 石油焦 煤加氢液化 残渣等 2 连续生产性强 气化炉的原料煤浆 氧气的生产是连续的 因此也就能够连续 不断地进入气化炉 排渣经排渣系统固定程序控制 不需停车 气化开停少 系统操 作稳定 3 气化压力高 气化炉内的高压 首先是相同质量的产品气大幅度减小了比容积 提高了单炉产量 其次产品气具有的高压节省了煤气压缩所需要的能耗和费用 4 合成气质量好 国内外已有的德士古水煤浆气化工艺产品煤气中有效成份 CO H2 一般都在80 以上 5 气化温度高 高温产生的热能回收后生产蒸汽 能满足其它工序的生产需要 6 安全性能好 由于德士古工艺采用湿法磨煤 避免了干磨法中煤粉这一易燃易 爆物质给工业生产带来的巨大安全隐患 7 有利于环保 如淮化公司使用焦化含酚废水16t h 用于配制水煤浆 从而大幅 度降低了因满足环保要求而支出的废水处理费用 德士古气化工艺虽然与传统的煤气化工艺比较有诸多优势但它并非完美无缺 不 足之处有 1 制浆噪音大 煤在磨制成煤浆的过程中 由于磨料的相互碰撞 不可避免地产 生噪音污染 给现场操作人员的身体健康带来极为不利的影响 2 煤浆泵备件消耗高 3 水煤浆气化氧耗高 德士古气化炉氧耗一般都在 400Nm3 1000Nm3 CO H2 以上 为了降低氧耗 需选择灰份低 灰熔融温度低的煤 且煤的成浆性要好 以便制得高 浓度的煤浆 减少气化炉内气化水而耗氧 当煤的灰份 灰熔融温度上升 成浆性能 降低时 氧耗将大幅度提高 同时助熔剂 煤浆添加剂 炉砖的消耗也迅速上升 降 低了系统的经济效益 4 需备用热源 德士古气化炉投料时 其炉内温度必须在 1000 以上方可 这就 要求本系统外有备用热源设备 5 气化炉耐火材料寿命短 6 排渣系统阀门损耗大 7 洗气 渣水系统易堵塞 通过操作性能 运行稳定性及经济效益等各方面的综合评价 德士古水煤浆加压 气化工艺优势是强于劣势的 1 2 4Texaco 水煤浆气化技术的应用 德士古水煤浆加压气化工艺是 80 年代后期开始发展起来的一种先进的煤气化工艺 目前国内外已建成的大型化装置很多 近几年美国 日本 法国 荷兰等国家先后建 成了以煤 石油焦 燃料油和废弃物为原料来制气和发电的大型 Texaco 气化装置 我 国 1988 年引进第一套德士古水煤浆气化装置 此后相继在山东鲁南化肥厂 上海焦化 厂 淮南化工厂都引进了该项工艺 经过对德士古水煤浆气化装置的建设 试车 运 行 积累了丰富的经验 使水煤浆气化技术在我国不断改进和完善 10 1 2 5Texaco 气化对煤质的要求 1 煤的灰分含量 煤的灰分含量不得高于20 且越低越好灰分含量高的煤比灰分含量低的煤更易 结渣 且灰分含量越高 结渣越严重 同时煤灰成分还决定了灰渣的灰熔融温度 粘 温特性及对气化炉砖的腐蚀性 根据Texaco工艺要求 灰分含量一般小于10 2 灰熔融温度 水煤浆进入Texaco气化炉的燃烧室 在1300 1400 下进行部分氧化反应 决定 Texaco气化炉使用周期的关键是耐火砖的使用寿命 而影响耐火砖使用寿命的因素很 多 如气化炉的操作温度 灰渣成分和灰渣流动温度等 Texaco水煤浆加压气化工艺 要求煤的灰熔温度为1300 左右 因为此温度状态下流动的灰渣对耐火砖 铬砖 无腐蚀 或腐蚀轻微 排渣容易 对保证气化炉的长周期稳定运行有利 3 煤的发热量 煤的发热量是煤质分析的重要指标之一 它与煤的种类 煤的矿物质含量和水分 含量等因素有关 煤的发热量越高 在气化过程中热效率越高 能够保证气化炉所需 的热平衡 煤的经济价值也越高 Texaco水煤浆加压气化工艺用煤的参考发热量在 25MJ kg左右 4 挥发分 煤的挥发分能够反映出煤的许多重要特性 是了解煤的性质和用途的重要指标 挥发分含量高 煤的产气量高 产气率高 利于Texaco气化反应 一般要求挥发分含 量大于30 11 1 2 6Texaco 对水煤浆性能的基本要求 德士古气化是以水煤浆 氧气为原料 在加压条件下进行的煤气化反应 其中水 煤浆制备的质量直接关系到装置运行的稳定性和能量消耗的高低 因此 水煤浆的性 能在气化装置中具有举足轻重的作用 合格的气化用水煤浆应满足以下几个基本要求 1 较高的水煤浆浓度 水煤浆浓度是指水煤浆物系中的含固量 以重量百分数表示 它对煤浆的泵送 气化炉的雾化效果 气化效率 煤气质量以及原辅材料消耗有很大影响 若水煤浆浓 度较低 其粘度也较低 易泵送 但会使进入气化炉的水份增加消耗能量 为了维持 炉温 势必会增加氧气消耗 使比氧耗增高 过高的水煤浆浓度会使煤浆的粘度增大 煤浆的流动性变差 影响煤浆泵输送能力和雾化效果 使装置不能稳定的运行 一般 工业化水煤浆浓度在 60 70 之间 2 较好的流动性 水煤浆的流动性可以用煤浆的表观粘度来表示 由于在煤浆粘度的测定中 不同 转子 不同转速 不同时间段测得的粘度差异较大 粘度对于流动性来说 只能作为 参数 一般在操作中判断煤浆的流动性采用目测 即采用玻璃棒挑起煤浆 目测煤浆 的流动性状态来判断煤浆的流动性 煤浆的流动性可分为 4 个等级 A B C D 级 A 级指浆体能连续流下 B 级指浆体能断续流下 这两个等级的煤浆均可用于工业生 产 在其他条件相同不变的条件下 表观粘度越大 其流动性越差 不易泵送 喷嘴 的雾化效果变差 容易结块 堵塞工艺管线 阀门 在一定的煤浆浓度下 我们希望 得到具有较好流动性的水煤浆 一般采用添加表面活性剂的方法来改善水煤浆的流动 性 3 较好的稳定性 水煤浆的稳定性是指分散相 煤粒 在水中的悬浮能力 没有具体的参数来表示 其稳定性 稳定性好是指煤浆不易发生沉降 一般采用静置法 将煤浆倒入试管中 静置 24 小时 48 小时观察其析水量及沉积层的软硬程度来判煤浆稳定性的好坏 水煤 浆是一种粗分散的悬浮体系 该体系是一个不均匀的 动力不稳定的物系 存在着因 分散相 煤粒 的重力作用而引起沉降的问题 特别是在静置和低流速下 其稳定性 较差 在煤浆槽上部和下部会出现浓度差 对装置运行的稳定性构成威胁 水煤浆的 稳定性与煤粉的粒度分布和煤种的亲水性有关 煤粉粒度越小 表面亲水越强煤浆稳 定性就越好 但粘度会增大 流动性变差 为了得到较好的稳定性 应保证合理的煤 粉度分布和采用添加剂 12 1 3 影响水煤浆流变特性的因素 1 煤质对水煤浆流变特性的影响 煤是一种远古生物残骸经地质变化形成的可燃性物质岩 是由碳 氢 氧 硫 氮等化学元素形成的复杂有机化合物的混合体 具有多极性基因和发达的毛细孔 可 以吸附水而使之成为内在水 煤的内在水份是影响煤浆性的关键因素 内在水份越低 制成的水煤浆的流动性就越好 因而能够形成较高浓度的水煤浆 一般来说 对于年 轻的煤种 变质程度较浅 极性基因较多 毛细管较发达 更易吸附水而形成内在水 表现出较强的吸水性 成浆后在煤粒表面形成的水化膜较厚 粒子间团聚力较大 粘 度较大 稳定性较高 2 外在因素对流变特性的影响 由于水煤浆是一种非牛顿的拟塑型流体 其粘度可分为结构粘度和牛顿粘度两部 分 它表现出的总粘度成为表观粘度 表观粘度中的结构粘度易受外在因素影响 在 外力作用下 如搅拌等 结构粘度下降 因此表观粘度下降 当外力消失后 其性状 又可回复 即具有所谓的触变性 在煤浆实验中 对沉降的煤浆样品搅拌后 流动性 迅速变好 在装置生产中 水煤浆在生产各阶段如贮存或泵送等其流动状态不同 在 操作温度范围内 温度对水煤浆表观粘度的影响不显著 亦即对流动性的影响不显著 3 煤浆粒度分布对流变特性的影响 煤浆的粒度分布是成浆的关键因素 在煤浆制备中 如果粗颗粒较多 煤浆表观 粒度下降 流动性变好 但粒度的重力作用将超过粒子间的凝聚作用力 引起悬浮体 系沉降 分层 稳定性变差 如细粒较多 粒子间的相互作用增大 形成更多的粘滞 凝聚团 煤浆稳定性提高 但是 煤浆表观粘度会随平均粒径的减小而迅速增大 流 动性变差 不同粒度的煤浆可以使大小颗粒互相充填 得到较高的容积密度 制备出 浓度较高的水煤浆 对煤浆的燃烧来说 粒径越小 燃烧效果越好 因此 必须针对 不同煤种兼顾煤浆的稳定性 流动性 燃烧性及水煤浆浓度等要求选择最适宜的粒度 分布 一般煤浆粒度分布要求为 表表 1 1 煤浆粒度分布表煤浆粒度分布表 目数体积比 8100 1498 100 2090 95 325 以下25 30 4 添加剂对流变特性的影响 纯粹的煤粉和水的混合物是不能制备出合格的水煤浆的 必须添加表面活性剂对 煤粒表面进行改性 这种在水煤浆中具有分散作用的表面活性剂就叫做添加剂 主要 有木质素硫磺酸系列 萘磺酸系列 腐植酸系列 丙烯酸系列等几大类 添加剂的选 择应首先确定煤种的亲水程度 对于亲水性较强的煤种 在燃起浆中加入一定量的具 有相当数量基团的添加剂分散于分散相煤粒中 就可以减弱煤粒表面的憎水作用 在 煤粒表面形成一层水化膜 从而减小煤粒之间的凝聚作用 使煤粒团聚体遭到破坏 从而导致煤浆的稀释 表观粘度下降 流动性增强 对亲水性较差的煤种 相应的加 入含有亲水基团的添加剂 以提高煤浆的稳定性 煤粒越细 煤粒表面越大 添加剂 越可在更大面积上发挥作用 效果也就更好 另外 在碱性环境中 添加剂的使用效 果越好 12 1 4 配煤对煤的灰熔融性和成浆性能的影响 改善煤灰熔融特性和灰渣粘度常用的方法是配煤和添加助熔剂 但通过添加助熔 剂来改善煤灰熔融特性和灰渣粘度在一定程度上会使灰分含量增加 而灰分是不直接 参加气化的惰性物质 但却要消耗煤在氧耗过程中产生的反应热 与使用助熔剂相比 通过配煤改善煤灰熔融特性和灰渣粘度提高了原料煤中碳含量 使得气化炉整体效率 得以提高 也促进了煤炭资源的合理利用 煤种成浆性能与煤质特征密切相关 实验室煤种成浆性能评价实验及工业化应用 实践结果表明 变质程度较浅的煤种属较难成浆煤种 较难制备高浓度水煤浆 而变 质程度较深的煤种属易成浆煤种 可制备出较高浓度的水煤浆 因此对于难成浆煤种 改善其成浆性能的途径 除了从原料煤种粒度级配 制浆工艺及添加剂技术等方面加 以解决外 还可通过配入一定比例的易成浆煤种 达到改善其成浆性能的目的 目前国内运行的几套水煤浆加压气化制合成气装置 受原料煤质的限制 为了提 高生产能力 降低气化过程中的能耗 氧耗和煤耗 大都采用配煤技术 来改善原料 煤种的成浆性能 提高制浆浓度 实现水煤浆加压气化装置的长周期安全稳定 经济 运行 合理的配煤技术 可有效改善难成浆煤种的成浆性能 提高制浆浓度 这为难成 浆煤种的合理高效利用提供了一条途径 同时配煤技术对于气化装置而言也具有重要 的实际意义 通过配煤不仅降低了原料煤灰熔融温度 而且使成浆性能也得到改善 从而拓宽了装置原料煤适用范围 可有效扩大生产能力 降低气化过程中的能耗 氧 耗和煤耗 提高经济效益 在配煤方面 袁善录 戴爱军 11 等研究发现 煤中灰成分 对灰熔融温度有很大影响 通过调整煤灰成分中酸性物和碱性物的比例 可有效降低 煤灰熔融温度 配煤后煤样灰熔融温度变化并不是两种煤的灰熔融温度加和值 而灰 成分具有加和性 因此 在煤种确定的条件下 可以近似利用煤灰成分的加和性质直 接对不同的配煤和配煤比例预测煤灰熔融温度 不同变质程度的煤混配 可相应改善 煤种的成浆性能 提高制浆浓度 而煤样的反应活性并不会受大的影响 将会改善水 煤浆加压气化工艺指标 从实现水煤浆加压气化原料多样化 降低灰熔融温度及提高 制浆浓度等方面综合考虑配煤方案 将为实现煤炭资源的合理利用 扩大水煤浆加压 气化原料煤种多样化具有重要的现实意义 汤永新 陈迎 13 等研究发现 利用淮南煤配煤制浆可以有效提高难成浆煤种的制 浆浓度 一般可提高3 5 但不同煤种配煤制浆结果有一定的差异 纪明俊 李寒 旭 14 等研究发现 不同煤配煤制浆浓度是非加和性的 与煤与煤之间的性质匹配有关 通过查阅文献发现在高灰熔融温度的淮南煤直于德士古水煤浆加压气化工艺方面 国内外至今研究很少 1 5 水煤浆的应用及研究现状 1 5 1 水煤浆的应用概述 水煤浆是由60 70 的煤粉 30 40 的水与约1 的化学添加剂混合而成的 粗颗粒分散系统 其流动性好 可储运 不沉淀 由于其用煤要经过浮选 再加上水 蒸气燃烧时的还原作用可有效地减少SO2和NOx 因此水煤浆作为代油燃料可以有效减 少环境污染 高质量的水煤浆应该具有较高的浓度 较低的粘度 较大的流动性和较 高的稳定性 这些良好的性能主要取决于煤质特性 粒度级配和添加剂种类 对于工 业生产水煤浆的装置 煤质特征和粒度级配基本稳定 添加剂就成为影响水煤浆质量 的关键因素 水煤浆为重油 天然气的替代燃料 已经在发电 工业锅炉 窑炉等领 域进人了工业应用 1 5 2 水煤浆添加剂的研究现状 目前 国外水煤浆添加剂主要种类有 较高缩合度的萘磺酸盐 15 16 丙烯酸 与其他丙烯酸单体共聚 聚烯烃系列 19 木质素磺酸盐 羧酸及磷酸盐系列 腐植酸及磺化腐植酸系列 11 非离子分散剂 18 20 其中 萘磺酸盐缩合物与聚苯 乙烯磺酸盐是应用最为广泛的两类水煤浆分散剂 国外尤其是日本在水煤浆添加剂的 研究上做了很多工作 研制了一批性能优良的专用水煤浆添加剂 如 聚苯乙烯磺酸 盐 PSS 与聚乙烯磺酸 PSA 的混合物 21 该混合添加剂可适用于不同灰分含量煤种水 煤浆的制备 已经得到工业化应用 日本Lion公司在20世纪80年代中期开发出来以聚苯乙烯磺酸钠 Pusan 为基础的水 煤浆添加剂 22 23 它的重均相对分子质量为115万 210万 加入量少 其分散性 稳 定性都比亚甲基磺酸盐 NSF 等传统分散剂优越 PawlikM 20 研究了NSF和Pasha在煤粒 表面的吸附方式后指出 由于NSF中的萘环和煤中稠合芳环之间有很强的亲和力 其 以萘环平行于煤粒表面的方式被吸附 而Pusan则以圈式或尾式吸附方式吸附在煤表面 上 因此 用Pusan作添加剂时 煤粒之间不仅存在较强的静电排斥作用 还存在较强 的位阻排斥作用 因而其分散效果要比NSF好 日本DN集团 Dai lichikogyoSeiyaku有限公司和Nepos有限公司 研究人员秋宏那贺 报道了一种F 3006添加剂 中试情况为 在Raymond磨粉厂 用FlowJet搅拌器 将大 同煤和F 3006水溶液配制成11t的水煤浆 添加剂用量为干煤质量的0 15 煤浆质量分 数70 时 黏度仅150mPa s 25 日本Lion公司用电子探针X射线分析仪和电镜观察煤表 面特征 研究了煤表面结构及其物化性质与分散剂的相关性 并从上百种分散剂中成 功研制出性能优良的分散剂ACC 710 26 由此可以看出 研究添加剂分子结构特征与 煤表面物化性能间的规律是改变目前添加剂研究中盲目性或经验性的关键 美国OxceFuel公司 27 报道了一种能改善剪切稳定性和降低黏度的水煤浆添加剂 该添加剂是由2种表面活性剂复配而成 每一种表面活性剂具有不同分子质量的亲水基 足以润湿分散煤颗粒 一种表面活性剂带有高分子质量的氧乙烯基 另一种则带有低 分子质量的氧乙烯基 2种表面活性剂共用时可使煤的质量分数达到70 以上 我国研制水煤浆始于 1982 年 在 20 多年的研究过程中先后组织了几十家科研和 生产单位 进行联合科技攻关 取得了一定的成果 浙江大学等研究单位通过组建国 家水煤浆工程技术研究中心 建立国内一流水平的水煤浆制备 储运 燃烧 工程设 计等科学基地 建立了年产 70000t 与 50000t 的抚顺制浆厂和枣庄矿业集团八一煤矿制 浆厂 年产 1000t 与 500t 的北京京西 淮南矿业集团 2 个添加剂厂 在水煤浆添加剂研制方面 许多国产添加剂相继面世 冉宁庆等 28 合成了亚甲基 萘磺酸钠 苯乙烯磺酸钠 马来酸钠 NDF 水煤浆添加剂 当 NDF 的数均相对分子质量 达到约 2 万时 其对水煤浆的降黏作用最好 当 NDF 的磺化率和羧酸含量一定时 可 调节 NDF 的分子质量 达到调节其表面色散力 使 NDF 对煤 水界面张力大小适中 保证煤颗粒相对稳定地分散在水中 只有恰当的亲水基团和疏水基团比例 才能保证 NDF 与煤达到较强的相互作用 在煤表面形成较为牢固的高分子吸附层 保证粒子相 对稳定地分散在水中 寿崇琦等 29 比较了多环芳香羧酸甲醛缩合物 NASP 和聚氧乙烯醚两类添加剂对兴 隆煤的成浆性能 研究了不同分子结构的添加剂对同种煤质水煤浆成浆性的性能 选 出了 NASP 和较长碳链聚氧乙烯醚为主剂并配合 CuSO4 Fe SO4 3助剂的配方 探讨 了添加剂的添加量与煤的成浆性 流变性以及态稳定性的关系 我国水煤浆技术虽然取得了长足的进步 但许多地方尚需不断完善 尤其在添加 剂方面 这是影响水煤浆性能及价格的主要因素之一 只有针对不同煤种研制性能优 越 价廉的添加剂及配方 水煤浆技术才能得到广泛的应用和推广 1 6 研究内容 本实验旨在根据德士古水煤浆加压气化用煤的性质 用三种淮南煤和两种外地煤 配煤制成水煤浆 然后检测其流动性 表观粘度 稳定性等各种成浆性能 为淮化气 化用煤寻找合适的配煤比例 本实验包括以下三方面内容 1 通过三种灰熔融温度较高的淮南煤与两种灰熔融温度较低的外地煤配煤 淮南 煤 50 找出适合淮化气化用煤对灰熔融温度的要求 1320 以下 的配煤比例 2 对合适的配煤比例进行水煤浆性能的测试 根据所作实验数据选出适合气化的 淮南煤种和配煤比例 表观粘度 1400mPa s 3 根据实验结果 分析配煤对淮南煤成浆性能的影响 2 实验部分 2 1 实验原料 实验所用原料为 11125 E4G13 HNC13 三种淮南煤和蒙煤 华亭两种外地煤 表表 2 1 煤样工业分析和元素分析表煤样工业分析和元素分析表 工业分析 wt 煤样 MadAadVadFCad 发热量 Qb ad MJ kg 1 硫含量 St adad E4G131 5816 4328 96 53 03 27 640 93 111251 3420 8428 57 49 25 26 452 09 HNC132 1415 2234 02 48 62 27 680 36 蒙煤10 2310 7117 02 62 04 26 100 59 华亭10 0113 9428 4925 150 69 从上表可以看出 淮南煤的水分在1 5 2 属于水分低的煤可以制出较高浓度的 水煤浆 而两种外地煤的水分偏高在10 以上 很难制出较高浓度的水煤浆 煤的灰 分虽然不直接参加气化反应 但却要消耗煤在氧化反应中产生的反应热 用于灰分的 升温 熔化以及转化 灰分含量愈高则有效成分愈少 产气量愈少 灰渣量愈大 表 中的五种煤样灰成分都在20 以下 有利于气化 煤中挥发分高 有利于气化 碳转 化率高 大多数淮南煤的挥发分都很高 表中三种淮南煤的挥发分都在30 左右 发 热量是煤质的主要指标 表中的五种煤样发热量都在25MJ kg 1以上 煤的热值高 每 千克煤生产有效气量就大 要生产相同数量的有效气 耗煤量低 表表 2 2 原煤煤灰化学组成 原煤煤灰化学组成 wt 煤样SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2ODT ST FT E4G1349 3229 706 634 090 981 240 90131513761403 1112562 1325 767 580 720 541 200 59136514361462 HNC1343 4039 33 414 971 371 160 507140815591563 蒙煤39 8717 179 5612 280 910 821 76110411601176 华亭119812411264 煤灰没有一个固定的熔化温度 而只有一个较宽的温度范围 煤灰熔融温度的高 低取决于煤灰中各元素的组成及含量 SiO2 Al2O3含量越高 灰熔融温度就越高 而 煤灰中 Fe2O3 CaO 越高 灰熔融温度就越低 由表中可以看出三种淮南煤的 SiO2 Al2O3的含量较高 Fe2O3 CaO 含量较低 而两种外地煤助熔成分 Fe2O3 CaO 较高 所以灰熔点较低 因此利用灰成分之间的差异 把低灰熔融温度煤与淮南煤配合降低淮南煤灰熔融 温度 是淮南煤在 Texaco 气化装置利用的一种有效方法 2 2 实验方法 2 2 1 灰熔融温度测定 实验对煤灰熔融性的测量方法采用 GB219 1996 规定的角锥法 本实验是在弱还原 气氛下进行的 采用封碳法控制炉内的气氛 炉内添加 5 6g 石墨粉 然后在其上面覆 盖一层活性炭 5 6g 以产生所需的弱还原性气氛 灰熔融温度测定采用 HR 1 型灰熔 融温度测定仪 2 2 2 水煤浆成浆性能的测定 1 实验方法及仪器 煤浆制备 实验采用烧杯法制取水煤浆 即在一定配比的水和添加剂中加入已称 量的一定量煤粉 搅拌均匀 制成一定浓度的水煤浆 其具体操作过程为 取 70g 煤 样于 250ml 的烧杯中 加入一定量的水和添加剂 以转速为 2000rpm 的搅拌速率在搅 拌器下搅拌 5min 成浆完毕 水煤浆添加剂采用的是实验室配制的复合添加剂 添加 量为 1 5 换算为干基为 0 3 0 6 表征 CWS 流动性常用的指标为表观粘度 就有利于输送 雾化而言 CWS 的表 观粘度越低越好 此外 浆体最好是剪切变稀的体系 即煤浆在剪切力的作用下 表 观粘度随剪切速率增大面减少 因此 从流型看 它应属宾汉塑性流 假塑流或屈服 假塑流的非牛顿流体 搅拌 5 分钟 图图 2 1 水煤浆制备流程图水煤浆制备流程图 2 成浆性测定 粘度 NXS 11A 型旋转粘度计 测试系统选用 B 系统 将转速置于 0 15 之间 并计录数据 煤样 烧杯 添加剂 水煤浆 1 底座 2 电源 3 电机 4 刻度盘 5 工作制动开关 6 转子 7 保护架 8 刻度控制 图图 2 2NXS 11A 型旋转粘度计图型旋转粘度计图 流动度 目测配制的煤浆流动状况 分 A B C D 四个等级 每个等级划分 如下 不间断流动 A 间断流动 成稠流体 B 间断流动 成稀糊状 C 不流动 D 落棒实验 以重为 34 26g 玻璃棒对静置 24h 后的煤浆 测定其垂直下落至底 部的难易程度 分迅速下落 自由落棒 加压落棒 不能落棒等 煤浆结构 测定静置 72h 后煤浆沉淀结构的疏松 软硬及均匀程度 水煤浆实际质量浓度 以干煤占整个煤浆重量百分比计 取一定量的煤浆 在 105 的干燥箱中脱水干燥 测定水煤浆的真实质量浓度 煤浆质量浓度 以干煤占整个煤浆重量百分比计 本实验是根据目标浓度 来确定水和添加剂的用量 其计算公式如下所示 水煤浆的目标浓度 煤样质量 煤样质量 X Mad100 注 X 为水和添加剂的总质量 3 研究的技术路线 效果不好 析水率 煤样添加剂 表观粘度 水煤浆 落棒时间 效果好 效效果果 不好果好 流动性 图图 2 3 技术路线图技术路线图 3 实验结果与讨论 3 1 淮南煤配蒙煤对煤灰熔融温度的影响 表表 3 1 蒙煤添加量与配煤蒙煤添加量与配煤 蒙煤蒙煤 11125 熔融温度之间的关系熔融温度之间的关系 煤灰熔融温度 蒙煤 蒙煤 11125 DTSTFT 0 136514361462 10131814011412 20128113501390 30124113251368 40119612661328 50119112331284 60120012231280 70119312201266 80117012041256 90115211861224 100 110411601176 020406080100 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 温度 蒙煤 蒙煤 11125 DT ST FT 图图 3 1 蒙煤添加量与配煤蒙煤添加量与配煤 蒙煤蒙煤 11125 熔融温度关系曲线图熔融温度关系曲线图 从图 3 1 可以看出 随着蒙煤配比的增加 混煤的 DT ST HT 均呈下降趋势 当蒙煤配比增至 40 时 混煤的流动温度接近目标温度 1320 之后随蒙煤配比的增 加 混煤灰样的流动温度呈下降趋势 表表 3 2 蒙煤添加量与配煤蒙煤添加量与配煤 蒙煤蒙煤 E4G13 熔融温度之间的关系熔融温度之间的关系 煤灰熔融温度 蒙煤 蒙煤 E4G13 DTDTDT 0 131513761403 10135413981418 20127713451384 30125913141369 40123212511286 50123512541273 60118112411269 70118712291305 80116512231275 90115311971243 100 110411601176 020406080100 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 温度 蒙煤 蒙煤 E4G13 DT ST FT 图图 3 2 蒙煤添加量与配煤蒙煤添加量与配煤 蒙煤蒙煤 E4G13 熔融温度关系曲线图熔融温度关系曲线图 从图 3 2 可以看出 随着蒙煤配比的增加 混煤的 DT ST HT 基本上均呈下降 趋势 有个别实验点有偏差 当蒙煤配比增至 40 混煤灰样的流动温度降至目标温 度 1320 以下 降温幅度达 120 左右 之后随蒙煤配比的增加 混煤灰样的流动温 度有所波动 但都低于目标温度 表表 3 3 蒙煤添加量与配煤蒙煤添加量与配煤 蒙煤蒙煤 HNC13 熔融温度之间的关系熔融温度之间的关系 煤灰熔融温度 蒙煤 蒙煤 HNC13 DTSTFT 0 140815591563 1013541458 1500 20132214051454 30128113601402 40126613261357 50121012921323 60120912931319 70122912801319 80120012591302 90114912151267 100 110411601176 020406080100 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 温度 蒙煤 蒙煤 HNC13 DT ST FT 图图 3 3 蒙煤添加量与配煤蒙煤添加量与配煤 蒙煤蒙煤 HNC13 熔融温度关系曲线图熔融温度关系曲线图 从图 3 3 可以看出 随着蒙煤配比的增加 混煤的 DT ST HT 均呈下降趋势 当蒙煤配比增加至 50 混煤灰样的流动温度接近目标温度 1320 之后随蒙煤配比 的增加 混煤灰样的流动温度继续下降 3 2 单煤水煤浆性能的测定 表表 3 411125 单煤制浆数据表单煤制浆数据表 稳定性 析水率 目标浓 度 添加剂 加量 表观粘 度 mPa s 流动 等级 24h48h72h 落棒 实验 实测 浓度 69698A1 964 907 84自由 落棒 68 83 70945B 1 035 157 22自由 落棒 70 35 71 1 5 1105 7B 00 991 98自由 落棒 71 57 010203040506070 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 表观粘度 mPa s 剪切速率 S 1 11125 69 11125 70 11125 71 图图 3 411125 单煤制浆流变曲线图单煤制浆流变曲线图 由图 3 4 可以看出浓度对水煤浆的流变性影响较大 水煤浆粘度值随着制浆浓度 的升高而增加 变化趋势基本一致 水煤浆有明显的剪切变稀特性 随剪切速率的增 加 制取的水煤浆粘度下降较快 并在剪切速率达到 30s 1后变化不大 由表 3 4 可以 水煤浆浓度为 69 70 和 71 时的粘度都可以满足 Texaco 水煤浆气化的要求 随着 浓度的增加流动性变差 但稳定性变好 从实验过程中发现 11125 煤的目标浓度大于 71 时不成浆 表表 3 5E4G13 单煤制浆数据表单煤制浆数据表 稳定性 析水率 目标 浓度 添加剂 加量 表观粘度 mPa s 流动 等级 24h48h72h 落棒 实验 实测 浓度 67569 2B 4 036 057 66自由落棒 66 61 68703 2B2 435 676 48稍有沉淀68 29 69 1 5 904B 1 895 196 57软沉淀 69 66 0102030405060708090 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 表观粘度 mPa s 剪切速率 S 1 67 68 69 图图 3 5E4G13 单煤制浆流变曲线图单煤制浆流变曲线图 由图 3 5 可以看出浓度对水煤浆的流变性影响较大 水煤浆粘度值随着制浆浓度 的升高而增加 水煤浆有明显的剪切变稀特性 随剪切速率的增加 制取的水煤浆粘 度下降较快 并在剪切速率达到 30s 1后变化不大 由表 3 4 可以看出随着浓度的增加 流动性变差 静置 72h 后 68 69 的浆体出现沉淀现象 水煤浆浓度为 67 68 和 69 时的粘度值都在 1000mPa s 以下 可以满足 Texaco 水煤浆气化的要求 从实验过 程中发现 E4G13 煤的浓度若低与 67 则浆液较稀 高于 69 则不成浆 表表 3 6HNC13 单煤制浆数据表单煤制浆数据表 稳定性 析水率 目标 浓度 添加剂 加量 表观粘度 mPa s 流动 等级 24h48h72h 落棒 实验 实测 浓度 661 5468 7B8 615 1417 84硬沉淀66 01 020406080100120 400 450 500 550 600 650 表观粘度 mPa s 剪切速率 S 1 HNC13 图图 3 6HNC13 单煤制浆流变曲线图单煤制浆流变曲线图 由图 3 6 和表 3 6 可以看出 HNC13 单煤浓度为 66 制出的水煤浆不具有剪切变稀 特性 水煤浆的稳定性较差 72h 析水率达到了 17 84 并结成硬沉淀 所以 HNC13 单煤不能满足 Texaco 水煤浆气化的要求 3 3 淮南煤配蒙煤水煤浆性能的测定 表表 3 7 蒙煤 蒙煤 11125 3 7 比例下制浆数据表 比例下制浆数据表 稳定性 析水率 目标 浓度 添加剂 加量 表观粘度 mPa s 流动 等级 24h48h72h 落棒 实验 实测 浓度 63455 5A 001 68自由落棒63 64488A 02 225 19自由落棒65 33 65659 6A 0 863 456 90自由落棒66 26 66973A 2 023 234 03自由落棒67 39 67 1 5 1118 8A02 993 42自由落棒68 18 0102030405060708090 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 表观粘度 mPa s 剪切速率 S 1 0 3 63 0 3 64 0 3 65 0 3 66 0 3 67 图图 3 7 蒙煤 蒙煤 11125 3 7 比例下制浆流变曲线图 比例下制浆流变曲线图 6364656667 0 200 400 600 800 1000 1200 表观粘度 mPa s 浓度 粘度 图图 3 8 蒙煤 蒙煤 11125 3 7 各浓度下粘度柱状图 各浓度下粘度柱状图 由图 3 7 和 3 8 可以看出浓度对水煤浆的流变性影响较大 水煤浆粘度值随着制浆 浓度的升高而增加 水煤浆有明显的剪切变稀特性 随剪切速率的增加 制取的水煤 浆粘度下降较快 并在剪切速率达到 30s 1后变化不大 由表 3 7 可以看出随着浓度的 增加流动性较好且变化不大 48h 析水率都在 3 5 以下 且静置 72h 浆体无沉淀现象 浆体稳定性较强 水煤浆浓度为 63 67 时的粘度都可以满足 Texaco 水煤浆气化的 要求 表表 3 8 蒙煤 蒙煤 11125 4 6 比例下制浆数据表 比例下制浆数据表 稳定性 析水率 目标 浓度 添加剂 加量 表观粘度 mPa s 流动 等级 24h48h72h 落棒 实验 实测 浓度 63627 2A 2 333 084 62自由落棒63 47 64667A 0 20 40 8自由落棒64 36 65967A 00 751 49自由落棒66 93 66 1 5 1137 1A 2 142 993 42自由落棒67 23 010203040506070 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 表观粘度 mPa s 剪切速率 S 1 63 64 65 66 图图 3 9 蒙煤 蒙煤 11125 4 6 比例下制浆流变曲线图 比例下制浆流变曲线图 由表 3 8 可以看出 随着目标浓度的增加流动性较好且变化不大 48h 析水率都在 3 1 以下 且静置 72h 浆体无沉淀现象 浆体稳定性较强 水煤浆浓度为 63 66 时 的粘度都可以满足 Texaco 水煤浆气化的要求 并且