水煤浆制备与燃烧

水煤浆的制备与燃烧目录第一章绪论1.1水煤浆开展历程1.2我国开展水煤浆的重要性及历程1.2.1我国开展水煤浆的重要性我国能源结构:富煤贫油，我国石油产量约为2亿多吨，04年进口石油约8000万吨，石油在各类工业锅炉、工业窑炉、电站锅炉上作为燃料烧掉的每年仍有大约3000万吨，约占我国石油产量的25%左右。

我国能源特征与挑战煤炭的利用2000年11月，广东茂名热电厂1#油炉〔220t/h〕改烧水煤浆成功，2001年8月，2#油炉〔220t/h〕改烧成功；

2001年6月，广东汕头热电2#燃油设计锅炉〔220t/h〕改烧水煤浆成功；a、细度；b、浓度；c、流变特性；d、稳定性。1.3.1水煤浆的质量要求第二章影响水煤浆成浆性的因素2.1煤质特征

煤质特征对成浆性的影响，有的煤可以制备出浓度高、流变性和稳定性好的水煤浆就称为成浆性好的煤，否那么称为成浆性差的煤，煤的成浆性与以下因素有关：1〕内在水分。内在水分上下有时会有几倍至几十倍之差，这些水分分布在煤粒的内外表。当煤浆的重量浓度相同时，势必要减少流动介质作用的水量，造成水煤浆的粘度高或难于获得高浓度的浆。2〕比外表积大，孔隙兴旺。比外表积的差异也有几倍到一二十倍，比外表积能间接地反映煤的孔隙程度。兴旺的孔隙度是造成内在水分高的重要原因之一。此外，高比外表积还会导致消耗更多的添加剂。影响水煤浆成浆性的因数很多，其中主要的有：煤质特征、粒度分布和添加剂种类。

3〕氧碳比〔%〕。含氧量高及提供的含氧官能团活性氧局部就越多，增加煤外表的极性和与添加剂作用的复杂性，减少了与外表性质相适应的添加剂种类及增加了添加剂的消耗量。4〕可磨性。可磨性差对成浆性的影响主要表现在当磨矿条件相同时，难以获得超细的颗粒，从而降低了煤粒的堆积效率。难以制备出高浓度的水煤浆，或者在保证必要的充填效率的条件下，将增大磨矿的能耗和磨制工艺的复杂性。2.2水煤浆的粒度分布2.2.1粒度的表示与测定方法a、筛分；b、激光；c、沉积分析；2.2.2粒度分布2〕现有堆积理论

a、等经颗粒的堆积高浓度水煤的重量浓度到达65%~70%，因而要求煤炭的粒度分布能到达较高的堆积效率，这就是通常所谓的煤浆的粒度分布要有良好的级配等经球体的堆积是分析实际颗粒堆积的根底。通常采用固粒物料在堆积空间中占有

的体积分数表示堆积效率，有的地方也称容积浓度，用λ表示。等经球体的堆积有两种极端方式：

①正六面体堆积，最松散堆积，堆积效率λ=π/6=0.5236,

粒孔比〔颗粒直径与孔隙直径之比〕B=2.44②正四面体堆积，最紧密堆积，堆积效率粒孔比〔颗粒直径与孔隙直径之比〕B=0.74③四种窄粒级煤的堆积效率煤炭粒度（μm）450~280280~180180~125110~98堆积效率λ0.52550.51740.48940.5070

b、多种粒径颗粒的堆积

c、连续分布颗粒的堆积对Alfred粒度分布，也采用计算机模拟堆积，计算在紧密堆积下的n值与上述的解析解是一致的(n≈0.3)，说明对于那些无法用解析法得出最优解的粒度分布，用计算机模拟计算同样有效。2.3水煤浆添加剂质量优越的水煤浆应该是高浓度、低粘度和很好的稳定性。如果不用添加剂，只能制得浓度低于60%的水煤浆。为了制备高质量的水煤浆，应根据煤质不同，添加各种不同的添加剂，其中有分散剂、稳定剂及其它的化学辅助剂。但使用最多的是分散剂和稳定剂。2.3.1水煤浆分散剂1)分散剂作用机理a、润湿分散作用润湿是指固体外表上气体被液体取代的过程。要使水在疏水的煤颗粒中分散，使水在煤颗粒外表形成水膜，就要使水润湿煤颗粒外表。分散剂的作用就是使煤颗粒充分均匀地分散到水中。但是，由于煤炭属于疏水性比较好的物质，所以少量的水在煤颗粒体系中由于水具有比较大的外表张力在煤颗粒的缝隙中结成水珠，无法展开，起不到润滑作用，所以颗粒之间的内摩擦力增加，浆体无法流动或流动阻力很大。另一方面，细粒煤颗粒具有很大的比外表积，在水中有聚团的趋势，也增加了煤水混合物的内摩擦力，使浆体无法流动或流动阻力很大。分散剂可以增加煤颗粒的亲水性，减小水的外表张力，使参加的少量的水在煤颗粒外表形成水膜，起到润滑作用，使水煤浆粘度降低，分散剂的作用机理可从三个方面论述。即润湿分散作用、静电斥力分散作用和空间位阻与熵斥力分散作用。但是，水是极性物质，在空气中和疏水性比较强的煤颗粒体系中具有较强的外表张力，因此，水在煤颗粒体系中是难以铺展开的。

煤炭是一种结构十分复杂的物质，其主体局部是芳烃，并通过烷烃链或杂原子彼此相连成为大分子结构。这些芳烃与烷烃属疏水性物质，杂原子或杂原子团属亲水性物质。杂原子主要是氧、氮和硫等。其中含氧官能团主要有羟基〔－OH〕、羰基〔＞C=O〕、羧基〔－COOH〕及甲氧基〔-O-CH3〕和醚基〔-O-等〕。其中羟基和羧基在含氧官能团中亲水性最强，单羧基随煤化程度加深明显减少，煤中的芳烃随煤化程度的加深而增加。所以煤炭的疏水性随煤化程度加深而增加。b、静电斥力分散作用c、空间位阻和熵斥力分散作用2.3.2分散剂的种类a、萘系〔非离子型〕b、木质素系列c、腐殖酸系列添加剂的种类有非离子型、阴离子型和阳离子型三种。非离子型添加剂主要通过外表活性降低煤颗粒之间水的外表张力，使煤浆中煤粒外表润湿，来改变煤浆的性能。离子性的添加剂通过含极性基添加剂的静电吸附在煤颗粒上，降低煤颗粒外表的疏水性，控制煤颗粒外表的荷电性来改变煤浆的性能。2.3.3水煤浆稳定剂2.3.4水煤浆其它辅助剂稳定剂作用机理稳定剂使煤浆形成结构化，阻止高荷电的颗粒沉淀，防止煤浆在储存和运输过程中发生硬沉淀。稳定剂的种类无机盐、高分子有机化合物等第三章水煤浆流变性3.1流体的流变性3.1.1牛顿流体3.1.2非牛顿流体式中： －剪切应力 －粘度 －剪切率式中：Ｋ－稠度，ｎ－流动特性指数宾汉流体的流变方程：表观粘度：屈服幂定律模型：第四章水煤浆制浆工艺4.1制浆工艺的主要环节及功能1)选煤a、目的：降灰。b、方法：①普通水煤浆，是在制浆前采用一般的选煤方法，制浆原料煤的灰分一般 在９％左右。

②精细水煤浆，一般要经过两次选煤，第一次是常规的选煤方法，把灰分 降到９％左右，然后再超细粉碎，使煤中矿物质和可燃体充分解离，再 用特殊的方法使煤的灰分降到１％左右。

③高灰水煤浆，制浆原料本身就是经过洗选的尾煤，不用洗选。2)破碎与磨煤a、粉碎的目的：满足细度要求；满足级配要求。b、粉碎过程：先破碎后磨煤。c、方法和设备：有湿法和干法两种，设备有雷蒙磨、中速磨、风扇磨球磨、棒磨、振动磨和搅拌磨。3)捏混和搅拌a、捏混的目的：使干磨的干煤粉、药剂与湿磨的煤浆或经过脱水的过滤机滤饼充分混合。b、捏混设备：捏混机。c、搅拌的目的：使水煤浆均匀，加强药剂与煤颗粒之间的作用。d、搅拌设备：单轴或双轴搅拌筒。4)滤浆a、滤浆的目的：除杂质b、滤浆设备：在线筛网滤浆器。4.2制浆工艺1)干法制浆工艺

主要是在水煤浆开发的初期，借用现有的粉碎设备。目前的水煤浆厂不采用。缺乏之处：

a、对一般的干法磨机，要求入料煤的水分小于5%，洗精煤的水分都比较高，难以满

足该要求。电厂有热风分级和枯燥；

b、能耗比湿法磨高，在同样的细度下，干法磨机的能耗比湿法磨机约高30%；

c、干法磨矿的平安和环境不如湿法磨矿；

d、粒度分布不如湿法磨，堆积效率较低，干法磨煤颗粒外表氧化较快，影响制浆效

果。2)干、湿法联合制浆工艺该流程是在干法制浆工艺的根底上，分出一局部干法粉碎的物料再用湿法进一步粉碎，其特点是与干法相比，可以获得更好的粒度分布，即获得更好的级配。但该流程仍是以干法磨煤为主，干法制浆的缺乏之处依然存在。3)高浓度磨矿制浆工艺特点：煤炭、分散剂和水同时参加磨机，磨机排出的物料就是高浓度的水煤浆，如果有必要参加稳定剂，那么参加后还要搅拌均匀，剪切，使浆体进一步熟化。这是国内外采用的最多的一种制浆工艺，我国现有的水煤浆制浆厂根本上都

是采用这种工艺。该工艺的优点：

a、流程简单，可以省去涅混和强力搅拌环节；

b、细颗粒量比较高，有利于级配；

c、有利于药剂与颗粒新生外表接触；

该工艺的缺点：

a、对变化的煤种适应性差；

b、对磨机的结构参数和运行参数要求严格，原因是：①浆体浓度过高会严重影响磨矿

的成效，②到达好的级配；4)中浓度磨矿制浆工艺5)高、中浓度磨矿级配制浆工艺之一采用50%左右的浓度磨煤。如果采用单段球磨，难以获得好的级配，一般是一段粗磨，再分出一局部粗磨的物料细磨，目的是获得好的级配。细磨后的细粒物料再与粗磨的物料混合过滤，滤饼再加分散剂涅混，呈流体状后给入搅拌。在中、日合资的兖日水煤浆厂采用，粗磨仍然采用中浓度磨矿，细磨不是像上述的中浓度制浆工艺从粗磨中分出一局部，而是从入料中分出一局部高浓度细磨，然后和经脱水的中浓度粗磨后的物料加分散剂涅混成浆。该工艺的特点：可以获得好的级配，堆积效率较高〔74%〕，但仍需要过滤脱水环节。兖日浆厂选用的细磨球磨机的磨矿效率很低，吨煤电耗按装机容量计算高达143千瓦小时。6)高、中浓度磨矿级配制浆工艺之二粗磨是高浓度磨矿，细磨是中浓度磨矿，且细磨的入料是从粗磨的排料中分出一局部。该工艺的特点：a、流程简单，没有过滤脱水、涅混环节；高浓度中浓度b、因为细磨的原料是已经粗磨破碎的物料，减小了细磨的破碎比，提高了细磨的磨矿效率，更主要的是改善了水煤浆的级配，7)高、中浓度磨矿级配制浆工艺之三该工艺是俄罗斯管道输浆系统制浆厂采用的制浆工艺。该厂共有七条生产线，每条线制浆能力为50万吨/年。该工艺与前一种不同在于中浓度细磨的来料不是从高浓度粗磨排料中分出，而是直接由破碎机而来，这可能是与破碎机的排料粒度较细有关〔-3mm〕。该工艺的特点与前一种相似。8)浮选精煤制浆工艺这种制浆工艺是矿大和山东枣庄八一矿选煤厂合作开发的。其制浆原料煤来自于选煤厂的浮选精煤，经过滤机脱水的滤饼，经加分散剂涅混后呈现流动态，搅拌后给入球磨机。该工艺的特点：a、解决了选煤厂浮选精煤高水分使选煤厂总精煤水分增加的问题；b、降低了制浆厂的能耗；

c、只能采用高浓度磨矿。9)煤泥水煤浆制浆工艺搅拌煤泥分散剂溶液水分散剂滤浆粗颗粒及杂物煤泥水煤浆选煤厂的煤泥分两种：a、洗煤泥，包括原煤在开采、运输和洗选过程产生的煤泥，这种煤泥没有经过浮选，其灰分与原煤接近；b、浮选尾煤泥，这是上述的煤泥经过浮选，选出其中的低灰精煤后剩余的高灰煤泥。工艺特点：a、煤泥本身含有较高的水分，在搅拌过程不用单独加清水,只要把分散剂配成一定的浓度,再加到搅拌筒中；b、煤泥本身的粒度较细，特别是浮选尾煤，其粒度分布自然形成了较好的级配，所以一般不用磨机，因为尾煤水煤浆是替代原煤而不是替代燃油，所以制浆本钱是越低越好，所以尾煤泥水煤浆也不可能上磨机，否那么经济上不合算；c、特别是浮选尾煤，因泥质物含量高，微细粒特别丰富，所以有时为了降低制浆成本，就不用分散剂，虽然浆体的浓度的一些，但对于掺烧方式，也可以稳定燃烧，当然也取决于煤质，也就说，煤的挥发分要求高一些。煤泥制备水煤浆的意义：a、可以在本矿区内用于燃煤锅炉代替原煤；b、解决煤泥堆积，污染环境的问题。

第五章精细水煤浆的制备5.1绪论a、什么是精细水煤浆？

精细水煤浆制浆煤的平均粒度一般小于10μm，灰分一般小于2%，粘度和稳定性都类似于普通水煤浆，是普通水煤浆的延伸。b、开发精细水煤浆的意义消耗量最大的是柴油，而普通水煤浆无法替代柴油。普通水煤浆的粒度较粗〔平均粒度约为45μm，粒度上限一般在0.3mm〕，灰分较高〔制浆煤的灰分一般约为10％〕，只能替代重油应用于电站的大型锅炉，这是因为锅炉大，燃烧空间大，可以防止雾化欠佳、含灰量高的浆滴粘在炉壁上结渣；大型锅炉用浆量大，喷嘴的过浆通道不易堵塞，喷嘴在一定的磨损范围内对雾化质量影响不是很大；大型锅炉可以配置投资较高的布袋除尘和静电除尘器，以到达脱除较高灰分水煤浆燃后所产生的大量飞灰。但是，如果这种普通水煤浆用于燃烧空间较小的中小型锅炉或中央空调，已经发现出现了不少问题，这些问题包括燃烧不是很充分；炉堂结渣严重；除尘设备投资大；烟气难以到达环保要求等。这些问题的出现，主要是由于普通水煤浆的粒度较粗、含灰量高所导致。当然，这种普通水煤浆更无法用于对灰份和粒度要求特别严格的柴油机、燃气轮机等动力设备，因为其高的灰分和粗的粒度将严重堵塞、磨损喷咀。也无法用于对灰分要求特别严格的玻璃窑炉、陶瓷窑炉等窑炉，因为灰分会影响产品质量。矿大开发的超细磨机：ａ、精细水煤浆在0.058Mw小型油锅炉上进行了试烧，燃烧工况稳定，炉膛无积灰；开发了一种机械雾化的精细水煤浆燃烧器，省去了高压空气系统，特别适合于1吨以下的小型燃油锅炉；ｂ、与小型燃油锅炉配套的、低价位的静电除尘器作为一位博士研究生的课题已经接近尾声，除尘效率达99%以上；ｃ、精细水煤浆还在一台农用小型12马力单缸高速柴油机上成功运行，其中专门设计的精细浆燃用喷射雾化器已申请国家专利，申请号：001298275，已进入实质性审查阶段，该专利的实现为今后在现有柴油机上只要更换喷嘴和油泵，对机体不作改动即可使用精细浆代替柴油。ｂ、煤炭深度物理降灰、脱硫工艺。经过超细粉碎的原料煤，采用该工艺，对于我国绝大局部煤种，可获得灰分低于3%-2%的超纯煤，对局部煤种可以获得灰分低于1%的超纯煤，精煤产率可达50%以上。在精细水煤浆燃烧方面做的工作有：精细水煤浆的特点如下：(1)制备精细水煤浆的原料煤是经过超细粉碎并经过深度分选的超净煤，在此过程中煤中的无机矿物和有机可燃体被充分解离并得到分选，故对同一种制浆原料煤而言，精细水煤浆的灰分和硫分远低于普通水煤浆；(2)由于精细水煤浆粒度细、灰分很低，故燃烧速度快，效率高，可以提高燃烧强度，即使燃烧后还残留极少的灰，但试烧已经证明通过一定速度的助燃风可以把其带出炉膛，炉堂不存在积灰结渣的情况；(3)精细水煤浆可用于对灰分要求特别严格的各种工业窑炉、中小型燃油锅炉、中央空调等，并有望用于柴油机和燃气轮机，代油范围远大于普通水煤浆，具有更广阔的应用前景；(4)燃烧精细水煤浆时可配用简单、小体积和低价位的静电除尘器即可使排放到达环保要求，特别适合用于居室、宾馆的中小型取暖燃油锅炉和中央空调等。(5)采用絮团浮选出的粒度特别细、灰分特别低的用于制备精细水煤浆的超净煤可以作为碳粉填料、高档活性碳或碳分子筛等碳素材料的原料，即制备精细水煤浆的超纯煤本身就是一种附加值很高的产品。分散剂分散剂原料煤清水、抑制剂絮凝剂原料煤粗碎调浆超细磨絮团发生器多次精选压滤制浆精细水煤浆超精煤浓缩压滤制浆普通水煤浆超净煤分选以及精细水煤浆制备见上述流程图。原料煤经粗碎到－2mm后调成浓度为30％的煤浆，如果原料煤含硫高在此可参加脱硫抑制剂，以到达降低精细水煤浆硫分的目的，然后给入超细磨，在此一般把煤磨碎至10μm左右，使其中的无机矿物充分解离。磨碎后的煤浆给入絮团发生器，在高剪切和絮凝剂的作用下，煤浆中低灰絮团发生器：屡次泡沫浮选：超净煤压滤脱水微细粒煤粒结成普通的泡沫浮选可以实现有效分选的絮团，灰分比较高的尾煤悬浮于矿浆中，泡沫带出的超净煤经压滤机脱水后可以在成浆桶中制备成精细水煤浆，也可以作为超净煤直接出售。浮选尾煤经过脱水后可制备成常规水煤浆用于大型锅炉。可见，该工艺流程是一种精细水煤浆、超净煤和常规水煤浆的联产工艺。大量分选试验说明，对一般的煤种，都可使其灰分降到3％以下，局部煤种可降到1％以下，局部分选结果见表。局部煤样絮团－浮选分选结果煤种精煤灰分/％精煤产率/％尾煤灰分/％入料灰分/％陕西神木0.8389.1011.662.01焦作精煤0.8658.7215.716.99太西精煤0.9548.4020.2910.93大同精煤1.0052.0011.406.00河北东庞1.6756.6416.598.14新汶精煤2.3459.3820.149.57密鲁煤2.9251.7618.5110.44采用大同煤分选的超净煤制备的精细水煤浆的重量浓度为51.0％，粒度为90％的小于15.6μm，低位热值为15.28MJ/kg，假设柴油的热值按45.98MJ/kg计算,那么3吨精细水煤浆可以替代1吨柴油。该精细水煤浆的流变曲线见图5，由该曲线可见，该精细水煤浆为胀塑性流体，但其粘度却很低，100s-1剪切率对应的粘度为225mPa.s，不出现硬沉淀的时间为1个月左右。剪切率D／s－1剪切应力

／Pa粘度

／mPa.s(max=500)为了将精细水煤浆应用于中小型燃油锅炉或中央空调，结合精细水煤浆的热值比柴油低的特点，开发了专门用于精细水煤浆燃烧的燃烧器。该燃烧器由喷咀和预燃室组成，雾化的精细水煤浆从预燃室的割线方向喷入，在切线方向给入一、二次助燃风。试验说明，因为采用高速旋流燃烧方式，延长了浆滴的燃烧时间；在预燃器的不同旋转半径之间存在速度差，使浆滴很快脱离惰性气体的包裹，及时与空气中的氧接触，提高了氧的反响强度；高强度旋流造成大量高温烟气的回流，从而使燃烧稳定，燃烧热强度与柴油接近，高达8.12×106KJ／m3.h,远高于普通水煤浆的燃烧热强度。由于浆体的灰分特别低，燃尽后少量的飞灰随烟气排出，在燃烧室中没有积灰和结渣的情况。精细水煤浆在小型油锅炉的燃烧器中的试烧见图6。小型燃烧器的开发，为精细水煤浆代替柴油应用于中小型燃油锅炉和中央空调打下了根底。5.5精细水煤浆的应用5.5.1精细水煤浆燃烧器精细水煤浆在在小型油锅炉燃烧器中试烧5.5.2精细水煤浆在柴油机中的应用本试验采用一台S195－1型单缸高速农用柴油机，对现有的喷咀进行改造，通过另设高压油封解决了油泵和喷咀的偶件磨损和卡死问题。试验燃料为精细水煤浆和柴油的混合物，即油－水－煤精细浆，其中煤的灰分为1.25%，挥发分为31.79%,固定碳为64.84%，全硫为0.265%，粒度分布为90%小于24.5μm，50%小于10.0μm，平均直径D[4.3]为12.2μm。油水煤浆中煤∶柴油∶水为28.7∶53.8∶17.5，热值为30.72MJ/kg，剪切率100s-1对应的粘度为220mPa.s。此处采用精细油水煤浆是因为供浆仍采用柴油机上现有的供油泵，如果精细水煤浆中没有柴油，那么没有润滑效果，供油泵再供浆过程中出现卡死现象，可以完全供浆的双联供浆泵已经设计完毕，正在加工，不久可以实现柴油机完全燃用不加柴油的精细水煤浆。用CW-20型电涡流测功仪测定柴油机输出功率，用KM900烟气分析仪测定烟气成份，用XMZ型数字烟温仪测定烟气温度。作为比较，下表分别列出了柴油机应用柴油和油－水－煤精细浆的初步试验结果。柴油机燃用油－水－煤精细浆的试验结果输出功率/kW柴油精细油水煤浆热效率/％烟气温度/℃NOx/10-6SO2/10-6热效率/％烟气温度/℃NOx/10-6SO2/10-61.6820.2163230－18.81564182.5722.3198328－21.117363274.2129.4261264－26.119298155.8932.5406346－27.03464815高速柴油机燃用精细水煤浆a、195-12HP农用柴油机b、喷嘴改造c、油泵改造由该试验结果可见，在输出功率和转速相同的条件下，燃用油水煤浆的热效率稍低于柴油，NOx的排放量却远低于柴油，原因是油－水－煤精细浆的燃烧温度低于柴油。燃用柴油时未测出SO2，而燃烧油－水－煤精细浆时，SO2的浓度也不高，为8ppm－27ppm，原因是制浆煤的硫分很低。初步试验说明，普通柴油机经过不大的改造，可以稳定地燃烧油－水－煤精细浆。精细水煤浆与普通水煤浆和柴油的比较见下表。燃料柴油机小型锅炉SO2NOxSO2NOx柴油10ppm8ppm--精细浆20ppm11ppm6727精细水煤浆与柴油的排放项目实施前实施后产品柴油普通水煤浆精细水煤浆制浆煤的灰分－9％<1.5％制浆煤的粒度－<300μm平均10μm浓度－～68％～55％热值（kcal/kg）～10000～4400～3800等热值价格～3500元/吨640元1609元SO2排放量低取决于煤质低于普通水煤浆NOx排放量高低低在<10蒸吨锅炉中燃烧时结渣现象无严重无除尘设施无体积大，投资高简单，投资小用途各种中小型锅炉及内燃机代替重油或渣油代替柴油市场容量大较小大精细水煤浆替代柴油的经济效益初步