水煤浆气化原料的成浆性研究

第33卷第4期化VoL 33 No 42010年10月COAL CONVERSIONct,2010水煤浆气化原料的成浆性研究邵守言1)王忠华?)王辅臣3摘要在实验室条件下研究了从低煤化度烟煤到高煤化度无烟煤,以及石油焦等不同气化原料煤的成浆性.为提高低煤化度烟煤的成浆浓度,在保证其混合原料灰熔融特征温度满足液态排渣前提下,将低煤化度烟煤与一种或两种煤化度较高的煤或者石油焦配比,考察了它们的成浆性结果表明,煤化度适中的QD煤单独制浆浓度达到70%,黏度536mPa·s,流动性为A;通过不同煤种的级配,三种原料配合的料浆浓度为62%时,黏度在340mPa·s~550mPa·s之间,可以获得符合液态排渣气化要求的混合料水煤浆,扩大了气化原料来源关键词水煤浆,成浆性,配煤,无烟煤,石油焦中图分类号TQ517.4+3SF煤的内在水分较高,超过10%,同时灰分也较0引言低,氧含量较高,属于难成浆煤,而其余煤样内在水分较之SF煤和SF煤低,故成浆浓度应高于SH煤水煤浆气化技术是采用水煤浆进料、液态排渣和SF煤,水煤浆添加剂为市售的阴离子型添加剂的气流床高温气化工艺,理论上讲煤种适应性广,但表1煤样的工业分析和元素分析(%)从实际运行的可操作性和经济性角度来看,对煤种 Table1 Proximate and ultimate analysis of coal samples%)要求也相当苛刻特别是煤灰的熔融特性和成浆性 imple M oximat analysisUltimate analysis装置目前使用的气化原料煤主要来自神华集团煤灰%0 V FC C H N S,o能要求更高.江苏镇江索普集团公司的水煤浆气化熔点较低的神府煤田,运输距离远.2007年底中国 HN coal.1118.0240.2659.7483275.31.460.3410.17南方地区的冰雪天气造成电煤运输困难,一些电厂QDcl1.132.2935.9664.0484.115.71.360.269.0的存煤达到严重警戒水平.这说明单一依靠远距离23520.3240.3959.618.545.421.440.311煤炭原料来保障气化装置连续生产存在较大的风sY0.430.999.4690.5489.483.461.340.045.68sY22,800.289.17险,所以开展水煤浆气化原料煤的筛选与优化是十 DT coal 2.320.03.461.83951.0.680.64713分必要的本研究考察各种原料煤单煤和不同混煤MLol.64.!812.188.8291.035.291.241.161.28的成浆性,从水煤浆的成浆浓度、水煤浆黏度和析水 PC coal1.2710.809.2390.7792.305.081.230.530.86率等方面考察了其成浆性能15,为其工业应用提供实验数据.[61.2水煤浆制备方法1实验部分湿法制浆:将原煤破碎到一定大小后,放人磨煤机中将其粉碎,再将一定量单煤或混合煤放入星型1.1实验原料球磨机中,并向其中加入一定量的添加剂和水,研磨30min后即得到所需的煤浆实验选用SH煤、SF煤、HN煤、QD煤、Z煤1.3水煤浆成浆性评价方法SYJ1、SYJ2、DT煤、ML煤和PC煤为原料煤,其工业分析和元素分析见表1从表1可看出,SH煤和水煤奖成奖性评价方注加下中国煤化工长江学者和创新团队发展计划项目(IRT0620)1)博士生、高级工程师;华东理工大学煤气化教育部重点实验室,200237上CNMHG,,二程师江苏索普(集团)有限公司6江苏镇江收稿日期:20100506;修回日期:2010-06-11第4期邵守言等水煤浆气化原料的成浆性研究1)黏度测定:采用ND-B旋转黏度计3号转子右.其余几种原料的内在水分少,故制浆浓度较高以60r/min的转速旋转,从水煤浆放入恒温杯开始计研究表明,低阶煤的表面亲水性强,煤的成浆性时,30℃恒温,5min后开动黏度计,记录11min~差;主焦煤和瘦煤等有着最高的疏水性,成浆性最15min的黏度值,取其平均值为该试样的黏度值好;到无烟煤阶段煤的成浆性有所降低,这从表2中2)流动性测定:采用目测法,分为四级.A级为的成浆浓度和析水率也可以看出:煤的成浆浓度除稀流体,连续流动,平滑不间断;B级为稠流体,流动与其内在水分直接相关外,还与煤表面亲水性有关,较连续流体表面不光滑;C级要借助外力才能较好而煤的亲水性强弱又与煤中含氧官能团多少和类型地流动;D级不能流动相关羟基和羧基等含氧官能团亲水性强.3)析水率:用D25mm×250mm的大试管装为了测定煤表面上的官能团,采用美国 Nicolet水煤浆,液面用液体石蜡密封,7d后测定析水率.的 Magna-IR550傅立叶红外光谱仪,波长4000析水率一水煤浆原始高度(m-10%(1)cm1~400cm-2,KBr压片法,将样品充分除去水高度(cm)分后进行红外光谱测定,结果见图4)穿透率:将重25.9g的玻璃棒从液面上自由垂直下落穿透率插入高度(cm)水煤浆原始高度(cm)×100%(2)5)水煤浆浓度:水煤浆浓度质量(g千煤质量(g)+水重(g5(3)2结果与讨论4000350030002500200015001000500图1实验煤样的红外光谱2.1单煤的成浆性Fig 1 FT-IR spectra of coals实验所用单种煤的成浆性见表2由图1可知,样品表面分子中特征吸收峰对应表2单种煤的成浆性某种特征官能团.其中3400cm-处又强又宽的吸Table 2 Slurry ability of single coa收峰是一OH的伸缩振动产生的,2920cm1和2851cm处出现的两个比较弱的吸收峰是一CH2Sample Concentration/ Viscosity/ Perforation Water precipfFluidity和一CH的伸缩振动产生的,1600cm处出现一(mPa. s) ratio/% tation ratio/SH coal 601.156.13c+个很强的吸收峰归因于氢键化的羰基和芳香环19.44C=C吸收相重叠的结果,1100cm-1~1300cm-1HN coal5461002.30之间的峰是一C—OC—的吸收峰,900cm-1D coal53610700cm-1间的吸收峰归属于不同取代单苯环和缩合芳环的C—H变形振动.从图2中可以看出,SF煤DT coal 642.15中羟基等亲水性基团的吸收峰比较强,而表征煤化ML coal 65程度高的—CH2和一CH3的伸缩振动吸收峰比较PC coal弱.SF煤中较长的碳氢侧链和较多的羧基、甲氧基342100及羟基等亲水性含氧官能团使得神府煤有较强的亲水性,表现为内在水分达到11.5%从而导致SF煤成浆浓度较低SYJ2中含有的羟基和醚氧键等亲水由表2可见,SH煤和SF煤的成浆极限浓度只基团的吸收峰相对较弱,芳环内一C-H键和能达到60%,并且流动性C级,不易流动原因是CV凵中国煤化工相对较强因此SH煤和SF煤的内在水分较高(两者的空气干燥基SYJ2CNMHG浆浓度较高DT水分超过10%),减少了煤浆中可自由流动水分的含煤、F的乱外尤谐相似,羟基含量少,煤量使得在较低浓度下黏度就高达1000mPa·s左化程度较高,内在水分也不高故成浆浓度比较高.煤炭转化10年2.2两种煤配合的成浆性稳定性好和易点燃的优质水煤浆,将两种煤按一定比例配合起来,实现配煤制浆,是一种合理利用煤炭研究表明配煤可以有效地调节煤灰熔融性,使资源的好方法其满足液态排渣要求,但两种煤配合的混煤是否也根据配煤煤灰熔融特征温度的测定结果,高灰满足水煤浆的成浆要求呢?成浆性好的煤与成浆性熔点煤的质量配比控制在16%左右,可以使混煤灰不好的煤配合,前者可以提高后者的成浆性;低阶动的熔融温度降低到1300℃左右,故考察SF煤/HN力煤成浆性差,水分高,发热量低,但挥发分高,容易煤和SF煤/J煤的最高质量比在70:30以下.配着火,而高阶动力煤则相反.为获得浓度高、黏度低、煤的水煤浆成浆性分析结果见表表3配煤成浆性Table 3ability of blend coalSample Mass ratio Concentration/% viscositys) Perforation ratio/% Water precipitation ratio/% Fluidity70:30F: HN000002.442.64F: ZJ000358BCBBC由表3可以看出,在水煤浆浓度不变的条件下,要求SF煤与不同煤混合对煤浆黏度和析水率的影提高混煤中HN煤和以J煤的质量比,可以使配煤响见图2.水煤浆的流动性有所改善,同时黏度也有所降低.随着J煤和HN煤加入量的增加,水煤浆黏度逐渐降低,原因是刀J煤和HN煤内在水分较之SF煤要低很多,在相同制浆浓度条件下,随HN煤和Z煤质量增加,煤浆中自由水变多,流动性得到改善,故水煤浆黏度有所降低SF-PCHN煤和幻J煤的灰分都明显高于SF煤,故Different blending coal and rateHN煤和幻J煤中的无机矿物含量高于SF煤,煤中的无机矿物对水煤浆的稳定性有一定影响,煤中的矿物质主要通过影响煤表面的亲水性、电化学性质或通过与制浆用分散剂的相互作用来影响浆体的稳定性研究表明,煤中的矿物质可以吸收水分,从而大大降低了浆体中作为流动介质的水分,同时煤中SF-DT的高价金属离子溶出后能吸附在煤表面而使煤的亲水性增强,被吸附的水分子在固体颗粒表面定向排图2SF煤与不同煤混合对黏度和析水率的影响列,减少了浆体中自由水的含量,并且由于这些水分Fig.2 Effect on viscosity and rate of separated water of子膜有很大的黏滞性,导致浆体结构化程度增大,稳SF coal blended with different coals定性提高,这也就解释了随HN煤和ZJ煤质量比加,煤浆的析水率逐渐降低和稳定性变好的原因将SF煤同高碳含量的高煤化程度煤混合,可以利从图2可以看出,在混合原料煤中,随着DT用无烟煤高碳含量和较高成浆浓度提高SF煤的成煤、ML煤和PC煤质量配比的增加,其混煤的水煤浆性.DT煤、ML煤和PC煤是煤化程度较高的煤浆黏度呈现降低趋势.在上述实验中,除了SF煤和种,同时其灰分和煤灰熔融特征温度也高,故只能采DT山中国煤化工媒化度媒配比增用配煤的方法将它们用于水煤浆气化原料.当SF加而率均随高煤化度煤与DT煤、ML煤和PC煤配合,髙灰熔点煤的质煤配CNMHG配入的高煤化度量配比不超过20%时,都能满足气化炉液态排渣的灰分产率较高,而煤中无机矿物质的密度大于煤有第4期邵守言等水煤浆气化原料的成浆性研究机质.从物理的角度看,灰分高意味着制浆用煤的密小,表明其硬度越高,越难粉碎).这表明SYJ比煤度大,固体密度越大,质量浓度一定时,煤浆中固体炭更容易粉碎,这对于因挥发分低而要求粒度更小浓度越低,煤浆的流动性越好,所以灰分越高,表观的SYJ而言是非常有利的;但SYJ作为燃料也有其黏度越低.有学者研究得出在采用双峰级配的前提不足之处,最大问题是挥发分低,一般为10%,而煤下,适当减小级配的髙煤化程度煤细颗粒粒度,使其为20%~40%,因此必须将其研磨至足够小的颗粒表面性质充分释放,提高煤颗粒的zeta电位,使颗才能达到满意的气化效果.如在水泥窑或锅炉燃烧粒倾向于更高的堆积效率,提高水煤浆的成浆浓度.石油焦,均要求SYJ中90%的颗粒能通过200目筛这可以说明,在低阶煤为主的混合原料煤中,随着高孔,对于多数烟煤而言,其200目通过率在65%煤化度煤的质量配比增加,混煤中无机矿物含量也85%即可.工业上已经成功使用SYJ等作为气化炉随之增加,SF煤和ML煤的混煤浆黏度和析水率均气化原料,但是由于SYJ的挥发分低和固定碳高,随ML煤配人量增加而降低.不易点燃,为了使其充分气化,必须将其研磨到很小2.3煤和SYJ配合成浆性的粒度才能达到完全气化的要求.年轻烟煤有较高的挥发分,可以弥补SYJ在气化过程中挥发分少和采用低灰分SYJ燃料可以大大减小灰分变量难点火的缺点,故采用年轻烟煤与SYJ配合作为气的数值,同时充分利用高硫石油焦资源.SYJ另一个化炉的气化原料有实际工业价值.SF煤与SYJ混优点是易于粉碎,其 hardgrove指数(参照煤炭可合后的水煤浆成浆性实验结果见表4.磨性实验方法分析)为95,而SF煤为50(该指数越由表4数据可以看出,随SY添加比例的增衰4SF煤与SYJ配合对水煤浆成浆性的影响Table 4 Effect of SF coal blended with SY] on slurry ability of CWSF coal/SY](mass ratio) Concentration/% Rate of through 200 mesh/% Viscosity/(mPa.s) Fluidity Water precipitation ratio/%60:4050:5.8462325.105.3774.60:100加,混煤浆黏度逐渐降低,但降低幅度不大,与此同和SF煤混合制浆,考察三种原料制浆的效果是否时,混合水煤浆的析水率也降低,煤浆的流动性也得满足工业应用,实验结果见第30页表5.由表5可到较好改善,当SYJ添加量为70%时,混合煤浆的以看出在SF煤质量比不变的条件下,随着SYJ2流动性达到B级.SF煤的亲水性强,SYJ的疏水性质量增加,混合料水煤浆的黏度和析水率均逐渐降强,两者的互补性是获得水煤浆低黏度的根本原因.低,其变化趋势与SF煤和SYJ2两种原料制得的煤有研究得出较强疏水性的煤与较强亲水性的煤相配浆相同.由于在三种原料的混合中,SF煤和SYJ2合有利于提高煤的成浆性,而两个疏水性均较强的占总量的80%~90%加入HN煤、QD煤和刀J煤煤相混合对煤的成浆性影响不大,但对煤的稳定性后,高灰分煤中无机矿物的吸水作用和小颗粒的充影响却很大;SYJ质量比例的增加使混合浆中自由分填充作用也使得煤浆的稳定性得到进一步提高水含量增多,同时使混合浆中小颗粒所占比例也提析水率也随SYJ质量比增加而减小高,小颗粒能填充在SF煤和SH煤的大颗粒空隙中阻止大颗粒的自由沉降,小颗粒的填充作用大于3结论自由水增多的作用,故混料浆的析水率也降低TrV山中国煤化工浆性表现不同的2.4三种原料配合的成浆性性能CNMHG内在水分高含氧官能以長少,平江属水以度;随着煤化度提为更好地利用各种含碳资源,采用SYJ、无烟煤高,其煤样的疏水性也增加,可以制备出较高浓度的煤炭转化010年豪5三种原料配合对水煤浆成浆性影响Table 5 Effect of blending coal on slurryability of CwSMass ratio Concentration/% Viscosity/(mPa.s) Perforation ratio/% Water recipitation ratio/% Fluidity50:10140SF/HN/SY250:15:3550:20:3022250:10:4000002417SF/QD/SYJ250:15:355.2350:10:40BBBBBSF/ZJ/SYJ250:15:3550:2011004.87水煤浆,尤其是煤化度适中的QD煤,单独制浆浓度到液态排渣要求前提下,配入SYJ和部分高灰熔点达到70%黏度536mPa·s,流动性为A煤后,三种原料配合的料浆浓度为62%时,黏度在2)成浆性不同的两种煤或多种原料混合后,可340mPa·s~550mPa·s之间,流动性为B级以提高SF煤和SH煤的成浆性,说明通过配煤可以提上,所配混合原料的料浆浓度和成浆性都满足水煤高难成浆煤的成浆性,在保证混合原料的灰熔点达浆气化的工艺要求考文献[1]李艳昌,程军刘剑等配煤提高神华煤成浆性能的研究[门煤炭转化,2008,31(4):7274[2]李艳昌周志强程军等.煤的理化特性对其成浆性能的影响[].煤炭转化,2009,32(3):3539.[3]官长平吴翠平高志芳等.低变质程度煤配煤制浆的试验研究[门选煤技术,2009(2):6-9[4]尉迟唯,李保庆李文等.中国不同变质程度煤制备水煤浆的性质研究[刀]燃料化学学报,2005,332)155160[5]王志光绕志雄张德祥.云南褐煤水煤浆成浆性分析[门山东冶金,200729(4):41-43.[6]张继钟学峰煤质对 Texaco气化装置运行的影响及其选择[J]中氮肥,2002(2):16-20STUDY ON SLURRYABILITY OF COAL WATER SLURRYUSED FOR COAL GASIFICATION(Key lab of Coal Gasification of Ministry of Education, east China University of Scienceand Technology, 200237, Shanghai;* Jiangsu Sopo Group CompanyLimited, 212006 Zhenjiang, Jiangsu)ABSTRACT Rainging from bituminous coals that contain low degree of codification to highrank anthracite, as well as petroleum cokes for coal gasification were carried out in the lab. Un-der the premise of assuring the mixed coals ash fusion temperature is to meet with dischargingliquid ash, some higher rank coal and/ or petroleum cokes are chosen as increasing concentrationof low rank CWS by blending. The slurryability of mixed coals water slurry was also investigad. The test results show that the CwS's concentration of high rank coal is higher than that oflow rank coal, the CwSs concentration of middle rank coal is about 70%, the apparent viscosityis 536 mPa.s, and the flowage property is given a grade. When the CwS,s concentration is tokeep in 62%, the CWs,s apparent viscosity of 3 kinds中国煤化工 ns low rankalis340mPa·s550mPaCAMH G of liquid ashdischarge.KEY WORDS coal water slurry, slurryability, blending coal, anthracite, petroleum coke