半焦制备气化水煤浆试验研究
摘 要：为提高半焦的成浆浓度，以半焦与褐煤为原料，采用传统工艺，分级研磨工艺和间断级配工艺进行成浆性试验，并进行了半焦与褐煤的配煤制浆试验。结果表明，半焦和褐煤在传统工艺下的最高成浆浓度分别为55.58%、47.38%。采用分级研磨制浆工艺，在粗细粉质量比为85∶15的条件下，半焦和褐煤的最高成浆浓度分别为58.13%、51.59%。采用间断级配制浆工艺，对半焦和褐煤以7∶3进行配煤制浆试验，在半焦的粗细粉质量比为6∶4条件下，配煤制浆的最高成浆浓度为61.36%，浓度满足设计要求，所制煤浆的流动性和稳定性都明显变好。
关键词：半焦;气化水煤浆;褐煤;配煤;间断级配
0 引 言
水煤浆作为煤基液态燃料，具有燃烧效率高、污染物排放低的特点，主要用于工业锅炉、窑炉和电站锅炉，代煤、油、气燃烧;亦可作为气化原料，用于生产合成氨、甲醇等[1]。水煤浆技术已被列为我国能源发展重点推广技术，是当今洁净煤技术的重要组成部分[2]。我国低阶煤资源丰富，利用低阶煤制浆可拓宽水煤浆制浆用煤种类来源，降低制浆成本[3]。褐煤是我国目前储量比较丰富的低阶煤，具有高水分、高灰分、高氧含量、发热量低、气化反应活性强等特点，是现阶段制备气化水煤浆的主要原料之一。但褐煤单种煤制浆的成浆浓度较低，不利于水煤浆气化过程。半焦又称兰炭，由煤低温干馏所得的可燃固体产物，产率为原料煤的50%～70%，半焦比原料煤的水分低、发热量高，具有极高的利用价值，是很好的高热值无烟燃料，主要用作工业或民用燃料，也用于生产合成气、电石等。用半焦制备气化水煤浆，可以增加制备水煤浆原料的来源[4-6]，但半焦单独制浆，存在气化反应活性较差的缺点，因此可考虑采用半焦与褐煤混配的方式来制备水煤浆，既能提高褐煤的成浆浓度，又能提高半焦的反应活性。原料煤通过不同的磨制方法可制备不同的粒径，粒度级配越好，制取的水煤浆浓度越高。控制好水煤浆的粒度分布，不仅能降低水煤浆的黏度，还会增强其稳定性，改善流动性。我国第1代传统制浆技术，水煤浆的粒度级配是单峰连续级配，成浆浓度较低;第2代分级研磨制浆技术采用的是双峰连续级配理论，与第1代传统制浆技术相比，煤浆浓度可提高约3%;第3代间断级配制浆技术，水煤浆粒度级配理论采用双峰间断级配，能够大幅提高水煤浆堆积效率，改善煤浆流动状态，煤浆浓度可提高6%～8%，显著提高水煤浆气化效率。某化工企业提出要利用半焦和褐煤配煤后制备气化水煤浆，要求水煤浆浓度达60%以上，半焦作为主要用煤(约占70%)。
为了提高半焦的成浆浓度，本文分别采用传统制浆技术和分级研磨制浆技术对半焦和褐煤进行单独成浆性试验;并在此基础上采用间断级配制浆技术，对半焦与褐煤混配进行制浆试验，确定出最佳配煤制浆方案。
1 试 验
1.1 煤质分析
试验原料为内蒙古地区的半焦和褐煤，对半焦与褐煤进行煤质分析，分析数据见表1。
表1 褐煤及半焦的工业与元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of lignite and char
由表1可知，半焦性质为中等水分、高灰分、中低硫、特低挥发分;褐煤属于高水分、中灰、中高硫、高挥发分的煤种。
1.2 试验仪器
成浆性试验所用的主要仪器见表2。
表2 成浆性试验所用的主要仪器
Table 2 Primary instruments used in slurry experiments
1.3 试验方法
该企业气化水煤浆粒度要求：lt;0.045 mm颗粒质量分数≥40%，lt;0.075 mm颗粒质量分数≥45%，lt;0.35 mm颗粒质量分数≥80%，lt;1.4 mm颗粒质量分数≥95%;水煤浆表观黏度≤1 200 mPa·s。
原料煤的粗、细粉制备：先用颚式破碎机将原料煤破碎到6 mm以下;然后用棒磨机将一定量的煤粉进行粗磨矿，根据粗粉出料粒度要求选取合适的磨矿时间，制备出试验用的粗粉;最后用超细研磨机将一定量的粗粉进行超细研磨。
试验采用干法制浆，添加剂选用成浆性较好的萘系，添加量为0.3%(干基/干粉)，通过计算得出各种物料添加比例;再将原料煤粉、水、添加剂分别加入到容器内，用电动搅拌器搅拌一定时间后制成水煤浆样品。水煤浆样品分别进行浓度、表观黏度、流动性、稳定性的分析测试。
水煤浆的浓度测定按GB/T 18856.2—2008进行,表观黏度测定按GB/T 18856.4—2008进行。水煤浆流动性的评价方法采用目测法，分3个等级：A级表示连续流动，流动性好;B级间断流动，流动性较好;C级无流动性。用“+”表示等级中流动性较好;用“-”表示等级中流动性较差。水煤浆稳定性评价方法采用插棒法，即将所测试样密闭静置8 h后，采用插棒观测水煤浆的沉淀情况。水煤浆稳定性判定分为4个等级：A级表示稳定性最好，浆体保持其初始状态，属均匀分布，无析水，无沉淀产生;B级表示稳定性尚好或一般，存在少量析水或少许软沉淀产生;C级表示浆体稳定性较差，有沉淀产生，有析水，密度分布不均，但经搅拌作用后可再生;D级表示稳定性最差，浆体密度分布明显不均匀，产生部分沉淀或全部硬沉淀，无法通过搅拌再生。
2 结果与讨论
2.1 传统工艺制浆试验
国内目前水煤浆的制备工艺多采用由水泥行业引进的单棒磨或球磨机制浆，原料煤、水和添加剂按一定比例加入磨机，经磨机一次研磨即制得成品煤浆。该工艺虽然简单，但调节手段少，无法优化煤浆粒度级配，出料粒度分布成单峰连续级配，堆积效率差，成浆浓度低。采用传统制浆工艺对褐煤和半焦分别进行成浆性试验，结果见表3。
表3 半焦、褐煤在传统制浆工艺下的试验结果
Table 3 Experimental results of char and lignite under traditional process
由表3可知：① 随半焦、褐煤成浆浓度的逐渐提高，水煤浆表观黏度增大，但远小于要求的1 200 mPa·s;② 随着浓度升高，水煤浆的流动性明显变差，由于半焦灰分较高，制浆过程中浆体发黏，流动性极差;③ 半焦制浆的稳定性较好，褐煤制浆的稳定性较差，易产生硬沉淀;④ 传统制浆工艺下，采用单独煤种制浆，褐煤和半焦成浆浓度均较低，半焦最高浓度为55.58%，褐煤最高浓度为47.38%。该工艺浓度极低，下一步采用分级研磨工艺和间断级配制浆工艺进行提浓制浆试验。
2.2 分级研磨制浆试验
2008年，煤科院国家水煤浆工程技术研究中心开发出“分级研磨水煤浆制备工艺”及关键设备[7]，将“选择性分级研磨”和“优化粒度级配”[8-9]的理念成功地融入制浆工艺中，优化了水煤浆的粒度级配，可使煤浆浓度提高3%～5%[10]，并已成功应用在多家煤化工企业，取得了较好的应用效果。
通过初步试验，确定出分级研磨制浆试验的最佳粒度级配为粗粉∶细粉=85∶15(质量比)。在最佳粒度级配条件下，对褐煤、半焦分别进行分级研磨制浆试验，结果见表4。
表4 半焦、褐煤在分级研磨工艺下的试验结果
Table 4 Experimental results of char and lignite under classified grinding process
由表4可知：① 半焦、褐煤随着成浆浓度的提高，水煤浆表观黏度逐步提高;② 虽然煤浆的表观黏度值很小(远小于1 200 mPa·s)，但煤浆流动性很差，不能满足要求;③ 细颗粒的加入使半焦、褐煤成浆浓度提高，稳定性也有所改善，半焦最高成浆浓度为58.13%，褐煤最高成浆浓度为51.59%，相比传统制浆工艺，半焦和褐煤成浆浓度明显提高。
虽然2个煤种的单独成浆浓度在分级研磨工艺较传统制浆工艺有所提高，但还达不到某化工企业要求的浓度60%。所以将采用间断级配制浆工艺，通过半焦与褐煤混配提浓。
2.3 间断级配制浆试验
为进一步提高煤浆浓度，近两年国家水煤浆工程技术研究中心成功开发出第3代水煤浆制备技术(间断级配制浆技术)，该技术以张荣曾[11]“隔层堆积”理论为基础，进行粒度级配的研究，探索提高煤粉堆积密度的方法与手段，并结合费祥俊[12]“浆体水力学”的相关理念与工作进行了水煤浆流动性与稳定性的研究。间断级配制浆工艺将选择性破磨机和离心式动力超细磨进行有机组合，对不同粒级的原料煤进行分级研磨，解决水煤浆粒度分布不可控操作的技术难题，优化了水煤浆的粒度级配，提高了水煤浆的堆积效率和煤浆浓度[13]。煤浆浓度增加6%～8%，提高了水煤浆燃烧和气化效率。
由于褐煤气化反应活性高，半焦气化反应活性低，所以尽可能降低半焦粒径，提高其反应活性。通过选择性破磨机将褐煤破碎成粗粒度;半焦用棒磨机磨制中粒度半焦粗粉，取出部分中粒度半焦粗粉进行超细研磨制备半焦细粉，最后3种不同粒度的原料煤粉进行混配制浆，使成品煤浆的粒度级配更加合理。初步试验确定配比方案为半焦∶褐煤=7∶3，半焦煤样最佳粒度级配为粗粉∶细粉=6∶4，见表5。
表5 间断级配工艺下半焦与褐煤混配的试验结果
Table 5 Experimental results of coal blending with char and lignite under gap-graded process
由表5可知：① 通过间断级配制浆工艺，半焦与褐煤混配后，浓度最高达61.36%，满足设计浓度要求;② 采用间断级配制浆工艺，随着细粉添加量的增加，煤浆流动性及稳定性都逐渐变好，表观黏度较前2种制浆工艺有所增大。
3 结 论
1)半焦、褐煤采用传统制浆工艺最高制浆浓度分别为55.58%、47.38%;采用分级研磨制浆工艺，在最佳粒度级配为粗粉∶细粉=85∶15条件下，半焦、褐煤的最高制浆浓度分别为58.13%、51.59%，与传统制浆工艺相比，半焦和褐煤成浆浓度都有明显提高。
2)采用间断级配制浆工艺，确定最佳配比为半焦∶褐煤=7∶3，半焦最佳粒度级配为粗粉∶细粉=6∶4，褐煤与半焦混配后，最高成浆浓度达61.36%，满足水煤浆浓度设计要求。
3)采用间断级配制浆工艺，随着细粉添加量的增加，水煤浆的流动性与稳定性变好，细粉在煤浆中起到润滑与增黏作用。
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Experimental study on preparation of gasification coal water mixture with char
Abstract:To increase the mixture concentration of char,the coal water mixture for gasification was prepared using char and lignite as raw materials.The slurry characteristics were tested by means of traditional process,classified grinding and gap-graded process.The results show that the highest concentration of char and lignite are 55.58% and 47.38% respectively prepared by traditional process.The highest concentration of char and lignite are 58.13% and 51.59% respectively of slurry prepared by classified grinding process with a thickness ratio of 85 to 15.As well,the highest concentration is 61.36% prepared by gap-graded process with mass ratio of char and lignite of 7 to 3 and char thickness ratio of 6 to 4.It meets the design requirements that improves fluidity and stability obviously.
Key words:char;gasification coal water mixture;lignite;coal blending;gap-graded
中图分类号：TQ544
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)06-0038-04
收稿日期：2017-04-18;责任编辑李柏熹
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.06.007
引用格式：何红兴，杜丽伟，张桂玲,等.半焦制备气化水煤浆试验研究[J].洁净煤技术，2017，23(6)：38-41.
HE Hongxing,DU Liwei,ZHANG Guiling,et al.Experimental study on preparation of gasification coal water mixture with char[J].Clean Coal Technology，2017，23(6)：38-41.
