水煤浆气化工艺影响制浆因素的分析

柳开智

【摘 要】文章介绍了水煤浆气化工艺的工艺技术现状；制备高浓度水煤浆影响因素等。

【关键词】水煤浆气化工艺；因素；分析

煤炭是我国的基础能源和重要原料，在国民经济和社会发展中具有重要的战略地位。煤气化技术是煤炭清洁转化的核心技术之一，是发展煤基化学品、煤基液体燃料、IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础。在众多煤气化技术中，水煤浆加压气化技术作为一种先进的新型气化技术，因煤种适应范围较广、气化温度高、压力高、易于大型化，成为煤气化技术发展的主流方向在我国得到了较快的发展，自20世纪80年代至今，我国相继建设了数十套水煤浆加压气化装置，其合成气用于生产合成氨、甲醇、丁醇、二甲醚、烯烃等化工产品。

1.国内气化水煤浆制备工艺技术现状

在水煤浆气化行业中，工程技术人员和用户非常重视气化工艺和合成工艺等技术，往往忽视了水煤浆气化的基础环节—水煤浆制备。因此，气化水煤浆的质量（浓度、粒度和稳定性等）相对较差，给后续生产环节带来了诸多问题，如气化效率低、能耗（煤耗、氧耗）偏高、生产成本增加等。目前，气化水煤浆质量及其影响具体如下：

（1）水煤浆的浓度偏低（60%左右），致使单位合成气所需氧耗偏高。

（2）水煤浆的粒度偏粗，雾化性能较差，气化后灰中含炭量较高，致使单位合成气所需煤耗偏高。

（3）水煤浆粒度分布不合理，浆体的流动性较差，致使煤浆管道、泵、阀门等磨损严重。

（4）水煤浆的稳定性较差，储存期相对较短.仅为24h，给生产管理带来一定难度。

2.制备高浓度水煤浆影响因素

2.1煤质特性

煤质特性是影响水煤浆制备的首要因素。一般来说，煤种制浆浓度随其内在水分含量的增大而降低，较低的内水含量有利于制备较高浓度的煤浆。变质程度浅的煤种，其内水含量较高、含氧官能团多，制浆浓度较低；变质程度深的煤种，其内水含量较低、含氧官能团少，制浆浓度较高。煤的内在水分含量可反映煤的内孔表面和亲水性能，其量较低时说明该煤的比表面积小或吸附水的能力差_2J。因此，制浆时煤粒上能吸附的水量少，形成的水化膜也较薄，致使占用的水量较少，所以在水煤浆浓度相同的情况下，固定于煤粒上的水量就相对较少了，从而导致悬浮体的自由流动相增多；也就是说，欲使水煤浆具有同样的流动性，其浓度必然会增高。

从煤质角度考虑，要制备高浓度的水煤浆，选择内水含量和含氧量少的煤种为宜。对于确定的煤种而言，影响成浆性的主要因素为煤粉粒度分布和煤浆添加剂。

2.2粒度级配对不同煤种制浆浓度的影响

在制浆过程中，为了制备高浓度的水煤浆，要求煤粉颗粒各粒径的含量要有一定的分布，使大颗粒间的空隙为小颗粒所填充，以减少空隙所含水量，从而提高制浆浓度。水煤浆的最佳粒度分布可以用不同的数学模型来表述：①从煤粉的粒度分布数据来计算煤粒子的填充空隙率，空隙率最低的粒度分布制成的水煤浆浓度最高；②计算粒度分布指数，目前最常用的粒度分布是Rosin.Rammler函数的改进形式 R-R-B分布：R=100exp[-（d/d）n，]，R是筛孔d时的网上粒子质量，d为粒度特性值，相当于R=36.7%时的粒径，n为粒度分布指数。一般认为n值越小，分布越宽，填充效率就越高。但是，粒度分布指数并非越小越好，无论是否加人分散剂，n值均在0.7-0.8的范围内煤浆的粘度最低。粒度级配越好，堆积率越高，煤浆浓度越高。

2.3水煤浆添加剂

目前，对水煤浆添加剂的研究要多于对粒度分布的控制，因为水煤浆添加剂的使用更具有实用意义，使用添加剂后，不仅可以提高制浆浓度，而且可以降低煤浆粘度，提高流动性。水煤浆添加剂主要是一些不同性能的表面活性剂，主要有4类：①阴离子型表面活性剂；②阳离子型表面活性剂；③非离子型表面活性剂；④高分子化合物和元机盐。

2.4制浆工艺

水煤浆制浆工艺主要是为了取得粒度组成的最佳级配，也就是最大堆积效率，便于制备高质量的水煤浆。气化用水煤浆制备主要采用一次湿法制浆工艺。在磨机选定的情况下，制浆工艺影响水煤浆浓度的因素有入磨粒度、生产能力、研磨体级配。在工业化生产中，由于磨机连续作业，欲在达到生产能力条件下取得所需粒度的煤浆，需控制人磨机原料的粒度大小（一般<10mm），调整研磨体级配。

低阶煤制备高质量水煤浆工艺主要创新点在于引入“多破少磨”、“分级研磨”和“优化粒度级配”的技术理念，明显和有效地提高了制浆工艺对煤种的适应性，实现低阶煤制取高质量水煤浆，大幅度降低气化能耗（煤耗、氧耗）和生产成本。工艺特点如下：

（1）根据磨机的入、出料粒度组成特点，采用“分级研磨”，可获得较高的磨矿效率和降低能耗，在同一磨矿浓度下较常规制浆电耗可以减少25%以上。

（2）采用高浓度粗磨选择性磨机，不但进行研磨和防止粗颗粒的产生，尚可起到预混煤浆、改善粒度分布和提高煤浆质量的作用。

（3）填充率高（80%）的超细磨机用于中浓度的细粒级制备，然后按照一定比例配入选择性磨机中，起到了“润滑作用”、提高了煤浆磨矿效率，而且改善了煤浆堆积效率。

（4）通过“优化粒度级配”，明显提高了工艺对煤种的适应性。该工艺不但适用于成浆性较难的煤种，对于容易成浆的煤种效果更加明显，与常规高浓度工艺相比可以提高煤浆浓度3～5个百分点。

（5）将反击式破碎与悬臂式粉磨相结合研发的高效破磨机，可将不大于50mm的煤粒破碎至不大于1mm占80%以上，远远低于常规制浆工艺中磨机不大于10mm的入料粒度。

2.5配煤技术

煤种成浆性能与煤质特征密切相关，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，还可通过配人一定比例的易成浆煤种，达到改善其成浆性能的目的。不仅如此，配煤技术的实施，还可扩大原料煤种的适用范围，实现原料多样化及资源的合理利用。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。因此，通过配煤技术来提高水煤浆制浆浓度，对于气化装置经济稳定运行以及煤炭资源的合理配置具有很强的实用意义。

2.6添加助熔剂

在相同固含量情况下，水煤浆制备过程中助熔剂的加人，会使煤浆流动性和稳定性均有所改善。因此，对于制浆过程而言，助熔剂的加人并没有负面影响，对成浆性还有一定的改善作用。

2.7 pH值选择

水煤浆pH值在8-10时，煤浆表现出良好的成浆性能，在这一范围内，随着pH值升高，煤浆流动性有所改善。为克服实际应用过程中对设备、管道的酸性腐蚀，工业化制浆一般要求煤浆pH值>7。

3.结束语

（1）煤质是制备高浓度水煤浆的首要因素。煤种制浆浓度随其内在水分含量的增大而降低，较低的内水含量有利于制备较高浓度的煤浆。

（2）大颗粒间的空隙能被小颗粒填充，将有利于制成高浓度水煤浆。但随着粗粒子含量增加，尽管其煤浆表观粘度降低，但因其流动性变差，仍然不能制成高浓度的、可供泵送的水煤浆。

（3）适宜的添加剂及加量能降低煤浆的表观粘度，改善流动性，提高制浆浓度。因此对于制备高浓度水煤浆，需要综合考虑上述各因素。根据不同的煤质，选择合适的粒度分布、添加剂、制浆工艺或配煤技术，才能制备出适合工业化应用的高性能水煤浆。