低阶煤热解半焦制备水煤浆过程的六西格玛研究

张颖 李轩 韩建涛 何立新 郭屹 孙永伟

（北京低碳清洁能源研究所， 北京 102211）

低阶煤热解半焦制备水煤浆过程的六西格玛研究

张颖 李轩 韩建涛 何立新 郭屹 孙永伟

（北京低碳清洁能源研究所， 北京 102211）

采用气体热载体法处理新疆准东低阶煤制得半焦，利用六西格玛实验设计方法研究了低阶煤半焦成浆性能。通过测量系统误差分析确保实验中得到准确的实验结果，六西格玛实验设计减少了实验次数，缩短了实验周期，还提高了实验精度，JMP软件分析结果表明实验数据准确性高，误差小，完全达到六西格玛项目要求。结果表明低阶煤热解后的半焦具有良好的成浆性能，成浆浓度高于原煤。半焦水煤浆在同样浓度下的粘度远低于原煤水煤浆，热解温度越高、热解时间越长半焦的成浆性能越好。实验中原煤在640℃下结果热解25min制得的半焦成浆性能最佳，浓度为63.37%时其粘度仅为321.39MPa·s，而原煤在320 MPa·s粘度下成浆浓度仅为50.03%。六西格玛分析结果表明影响低阶煤半焦成浆性能的主要因素是热解温度。

六西格玛；水煤浆；低阶煤；热解半焦

0 引言

在全球能源日趋紧张的形势下，低阶煤清洁利用的经济价值及相关加工生产技术越来越受到重视。我国的煤储量中高含水量、低热值、高挥发分的煤种所占比例超过40%［1，2］，将此类低阶煤制备成浆体燃料， 可以拓宽其利用途径， 同时提高其技术含量和经济价值。水煤浆是由煤、水和添加剂制备而成的液态煤基清洁燃料，可高效安全地像油一样良好地泵送、雾化和燃烧，利用低阶煤制备水煤浆能有效地解决我国富煤贫油的能源结构问题，充分利用我国煤炭资源储量丰富的优势［3］。但由于低阶煤的高氧含量和高内在水分造成很难制备出高浓度的水煤浆， 其中褐煤原煤一般最大成浆浓度仅为30 %～ 40%［4，5］。研究表明将褐煤热解后制得的半焦具有低水分、低灰分、高固定碳含量、高反应活性等特点，可以制备出成浆性能优良的水煤浆［6-8］。因此，系统研究低阶煤不同温度下裂解半焦的成浆特性对低阶煤的综合利用具有重要意义。

六西格玛实验设计主要包括：定义、测量、分析、设计、优化和验证这六个流程，是通过科学、最有效的方式安排实验，以最少的实验个数获取所需要的信息，对实验结果的分析以获取最大信息，找到传统方法无法找到的新规律，新现象［9］。从而减少研发项目的工作量，缩短研发周期，减少人力、物力的消耗。使用六西格玛中的实验设计规划和分析方法可以在诸多影响因素中筛选出影响水煤浆成浆性的关键因素，以最少的代价找出最佳搭配组合［10］。

实验中采用气体热载体法对原煤进行处理，使用氮气将原煤在隔绝空气的条件下加热至400～640℃进行热解反应，在不同的停留时间下制得半焦，并利用半焦制备水煤浆， 研究不同热解温度和热解时间对半焦成浆特性的影响。在半焦制浆实验中使用六西格玛实验设计方法（DOE）对半焦的成浆性能展开研究。采用了六西格玛中实验设计，进行了半焦水煤浆成浆性过程实验，确定了影响水煤浆成浆性的关键因素，为热解半焦产品制备水煤浆高成浆性得到技术应用提供了技术基础。

1 实验方法

1.1 低阶煤热解制半焦

采用气体热载体法对新疆准东原煤进行热解，热解装置主要由气源系统、加热系统、连续移动热解系统、焦油回收系统及软件系统等组成。热解制半焦过程中采用氮气为加热载气，干燥器和热解器内的氮气流量均为30Nm3·h-1，每次煤样进料量为2.5kg，煤样品粒度为5～10mm。制备好的半焦经过粉磨后用于水煤浆制浆实验。

1.2 浆体制备

采用干法制浆工艺，按照设定的浓度与浆量，称量所需的半焦、去离子水及添加剂，添加剂采用木质素类添加剂，加入量为干煤粉质量的0.5%。为使添加剂均匀地分散在水煤浆中，先将添加剂与水加入烧杯中以300r/min的速度搅拌2min。然后加入半焦，在800r/min的速率下搅拌20min制得浆体。

1.3 水煤浆性能测量

（1）粘度测量 使用HAAKE VT550型黏度计测量浆体的粘度。向测量容器内注入适量浆体，测量温度维持在室温，测量剪切速率为100/s下的粘度，每间隔5秒记录一次粘度，共记录20组，计算平均值得到表观粘度。

（2）浆体实际浓度测量 用水煤浆浓度测定仪按照GB/ T8856.2照粘度。量容标准中规定的干燥方法对水煤浆实际浓度进行测量。

（3）流动性测量 水煤浆流动性采用目测法，分为A、B、C三个等级，每个等级划分如下：

连续流动： A；间断流动： B；不 流 动： C。

（4）稳定性测量 煤浆稳定性实验测试采用的标准为GB/ T18856.5用的标准为，即将被测水煤浆试样密闭静置24小时后，采用插棒法观测，水煤浆的稳定性分为四个等级，如下：

A级—浆体保持和始状态，无析水和沉淀；B级—产生少量的析水或少量软沉淀产生；

C级—有沉淀产生，密度分布不均，搅拌后可再生；D级—产生硬沉淀，搅拌不可恢复。

2 实验设计和结果讨论

水煤浆制备过程中的关键指标包括浓度、粘度、流动性和稳定性，在前期实验中发现新疆准东原煤的稳定性和流动性均比较好，同样制得的半焦也具有较好的流动性和稳定性，新疆准东原煤的工业分析和成浆性能如表1所示。实验结果表明准东原煤水份较高，成浆性能较差，制成的水煤浆浓度较低，稳定性一般。

表1 新疆准东原煤的工业分析和成浆性能

原煤热解后的主要目的是提高其成浆的浓度，因此在六西格玛实验设计中主要考虑的关键技术指标就是水煤浆浓度和水煤浆粘度，影响这些关键因素主要有：热解温度、热解时间。因此进行实验设计前先采用六西格玛方法对整个过程进行了评估和分析，以选择关键的影响因素。

首先采用的六西格玛过程中的失效模式及后果分析（PFMEA）对整个过程进行评估，有效控制存在的各种风险，使实验过程安全可靠。接着采用可靠性设计（DFMEA）分析保证在实验过程中取得可靠的实验结果。其中过程工艺参数（CTQ）分析结果指出热解温度和热解时间影响到水煤浆浓度和水煤浆粘度较大。测量系统和误差分析（MSA）表明产物检测系统的准确性、重复性和再现性较好，可为实验工作提供准确可靠的分析数据。最终采用六西格玛中实验设计（DOE），热解时间和热解温度为实验条件选择最佳搭配，采用了六西格玛实验方法设计实验参数，实验设计和低阶煤热解半焦产品成浆性能如表2所示，不同半焦的工业分析如表3所示。

表2 实验设计及成浆结果

实验结果表明新疆准东原煤制成的半焦具有良好的成浆性能，在同样的热解时间下热解温度越高半焦成浆性能越好，同时在同样的热解温度下热解时间越长半焦成浆性能越好。这是因为新疆准东原煤在热解过程中经历了脱水、有机基团分解、焦油和挥发分析出、产生固体半焦这一过程，热解温度升高和热解时间加长均提高了热解半焦的固定碳含量，降低了热解半焦的水分和氧元素含量，从而提高了其成浆性能。

表3 半焦产品的工业分析

半焦样品的工业分析表明在一定的热解终温下，随着停留时间的升高，新疆准东半焦水分和挥发分逐渐降低，灰分逐渐升高。当热解终温为640℃时，随着停留时间延长，半焦水分从0.84%降到0.44%，挥发分从12.63%降到9.83%，灰分从7.01%升到7.75%。在相同的停留时间下，随着热解终温的升高，神木石窑店半焦水分和挥发分降低，灰分逐渐升高。当停留时间为25min时，随着热解终温升高，半焦水分从0.98%降到0.44%，挥发分从21.34%降到9.83%，灰分从6.79%升到7.45%。这是由于随着热解终温的升高和停留时间的延长，热解过程中先脱除煤料中的外在水分和孔隙结构中吸附的气体，水分和挥发分不断减少，相应地灰分升高，而且热解终温越高，促进了煤粒的裂解。水分和挥发分降低导致了半焦成浆性能提高。

使用JMP软件对粘度进行了分析，粘度的实际值和预测值如图1所示，粘度残差的正态分位图如图2所示。分析结果表明粘度的R平方值为0.901859，粘度的误差较小，六西格玛水平的制程能力指数（CPK）分析表明粘度的制程能力指数为3.266，远大于1.33，表明实验过程中粘度处于特优的状态，表明实验数据准确可靠。

同样使用JMP软件对浓度进行了分析，浓度的实际值和预测值如图3所示，残差的正态分位图如图4所示。分析结果表明浓度的R平方值为0.928155，误差较小，六西格玛水平的制程能力指数（CPK）分析表明浓度的制程能力指数为2.023，同样表明实验过程中煤焦油转化率处于特优的状态，表明实验数据准确可靠。

图1 粘度的实际值和预测值对比

图2 粘度残差的正态分位图

图3 浓度的实际值和预测值对比

图4 浓度残差的正态分位图

误差传递分析结果如表4所示，结果表明热解温度的误差对浓度和粘度的影响较大，而热解时间的误差对浓度和粘度影响较小。此外因子的标准差越大，温度的影响也就越大。这充分说明了热解温度是低阶煤热解半焦产品制水煤浆成浆性能的主要因素，这是因为煤中挥发分析出和有-CH3、-CH2、含氧基团、苯环、环烷烃等官能团的脱出主要受到热解温度的影响，而热解能够改善半焦成浆性的原因是低阶煤半焦内水和含氧官能团显著下降，煤阶显著提高，因此在控制热解温度对低阶煤半焦成浆性能具有重要意义。

表4 误差传递分析

采用JMP软件中的预测刻画器进行了预测刻画分析，意愿设置为时间25min，温度640℃，并进行了6次重复实验，实验结果如表5所示。结果表明重复实验中浓度达到了大值，制程能力指数（CPK）为2.023。粘度则波动较大，最大值为1032，其制程能力指数（CPK）为3.266，大于1.33，实验结果处于可以接受的范围内。实验结果指出准东原煤在640℃结果的条件下热解25min制得的半焦具有最佳的成浆性能，制得的水煤浆在浓度为63.37%时粘度仅为321.39MPa·s。与之相比，原煤在320 MPa·s粘度下成浆浓度仅为50.03%。实验中通过热解将准东原煤的成浆性能提高了26.6%。

表5 验证实验设计参数及实验结果

3 结语

采用气体热载体法在不同的温度和时间下热解新疆准东低阶煤制得半焦并进行了低阶煤半焦成浆性能实验，实验结果表明热解半焦具有良好的成浆性能，半焦水煤浆在同样粘度下比原煤水煤浆的浓度高，并且热解温度越高、热解时间越长，半焦的成浆性能越好。在640℃25分钟的热解条件下制得的半焦成浆性能最佳，浓度为63.37%时其粘度仅为321.39MPa·s。六西格玛分析结果表明影响低阶煤半焦成浆性能的主要因素是热解温度。该技术可实现热解半焦代替优质煤进行水煤浆气化，取得巨大的经济效益，为我国高效率、低消耗利用低阶次化石资源并节约大量的优质化石资源将做出巨大的社会贡献。

［1］董洪峰，云增杰，曹勇飞.我国褐煤的综合利用途径及前景展望［J］.煤炭技术，2008，27（9）：122-123.

［2］尹立群.我国褐煤资源及其利用前景［J］.煤炭科学技术，2004，32（8）：12-14.

［3］李安.水煤浆技术发展现状及其新进展［J］.煤炭科学技术， 2007，35（5）： 97-100.

［4］段清兵.褐煤制气化水煤浆实验研究［J］.洁净煤技术， 2014，20（6）.

［5］魏亚玲.低阶煤水煤浆制备技术与工艺研究现状及前景［J］.洁净煤技术， 2014，20（6）.

［6］刘明强， 刘建忠， 王瑞坤， 周俊虎， 岑可法.热解温度对褐煤半焦成浆特性影响的实验研究［J］.中国电机工程学报， 2013，33（8）:36-43.

［7］赵 卫 东，刘建忠，周 俊 虎 等.低 阶 煤高温高压水热处理改性及其成浆特性［J］.化工学报，2009，60（6）：1560-1567.

［8］戴爱军.改善低阶煤成浆性能的试验研究［J］.煤炭加工与综合利用， 2011：57-58.

［9］马林.六西格玛管理［M］.北京：中国人民大学出版社，2007.

［10］王刚.运用六西格玛方法优化煤的工业分析流程［J］.煤质技术， 2010：14-17.

张颖（1986- ），女，本科，助理工程师。