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        不同煤質(zhì)對水煤漿性能及工業(yè)生產(chǎn)的影響研究

        2020-11-24 07:44:46董志龍宋九成
        煤化工 2020年5期
        關鍵詞:水煤漿煤質(zhì)漿體

        董志龍,宋九成

        (中海石油華鶴煤化有限公司,黑龍江 鶴崗154100)

        目前水煤漿的應用技術十分成熟,其被廣泛應用于冶金、輕工、化工、電力、石化、機械等行業(yè),在緩解我國原油緊缺、合理利用現(xiàn)有傳統(tǒng)能源、推動經(jīng)濟高速發(fā)展方面具有重大民用和軍用價值。中海石油華鶴煤化有限公司設計年產(chǎn)30萬t合成氨、52萬t尿素,氣化裝置采用GE公司的水煤漿加壓氣化技術和激冷流程,設計壓力為6.5 MPa,基礎設計和工程設計由中國天辰工程有限公司完成。因受煤炭市場制約,該公司頻繁更換煤源,以期達到生產(chǎn)效益最大化。鑒于此,筆者通過實驗研究了來自黑龍江鶴崗當?shù)夭煌旱V和俄羅斯遠東煤礦的煤所制備水煤漿的性質(zhì),并對水煤漿工業(yè)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行了分析,為中國最北方地區(qū)進行水煤漿化工和“外煤內(nèi)用”可行性提供了一定的數(shù)據(jù)支撐和借鑒意義。

        1 實驗部分

        1.1 水煤漿的制備

        1.1.1 原料煤的選取及分析

        實驗所選取的原料煤分別來自鶴崗當?shù)鼐旅旱V(JD)、富力煤礦(FL)、興安煤礦(XA)和俄羅斯遠東煤礦(ELS)。原料煤的工業(yè)分析和元素分析結果見表1。

        表1 原料煤的工業(yè)分析與元素分析%

        1.1.2 實驗條件的選擇

        1.1.2.1 水煤漿添加劑

        水煤漿是將水、少量添加劑、具有不同粒度分布的煤粉混合在一起,經(jīng)研磨形成的混合物[1]。因煤粉是憎水性物質(zhì),難于被水潤濕,故水煤漿是一種顆粒懸浮體,屬熱力學不穩(wěn)定體系,必須加入化學添加劑才能夠制出低黏度、高濃度、高穩(wěn)定性、易于輸送的優(yōu)質(zhì)水煤漿[2]。木質(zhì)素磺酸鹽系水煤漿添加劑,因價格低廉、制備原材料豐富、無毒、性能優(yōu)越等特性被廣泛用于水煤漿的制備[3-4]。因此,實驗選用國內(nèi)常用的木質(zhì)素磺酸鹽系水煤漿添加劑制備水煤漿。

        1.1.2.2 制漿用水水質(zhì)

        制漿用水為工業(yè)原水:濁度≤3 mg/L,COD≤20 mg/L,pH為6~9,色度≤70度,BOD≤4 mg/L,氨氮質(zhì)量濃度≤1 mg/L。

        1.1.2.3 煤粉粒度分布

        水煤漿質(zhì)量分數(shù)每提高1%,有效氣(CO+H2)體積分數(shù)平均提高1.5%,為使氣化過程中有效氣(CO+H2)含量較高和工業(yè)生產(chǎn)效益最大化,要求氣化用水煤漿在性質(zhì)穩(wěn)定的前提下,具有較高濃度,這就要求水煤漿中煤粉顆粒具有不同的粒度分布,以便形成有效堆積和填充,來增加所制水煤漿的濃度。由于所選煤質(zhì)差異性較大,哈氏可磨性能不同,為使4種煤粉粒度分布相同,實驗采取干法球磨制煤粉,篩分不同粒徑煤粉,按照粒度分布要求進行配比制漿。制漿用煤粉粒度分布應符合Alfred公式[5],粒度分布為:14目~40目占6.0%、40目~120目占37.5%、120目~200目 占12.5%、200目~325目占9.0%、325目及以上占35.0%。

        1.1.3 水煤漿的制備過程

        根據(jù)上述所選實驗條件制漿,在25℃下,稱取一定量原水置于廣口瓶中,加入一定量添加劑干粉,添加劑用量為干基煤質(zhì)量的3.5‰,再按相同的粒度分布加入煤粉,進行混合攪拌,攪拌速率為3 200 r/min,攪拌時間為15 min。

        1.2 水煤漿評價方法的選擇

        1.2.1 水煤漿質(zhì)量分數(shù)的測定

        水煤漿質(zhì)量分數(shù)的測定方法一般有紅外干燥法和烘箱干燥法2種,實驗采用烘箱干燥法。稱取一定量的水煤漿,放在烘箱中,設定干燥溫度為105℃~110℃,干燥至恒重。根據(jù)干燥后干基煤質(zhì)量計算水煤漿質(zhì)量分數(shù)。水煤漿的質(zhì)量分數(shù)(%)=[干基煤質(zhì)量/(干基煤質(zhì)量+原水質(zhì)量+添加劑質(zhì)量)]×100%。

        1.2.2 水煤漿流變性的測定

        采用國家水煤漿工程技術研究中心和成都儀器廠聯(lián)合研制的NXS-4C型水煤漿黏度儀,在25℃恒溫條件下,測量在一定剪切速率下水煤漿的表觀黏度。

        1.2.3 水煤漿穩(wěn)定性的測定

        采用落棒法測定水煤漿的穩(wěn)定性。將所制水煤漿樣品放入玻璃容器中,恒溫、密閉保存,定期用玻璃棒插入樣品,即采用自由落棒的方式來測定水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性,并記錄水煤漿產(chǎn)生軟沉淀和硬沉淀的含量。

        1.3 水煤漿性能

        1.3.1 不同煤質(zhì)水煤漿的成漿性

        煤制成水煤漿的難易程度通常用煤的成漿特性來評價。在25℃、剪切速率為100 s-1下,選用相同的制漿條件,測得4種煤制水煤漿的表觀黏度見圖1。

        由圖1可知,4種煤質(zhì)水煤漿隨著濃度的增加,其表觀黏度逐漸增加,ELS煤因其內(nèi)水含量較高,不易制成高濃度水煤漿。不同煤質(zhì)成漿性能具有一定差異,隨著煤變質(zhì)程度的增加,其碳元素含量增高,有利于制成高濃度水煤漿,鶴崗地區(qū)碳元素含量最高的JD煤相比FL煤和XA煤,其水煤漿成漿濃度更高,流動性更好。

        圖1 水煤漿質(zhì)量分數(shù)與表觀黏度的關系

        1.3.2 不同煤質(zhì)水煤漿的流變性

        流體的流變性能一般有3種:第一種為牛頓流體,即流體黏度與剪切速率成線性關系;第二種為假塑性流體,即流體黏度隨著剪切速率的升高而降低,表現(xiàn)為剪切稀釋;第三種為脹塑性流體,即流體黏度隨著剪切速率的升高而升高,表現(xiàn)為剪切黏稠。選取4種煤質(zhì)水煤漿最高濃度漿體,測得水煤漿的剪切速率與剪切應力,得到水煤漿流變性能曲線,見圖2。

        圖2 水煤漿剪切速率與剪切應力關系

        由圖2可知,4種煤質(zhì)水煤漿在剪切速率<18 s-1時,表現(xiàn)為水煤漿漿體黏度較高,隨剪切速率的增加,水煤漿漿體黏度顯著降低。4種煤制水煤漿的流變性能曲線具有高度相似性,其水煤漿漿體呈現(xiàn)明顯的剪切稀釋特性,即均為假塑性流體。

        1.3.3 不同煤質(zhì)水煤漿的穩(wěn)定性

        評價水煤漿漿體穩(wěn)定性常用24 h析水率和48 h產(chǎn)生軟沉淀與硬沉淀量進行表征。在加入相同含量的水煤漿添加劑情況下,研究了4種煤質(zhì)水煤漿最大成漿濃度時的靜態(tài)穩(wěn)定性。同時用落棒法測定了水煤漿在靜置48 h后產(chǎn)生軟沉淀和硬沉淀的含量,結果見表2。

        表2 不同煤質(zhì)水煤漿的穩(wěn)定性

        由表2可知,隨著煤變質(zhì)程度增加,水煤漿漿體的穩(wěn)定性升高。JD煤和ELS煤水煤漿穩(wěn)定性好,析水率較低。

        2 工業(yè)生產(chǎn)運行情況

        2.1 生產(chǎn)運行基礎數(shù)據(jù)

        工業(yè)上常用比氧耗、比煤耗、有效氣含量評價水煤漿燃燒性能。為滿足實際生產(chǎn)運行需求,選取4種煤質(zhì)水煤漿性質(zhì)穩(wěn)定時各自最大的成漿濃度進行煤漿燃燒性能對比分析。在保障系統(tǒng)滿負荷運行時,列出氣化爐運行指標數(shù)據(jù)見表3。

        表3 不同煤質(zhì)水煤漿運行技術指標

        由表3可知,在氣化爐壓力相同和渣口壓差變化不大情況下,鶴崗當?shù)?種煤水煤漿濃度越高,其有效氣含量越高,合成氣總量越高。ELS煤因灰分含量低,表現(xiàn)出水煤漿濃度雖不高,但有效氣含量及合成氣總產(chǎn)量僅次于鶴崗JD煤。

        2.2 生產(chǎn)運行經(jīng)濟指標

        依據(jù)表3中基礎數(shù)據(jù),計算出4種煤質(zhì)水煤漿運行經(jīng)濟指標,結果列于表4。

        表4 不同煤質(zhì)水煤漿經(jīng)濟指標

        由表4可知,隨鶴崗當?shù)?種煤變質(zhì)程度升高,水煤漿濃度升高,水煤漿氣化比氧耗和比煤耗均下降;ELS煤因灰分低,煤中有效成分高,故其比氧耗和比煤耗最低。

        3 結 論

        3.1 原料煤變質(zhì)程度越高,煤中碳元素含量越高,越容易制成高濃度水煤漿。

        3.2 JD煤和ELS煤成漿性能較好,其水煤漿漿體具有較好的流動性和穩(wěn)定性、較低的析水率和沉淀量。

        3.3 4 種煤質(zhì)水煤漿均是假塑性流體,呈現(xiàn)剪切稀釋特性。

        3.4 4 種煤質(zhì)水煤漿隨著濃度的增加,其表觀黏度逐漸增加。

        3.5 隨鶴崗當?shù)?種煤變質(zhì)程度升高,煤漿濃度升高,有效氣含量升高,比氧耗和比煤耗降低;ELS煤因灰分低,煤中有效成分高,具有更好的經(jīng)濟效益,是較為理想的煤氣化水煤漿用煤。

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