水煤浆的成浆特性研究

2022-12-09

一、概况

1. 水煤浆的基本特性

水煤浆是一种新型、高效、清洁的煤基燃料, 是燃料家庭的新成员, 它是由65%-70%不同粒度分布的煤, 29-34%左右的水和约1%的化学添加剂制成的混合物。经过多道严密工序, 筛去煤炭中无法燃烧的成分等杂质, 仅将碳本质保留下来, 成为水煤浆的精华。它具有石油一样的流动性, 热值相当于油的一半, 被称为液态煤炭产品。水煤浆技术包括水煤浆制备、储运、燃烧、添加剂等关键技术, 是一项涉及多门学科的系统技术, 水煤浆具有燃烧效率高、污染物排放低等特点, 可用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、代气、代煤燃烧, 是当今洁净煤技术的重要组成部分。

水煤浆有以下基本特性:

(1) 水煤浆中煤的粒度。一般而言, 水煤浆中煤炭的粒度最好小于200目。这种细度要求与煤粉电站锅炉燃烧用的煤粉细度相当。

(2) 水煤浆中的煤含量—浓度作为锅炉或者气化原料, 应尽可能减少其中的水含量。通常要求水煤浆的浓度大约58%。其实际浓度与煤炭质量、制浆技术以及用户需求有关。水煤浆中的水分指的是全水分, 包括隐含在煤中的内在水分。

(3) 水煤浆的流变特性流变性是指流体的流动特性。为了便于使用, 水煤浆应有良好的流动性, 以利于泵送、雾化、燃烧或气化。

(4) 水煤浆在储运中的稳定性水煤浆是一种固、液两相混合物、不容易保持均态、很容易发生固、液分离现象, 通常要求在储运过程中不产生硬沉淀。水煤浆不产生硬沉淀的性能, 称为水煤浆的稳定性。

2. 水煤浆制备的技术基础

制备水煤浆要同时满足上述的各项指标, 所以导致水煤浆的制备有一定的难度。为了使得所致的水煤浆同时满足各项要求, 必须深入研究煤浆制备的技术基础。

(1) 煤的成浆性规律煤质不同, 导致制浆的难易程度各不相同。有的煤在常规条件下就很容易制成高浓度的水煤浆;另外一些煤, 例如褐煤就很难制备高浓度的水煤浆。只有掌握了煤炭成浆性的规律, 就可以根据实际需要, 按照技术可行、经济合理的原则优选制浆用煤。

(2) 级配水煤浆中煤的粒度不但要求达到规定的细度, 还要求具有良好的粒度分布, 即能使其中不同大小的颗粒能够相互填充, 尽有可能的减少煤粒间的孔隙, 达到较高的堆积效率。

(3) 制浆工艺与设备在给定原料煤及其可磨性条件下, 如何使水煤浆最终产品的粒度分布能达到较高的堆积效率就取决于所选用的磨煤设备、磨煤设备的运行工况及制浆工艺流程。

(4) 添加剂添加剂分子作用于煤粒与水的界面, 可以减少水煤浆流动时的内摩擦, 降低黏度, 改善煤颗粒在水中的分散, 提高水煤浆的稳定性。添加剂的用量通常为不大于煤用量的1%。

3. 水煤浆的应用

(1) 替代重油或者燃气, 作为锅炉燃料水煤浆的燃烧方式为喷燃, 适应原燃料、燃气的绝大多数工业炉窑、工业锅炉和电站锅炉。

(2) 作为气化燃料最早将水煤浆用作气化原料的是美国Texaco公司, 20世纪80年代开始大规模的工业应用, 同期美国Destec公司也开发了其两段式水煤浆气化技术。

(3) 通过制备水煤浆, 处理废水与有机废液造纸, 化工等产生的废液的企业, 可用废液制浆就地使用, 既解决废液污染, 改善厂区环境, 又可以代替其他燃料, 实现化工废液资源化, 达到节能的目的。

二、水煤浆的成浆性及其影响因素

对于水煤浆的成浆性能一般包括浆浓度, 浆体的流变性、稳定性、触变性、黏弹性等。

1. 煤质对成浆性的影响

研究表明, 煤的成浆性能受煤质影响很大。煤种不同, 制浆的难易程度会有很大的差别。一般认为, 煤阶越低, 内在水分越高, 煤中O和C比值越高, 亲水官能团越多, 孔隙越发达, 可磨性指数HGI值越小, 煤中所含可溶性高价金属离子越多, 煤的制浆难度就越大。

(1) 内在水分当煤浆的质量浓度相同时, 内在水分高, 势必要减少流动介质作用的水量, 造成水煤浆的黏度高或难以获得高浓度的水煤浆。

(2) 孔隙率及比表面积煤的孔隙率越发达, 则煤的比表面积大。在潮湿的环境下, 煤发达的孔隙是造成其内在水分高的重要原因。同时高比面积又会导致添加剂的高消耗。

(3) 含氧极性官能团煤表面的极性官能团越多, 煤的亲水性就越强, 就会在煤表面吸附大量的水分子, 增加煤的内在水分含量。煤的内在水会在煤炭表面形成坚固的水化膜, 减少了自由流动水量。

(4) 灰分和可溶性矿物质相同浓度时, 灰分越高, 煤浆黏度越低, 稳定性越好。从物理角度看, 灰分高意味着制浆用煤的密度大。质量分数一定时, 固体密度越大, 煤浆中固体的体积分数越低, 于是, 浆的流动性越高。不溶或难溶矿物质对水煤浆的流动性并无不良影响, 而可溶性矿物质则不同, 特别是高价金属阳离子, 很少量就足以使煤浆失去流动性。灰分的高低会造成对泵、阀、管道及喷嘴的磨损, 另外, 灰分每升高1%可燃物质则相应降低1%, 降低锅炉出率或气化效率。

(5) 哈氏可磨性指数 (HGI)

研究表明, 随着煤的可磨性指数HGI对成浆浓度的影响, 可见随着可磨性指数HGI增大, 煤成浆浓度基本上逐渐增大, 即煤的成浆性能变好。

(6) 煤的岩相显微组分对成浆性的影响

在相近的灰分条件下, 对于烟煤, 较高的镜质组和较低的丝质组含量有利于煤的成浆性、稳定性和流变性。除了受煤质特性影响外, 煤炭的成浆性还与制浆过程中添加剂的种类及其用量、制备方法、级配工艺等有关系。

2. 煤的成浆浓度经验公式

研究表明, 煤的水煤浆的粒度分布、添加剂的类型和用量、水质、制备条件、温度等对煤的成浆浓度都有影响, 但主要还是受煤质的影响。煤的可制浆浓度可以用式子1、2表示:

当没有含氧量数据时, 可近似用下式

式中, C为可制浆浓度估计值 (质量分数) , %;HGI为哈氏可磨指数;Mad为空气干燥基水含量 (质量分数) , %;no为含氧量 (质量分数) , %。

3. 煤粉粒度分布对成浆性的影响

掌握好水煤浆中煤颗粒的粒度分布是制备水煤浆的关键之一。水煤浆的粒度分布要求达到较高的堆积效率, 即要求颗粒堆积时孔隙少, 固体集体的浓度高。制备时使用单一的煤粒颗粒是不合适的, 通过控制煤的粒径和粒度分布不仅能降低水煤浆的黏度, 还能增强其稳定性。

提高水煤浆浓度的技术关键之一, 是要求水煤浆的粒度分布能够达到较高的堆积效率, 亦即要求煤粒堆积时空隙少, 固体体积浓度高。堆积效率与粒度分布的关系, 是水煤浆制备技术的基础理论之一。

4. 添加剂对成浆性的影响

为了使水煤浆在正常使用中有较低的黏度, 较好的流动性, 静置时不易产生沉淀, 在制浆过程中添加少量的化学添加剂是不可缺少的。煤粉颗粒表面是疏水性的, 未完全润湿的煤粉会互相聚团、会使煤浆的黏度增加。因而未加添加剂的煤粉制备的水煤浆的浓度不高。添加剂的作用在于提高煤粒表面的亲水性、调整颗粒表面的电荷密度, 从而调整煤浆性能。高的表面电荷在水煤浆中建立了防止承典的三维结构, 或者导入弱的絮凝倾向以减少平均粒径和最大的固体浓度。添加剂的种类有非离子型, 阴离子型和阳离子型三种。非离子型添加剂主要通过表面活性剂来降低煤浆液体的表面张力, 使煤浆中煤粒表面润湿, 控制表面的电荷来改变煤浆的性能;离子型的添加剂通过含有极性基添加剂的静电吸附在煤浆颗粒上、降低颗粒表面的疏水性、控制煤粒表面的电荷来改变煤浆的性能。