水煤浆的制备与燃烧技术要点分析(ppt 78页).ppt

水煤浆的制备与燃烧 目录 绪论水煤浆的质量要求和制浆技术概要影响水煤浆成浆性的因素水煤浆流变性水煤浆制浆工艺精细水煤浆的制备水煤浆的燃烧 第一章绪论 1 1水煤浆发展历程 什么是水煤浆 CWM CWS CWF CoalWaterMixture CoalWaterSlurry CoalWaterFuel 70 煤 30 水 1 添加剂 常温下粘度1000 1500mPa s 象油一样储存 泵送和雾化燃烧 水煤浆的优点 a 具有良好的流动性 稳定性 易运输 可减少运输途中的损失 节省储煤场地 特别是可以液体燃烧方式用泵和管道输送 b 水煤浆加工简单 并易储存 c 燃烧供给系统和控制系统远较煤粉简单 d 不存在自然着火 粉尘飞扬等问题 e 可以实现100 代油 且与油一样雾化燃烧 因此 原有的锅炉只要简单地改造即可燃用水煤浆 燃烧效率高 电厂锅炉能达到98 99 以上 与煤粉接近 f 水煤浆储运和燃烧方式与油接近 运行操作规程相似 个运行人员带来极大的方 便 提高了可操作性 同时锅炉能做到既可烧水煤浆又可烧油 g 在水煤浆加工过程中 可以进行不同程度的脱灰脱硫处理 燃烧温度又比一般煤粉温度低200 左右 因此燃烧时排放的SO2 NOx可以大大减少 水煤浆技术的起因 70年代石油危机 煤代油的流体燃料 煤炭直接燃烧 储存 运输以及对环境的污染不如石油和天然气 还涉及到燃油设备无法直接燃煤 煤炭的液化和气化投资大 成本高 水煤浆是一种低成本 见效快技术相对简单的经物理方法加工的煤基流体燃料 水煤浆发展过程 油煤浆 COM CoalOilMixture 49 煤 200目占85 70 粘度为1700 2200厘泊 65 的热值来自油 研究国家有美国 1973 1974 日本 1976 中国 1979 韩国 1984 日本已经商业化 1984年建成两条70t h生产线 每年供60 70吨用于横须贺电厂 油煤浆中煤含量最高只能大50 只能代油35 1979 1981年 瑞典的胶体碳 Cargboel 公司 美国的太西洋公司 ARC 煤浆技术集团及西方石油公司 ORC 开发水煤浆技术 1986年后 意大利50万t 年浆厂 1989年世界最大的400万t 年 日本COM公司两条15t h水煤浆生产线 除水煤浆CWS外 还出现过甲醇煤浆CCS 油水煤浆COW CCS 甲醇的水溶液与煤的混合物 水和甲醇的比例 1 5 1 COW 油在水中的乳化液和煤的混合物 1 2我国发展水煤浆的重要性及历程 1 2 1我国发展水煤浆的重要性我国能源结构 富煤贫油 我国石油产量约为2亿多吨 04年进口石油约8000万吨 石油在各类工业锅炉 工业窑炉 电站锅炉上作为燃料烧掉的每年仍有大约3000万吨 约占我国石油产量的25 左右 我国能源特征与挑战 煤炭的利用 能源安全是涉及到我国国防和经济建设 煤炭产量已达16亿吨 消耗量占我国一次能源消耗量的75 左右 环境保护 散煤燃烧的缺点 除大型电站效率较高外 一般的燃煤锅炉效率很低 其中包括燃尽率和锅炉效率 水煤浆储运是全密封 水煤浆燃烧温度较低 NOx产生量少 1 2 2我国发展水煤浆的历程始于1982年 1983年 六五 攻关 中国矿业大学北京研究生部 水煤浆制备技术 浙江大学 锅炉燃烧技术 北京科技大学 窑炉燃烧技术 七五 攻关 组建 华煤水煤浆技术中心 吸收了煤炭部所属两个工程设计院 唐山分院管道所 两个制浆厂 两个添加剂厂 有关燃烧试验厂 任务是扩大水煤浆工业应用试烧的规模和应用范围 八五 攻关 成立 国家水煤浆工程技术研究中心 在中国矿业大学北京研究生部成立 制浆技术研究所 2000年11月 广东茂名热电厂1 油炉 220t h 改烧水煤浆成功 2001年8月 2 油炉 220t h 改烧成功 2001年6月 广东汕头热电有限公司2 燃油设计锅炉 220t h 改烧水煤浆成功 1 3水煤浆的质量要求和制浆技术概要 a 细度 b 浓度 c 流变特性 d 稳定性 1 3 1水煤浆的质量要求 1 3 2制浆技术概要 a 煤炭成浆性规律 b 级配技术 c 制浆工艺与设备 d 添加剂技术 第二章影响水煤浆成浆性的因素 2 1煤质特征 煤质特征对成浆性的影响 有的煤可以制备出浓度高 流变性和稳定性好的水煤浆就称为成浆性好的煤 否则称为成浆性差的煤 煤的成浆性与下列因素有关 1 内在水分 内在水分高低有时会有几倍至几十倍之差 这些水分分布在煤粒的内表面 当煤浆的重量浓度相同时 势必要减少流动介质作用的水量 造成水煤浆的粘度高或难于获得高浓度的浆 2 比表面积大 孔隙发达 比表面积的差异也有几倍到一二十倍 比表面积能间接地反映煤的孔隙程度 发达的孔隙度是造成内在水分高的重要原因之一 此外 高比表面积还会导致消耗更多的添加剂 影响水煤浆成浆性的因数很多 其中主要的有 煤质特征 粒度分布和添加剂种类 3 氧碳比 含氧量高及提供的含氧官能团活性氧部分就越多 增加煤表面的极性和与添加剂作用的复杂性 减少了与表面性质相适应的添加剂种类及增加了添加剂的消耗量 4 可磨性 可磨性差对成浆性的影响主要表现在当磨矿条件相同时 难以获得超细的颗粒 从而降低了煤粒的堆积效率 难以制备出高浓度的水煤浆 或者在保证必要的充填效率的条件下 将增大磨矿的能耗和磨制工艺的复杂性 2 2水煤浆的粒度分布2 2 1粒度的表示与测定方法 a 筛分 b 激光 c 沉积分析 2 2 2粒度分布 1 什么是级配技术 2 现有堆积理论 a 等经颗粒的堆积 高浓度水煤的重量浓度达到65 70 因而要求煤炭的粒度分布能达到较高的堆积效率 这就是通常所谓的煤浆的粒度分布要有良好的级配 等经球体的堆积是分析实际颗粒堆积的基础 通常采用固粒物料在堆积空间中占有的体积分数表示堆积效率 有的地方也称容积浓度 用 表示 等经球体的堆积有两种极端方式 正六面体堆积 最松散堆积 堆积效率 6 0 5236 粒孔比 颗粒直径与孔隙直径之比 B 2 44 正四面体堆积 最紧密堆积 堆积效率粒孔比 颗粒直径与孔隙直径之比 B 0 74 四种窄粒级煤的堆积效率 b 多种粒径颗粒的堆积多种粒径颗粒的堆积是指具有大小不同直径颗粒组分填充堆积 即大直径颗粒群被次大直径颗粒群充填 次大直径颗粒群又被较小直径颗粒群所充填 较小直径颗粒群又被再小直径的颗粒群充填 余此类推 下面就介绍Furnas等研究的多种粒径颗粒体系堆积理论 颗粒体系紧密堆积时各组分颗粒的体积分数推导如下 当粗细 级颗粒堆积时 设颗粒密度都为 堆积空隙率均为 则 一级粗颗粒的重量为 w1 1 二级细颗粒的重量为 w2 1 一级粗颗粒所占的体积 重量 分数为 这是在二级堆积的基础上以颗粒本身为基数求出的粗颗粒所占的分数 当粗细颗粒不同粒径颗粒n级堆积时 设堆积空间的表观体积为vm 则 一级粗颗粒的体积为 v1 vm 二级颗粒的体积为 v2 vm 三级颗粒的体积为 v3 vm 2 n级颗粒的体积为 vn vm n 1 n级颗粒堆积后的总体积为 vst v1 v2 v3 vn vm 1 n 表观体积 若只有 级堆积 而且一 二级颗粒体积之和为 个单位 为了计算方便 则 对于n级颗粒的堆积 N级颗粒堆积后总体积 将各级颗粒的体积v1 v2 v3 vn除以vst既可以得到在颗粒体系紧密堆积时各粒级的体积分数 也就是当颗粒体系达到最高的堆积效率时 各粒级应该达到的体积分数 此处 Furnas认为各粒级具有相同的堆积空隙率 而且当小颗粒充填到大颗粒中时也具有不变的孔隙率 这使问题简化而作的假设 实际上随着粒度的减小 由于比表面积变大 重量减轻 不易克服周围阻力 从而使堆积时的空隙率有增大的趋势 Hudson曾经指出 要使小颗粒能完全充填到大颗粒中 所需要的粒孔比B应高达 c 连续分布颗粒的堆积 这属于实际颗粒物料的堆积 不同与上述的多粒径颗粒群的堆积 上述多粒径颗粒群粒径是间断的 而此处连续分布颗粒的粒径是连续的 要研究连续分布颗粒的堆积效率 其基础是连续分布颗粒的粒度分布模型 这些分布模型主要有Rosin Rammler Gauding Schumann和Afred模型 Rosin Rammler模型 式中 d 某个粒度 大于粒度 的粒级含量 dM 与 0 368相对应的粒度 n 模型参数 Gauding Schumann模型 式中 d 某个粒度 y 小于粒度 的粒级含量 dL 颗粒体系中最大粒度 n 模型参数 Alfred模型 式中 d 某个粒度 y 小于粒度 的粒级含量 dL 颗粒体系中最大粒度 ds 颗粒体系中最小粒度 n 模型参数 该粒度分布模型是是由Gauding Schumann模型改进而来 因为在Gauding Schumann模型中当d 时无意义 在上述的粒度分布模型中 控制粒度分布的是模型参数n 一般来说 只要确定一个恰当的n值 可以获得较高的堆积效率 当对于这种连续分布 用解析法很难求得堆积效率 多采用实验的方法和计算机模拟堆积试验方法求解 以下是一些实验结果 Andreason用实验方法确定 对于服从Gauding Schumann粒度分布模型的颗粒体系 当n 0 3 0 5时 可获得最高的堆积效率 Suzuki等人将多粒径颗粒堆积的计算方法推广到连续分布的颗粒体系 得出当n 0 5 0 8时获得最高的堆积效率 日本日立公司的日立制作所认为当n 0 5 0 8时可获等最高堆积效率 Dinger和Funk通过计算机模拟堆积实验 得出服从Gauding Schumann粒度分布的颗粒体系 当n 0 37时 可获得最高堆积效率 3 隔层堆积理论 是由矿大的张荣曾教授提出 是一种针对连续分布颗粒体系求最高堆积效率下n值的方法 是以上述几种粒度分布模型为基础 该理论是以粒孔比B把连续分布的颗粒体系分成许多的粒度级 把较小的粒度级充填到较粗的粒度级中 但这个较小的粒度级不是紧挨着粗粒级的细粒级 而是再隔一层的更细的细粒级 该理论认为这是反映了真实情况的 因为只有这样 小粒级的颗粒才能充分地充填到粗粒级中去 下面就来考察几种不同分布模型用隔层堆积理论求出的在最大堆积效率下的n值 Gaudin Schumann和Afred粒度分布设某个第i粒级的粒度上限为d 则粒度下限为d B 它的下隔层 即第i 2层的颗粒的粒度上限为d B2 粒度下限为d B3 设窄粒级堆积的空隙率为 颗粒的密度为 则对于Gaudin Schumann粒度分布 可推导出第i个粗粒级中孔隙的体积 第i 2个细粒级颗粒的体积 令v孔I v粒i 2 得到颗粒体系在紧密堆积下的最优解 同理 对于Alfred粒度分布 第i个粗粒级中孔隙的体积 第i 2个细粒级中颗粒的体积 令v孔I v粒i 2 可以得到与Gaudin Schumann相同的解 经移项变换得 由上式可见 最优的n值与划分各层的粒孔比B和各层的堆积空隙率有关 最优的n值随B和 值的增加而减小 流动的水煤浆不可能是前面所述的最松散的正六面体堆积或者最紧密的正四面体堆积 当达到比较理想的堆积时可以认为是四面体堆积的变形 如下图所示 这种模式在各颗粒间都保持有一定的间距 上下两层间相对运动时 颗粒也只是擦边而过 对于这种堆积方式 可以计算出 为0 25 B值为 也就是说 在这种比较理想的堆积情况下 最优的n值为 这个结果与与Andreason和日立公司的试验结果相同 上图的堆积模型也可以看成正六面体堆积的变形 若 仍取0 52 当B值取六面体堆积的2 44 则左右的n值为 这个结果与Funk教授在计算机上模拟堆积所得的结果相符 Rosin Rammler粒度分布 对于Rosin Rammler粒度分布 用解析法求最佳的n值是困难的 采用计算机先按粒孔比B的等比级数划分为许多窄粒级 然后各层进行充填 并计算堆积效率 对于粒度上限300 m的颗粒体系 计算的堆积效率与参数n间的关系如图所示 由该图可见 最佳的模型参数n 0 7 0 8 作为对比 图中也给出了Alfred分布在不同粒度下限ds时计算的堆积效率与参数n之间的关系 对Alfred粒度分布 也采用计算机模拟堆积 计算在紧密堆积下的n值与上述的解析解是一致的 n 0 3 说明对于那些无法用解析法得出最优解的粒度分布 用计算机模拟计算同样有效 2 3水煤浆添加剂 质量优越的水煤浆应该是高浓度 低粘度和很好的稳定性 如果不用添加剂 只能制得浓度低于60 的水煤浆 为了制备高质量的水煤浆 应根据煤质不同 添加各种不同的添加剂 其中有分散剂 稳定剂及其它的化学辅助剂 但使用最多的是分散剂和稳定剂 2 3 1水煤浆分散剂 1 分散剂作用机理a 润湿分散作用润湿是指固体表面上气体被液体取代的过程 要使水在疏水的煤颗粒中分散 使水在煤颗粒表面形成水膜 就要使水润湿煤颗粒表面 分散剂的作用就是使煤颗粒充分均匀地分散到水中 但是 由于煤炭属于疏水性比较好的物质 所以少量的水在煤颗粒体系中由于水具有比较大的表面张力在煤颗粒的缝隙中结成水珠 无法展开 起不到润滑作用 所以颗粒之间的内摩擦力增加 浆体无法流动或流动阻力很大 另一方面 细粒煤颗粒具有很大的比表面积 在水中有聚团的趋势 也增加了煤水混合物的内摩擦力 使浆体无法流动或流动阻力很大 分散剂可以增加煤颗粒的亲水性 减小水的表面张力 使加入的少量的水在煤颗粒表面形成水膜 起到润滑作用 使水煤浆粘度降低 分散剂的作用机理可从三个方面论述 即润湿分散作用 静电斥力分散作用和空间位阻与熵斥力分散作用 但是 水是极性物质 在空气中和疏水性比较强的煤颗粒体系中具有较强的表面张力 因此 水在煤颗粒体系中是难以铺展开的 煤炭是一种结构十分复杂的物质 其主体部分是芳烃 并通过烷烃链或杂原子彼此相连成为大分子结构 这些芳烃与烷烃属疏水性物质 杂原子或杂原子团属亲水性物质 杂原子主要是氧 氮和硫等 其中含氧官能团主要有羟基 OH 羰基 C O 羧基 COOH 及甲氧基 O CH3 和醚基 O 等 其中羟基和羧基在含氧官能团中亲水性最强 单羧基随煤化程度加深明显减少 煤中的芳烃随煤化程度的加深而增加 所以煤炭的疏水性随煤化程度加深而增加 b 静电斥力分散作用 c 空间位阻和熵斥力分散作用 2 3 2分散剂的种类 a 萘系 非离子型 b 木质素系列c 腐殖酸系列 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降低煤颗粒之间水的表面张力 使煤浆中煤粒表面润湿 来改变煤浆的性能 离子性的添加剂通过含极性基添加剂的静电吸附在煤颗粒上 降低煤颗粒表面的疏水性 控制煤颗粒表面的荷电性来改变煤浆的性能 2 3 3水煤浆稳定剂 2 3 4水煤浆其它辅助剂 稳定剂作用机理稳定剂使煤浆形成结构化 阻止高荷电的颗粒沉淀 防止煤浆在储存和运输过程中发生硬沉淀 稳定剂的种类无机盐 高分子有机化合物等 第三章水煤浆流变性 3 1流体的流变性 3 1 1牛顿流体 3 1 2非牛顿流体 式中 剪切应力 粘度 剪切率 式中 稠度 流动特性指数 宾汉流体的流变方程 表观粘度 屈服幂定律模型 第四章水煤浆制浆工艺 4 1制浆工艺的主要环节及功能 1 选煤a 目的 降灰 b 方法 普通水煤浆 是在制浆前采用一般的选煤方法 制浆原料煤的灰分一般在 左右 精细水煤浆 一般要经过两次选煤 第一次是常规的选煤方法 把灰分降到 左右 然后再超细粉碎 使煤中矿物质和可燃体充分解离 再用特殊的方法使煤的灰分降到 左右 高灰水煤浆 制浆原料本身就是经过洗选的尾煤 不用洗选 2 破碎与磨煤a 粉碎的目的 满足细度要求 满足级配要求 b 粉碎过程 先破碎后磨煤 c 方法和设备 有湿法和干法两种 设备有雷蒙磨 中速磨 风扇磨球磨 棒磨 振动磨和搅拌磨 3 捏混和搅拌 a 捏混的目的 使干磨的干煤粉 药剂与湿磨的煤浆或经过脱水的过滤机滤饼充分混合 b 捏混设备 捏混机 c 搅拌的目的 使水煤浆均匀 加强药剂与煤颗粒之间的作用 d 搅拌设备 单轴或双轴搅拌筒 4 滤浆 a 滤浆的目的 除杂质b 滤浆设备 在线筛网滤浆器 4 2制浆工艺 1 干法制浆工艺主要是在水煤浆开发的初期 借用现有的粉碎设备 目前的水煤浆厂不采用 不足之处 a 对一般的干法磨机 要求入料煤的水分小于5 洗精煤的水分都比较高 难以满足该要求 电厂有热风分级和干燥 b 能耗比湿法磨高 在同样的细度下 干法磨机的能耗比湿法磨机约高30 c 干法磨矿的安全和环境不如湿法磨矿 d 粒度分布不如湿法磨 堆积效率较低 干法磨煤颗粒表面氧化较快 影响制浆效果 2 干 湿法联合制浆工艺 该流程是在干法制浆工艺的基础上 分出一部分干法粉碎的物料再用湿法进一步粉碎 其特点是与干法相比 可以获得更好的粒度分布 即获得更好的级配 但该流程仍是以干法磨煤为主 干法制浆的不足之处依然存在 3 高浓度磨矿制浆工艺 特点 煤炭 分散剂和水同时加入磨机 磨机排出的物料就是高浓度的水煤浆 如果有必要加入稳定剂 则加入后还要搅拌均匀 剪切 使浆体进一步熟化 这是国内外采用的最多的一种制浆工艺 我国现有的水煤浆制浆厂基本上都是采用这种工艺 该工艺的优点 a 流程简单 可以省去涅混和强力搅拌环节 b 细颗粒量比较高 有利于级配 c 有利于药剂与颗粒新生表面接触 该工艺的缺点 a 对变化的煤种适应性差 b 对磨机的结构参数和运行参数要求严格 原因是 浆体浓度过高会严重影响磨矿的功效 达到好的级配 4 中浓度磨矿制浆工艺 5 高 中浓度磨矿级配制浆工艺之一 采用50 左右的浓度磨煤 如果采用单段球磨 难以获得好的级配 一般是一段粗磨 再分出一部分粗磨的物料细磨 目的是获得好的级配 细磨后的细粒物料再与粗磨的物料混合过滤 滤饼再加分散剂涅混 呈流体状后给入搅拌 在中 日合资的兖日水煤浆厂采用 粗磨仍然采用中浓度磨矿 细磨不是像上述的中浓度制浆工艺从粗磨中分出一部分 而是从入料中分出一部分高浓度细磨 然后和经脱水的中浓度粗磨后的物料加分散剂涅混成浆 该工艺的特点 可以获得好的级配 堆积效率较高 74 但仍需要过滤脱水环节 兖日浆厂选用的细磨球磨机的磨矿效率很低 吨煤电耗按装机容量计算高达143千瓦小时 6 高 中浓度磨矿级配制浆工艺之二 粗磨是高浓度磨矿 细磨是中浓度磨矿 且细磨的入料是从粗磨的排料中分出一部分 该工艺的特点 a 流程简单 没有过滤脱水 涅混环节 高浓度 中浓度 b 因为细磨的原料是已经粗磨破碎的物料 减小了细磨的破碎比 提高了细磨的磨矿效率 更主要的是改善了水煤浆的级配 7 高 中浓度磨矿级配制浆工艺之三 该工艺是俄罗斯管道输浆系统制浆厂采用的制浆工艺 该厂共有七条生产线 每条线制浆能力为50万吨 年 该工艺与前一种不同在于中浓度细磨的来料不是从高浓度粗磨排料中分出 而是直接由破碎机而来 这可能是与破碎机的排料粒度较细有关 3mm 该工艺的特点与前一种相似 8 浮选精煤制浆工艺 这种制浆工艺是矿大和山东枣庄八一矿选煤厂合作开发的 其制浆原料煤来自于选煤厂的浮选精煤 经过滤机脱水的滤饼 经加分散剂涅混后呈现流动态 搅拌后给入球磨机 该工艺的特点 a 解决了选煤厂浮选精煤高水分使选煤厂总精煤水分增加的问题 b 降低了制浆厂的能耗 c 只能采用高浓度磨矿 9 煤泥水煤浆制浆工艺 选煤厂的煤泥分两种 a 洗煤泥 包括原煤在开采 运输和洗选过程产生的煤泥 这种煤泥没有经过浮选 其灰分与原煤接近 b 浮选尾煤泥 这是上述的煤泥经过浮选 选出其中的低灰精煤后剩余的高灰煤泥 工艺特点 a 煤泥本身含有较高的水分 在搅拌过程不用单独加清水 只要把分散剂配成一定的浓度 再加到搅拌筒中 b 煤泥本身的粒度较细 特别是浮选尾煤 其粒度分布自然形成了较好的级配 所以一般不用磨机 因为尾煤水煤浆是替代原煤而不是替代燃油 所以制浆成本是越低越好 所以尾煤泥水煤浆也不可能上磨机 否则经济上不合算 c 特别是浮选尾煤 因泥质物含量高 微细粒特别丰富 所以有时为了降低制浆成本 就不用分散剂 虽然浆体的浓度的一些 但对于掺烧方式 也可以稳定燃烧 当然也取决于煤质 也就说 煤的挥发分要求高一些 煤泥制备水煤浆的意义 a 可以在本矿区内用于燃煤锅炉代替原煤 b 解决煤泥堆积 污染环境的问题 第五章精细水煤浆的制备 5 1绪论 a 什么是精细水煤浆 精细水煤浆制浆煤的平均粒度一般小于10 m 灰分一般小于2 粘度和稳定性都类似于普通水煤浆 是普通水煤浆的延伸 b 开发精细水煤浆的意义 消耗量最大的是柴油 而普通水煤浆无法替代柴油 普通水煤浆的粒度较粗 平均粒度约为45 m 粒度上限一般在0 3mm 灰分较高 制浆煤的灰分一般约为10 只能替代重油应用于电站的大型锅炉 这是因为锅炉大 燃烧空间大 可以避免雾化欠佳 含灰量高的浆滴粘在炉壁上结渣 大型锅炉用浆量大 喷嘴的过浆通道不易堵塞 喷嘴在一定的磨损范围内对雾化质量影响不是很大 大型锅炉可以配置投资较高的布袋除尘和静电除尘器 以达到脱除较高灰分水煤浆燃后所产生的大量飞灰 但是 如果这种普通水煤浆用于燃烧空间较小的中小型锅炉或中央空调 已经发现出现了不少问题 这些问题包括燃烧不是很充分 炉堂结渣严重 除尘设备投资大 烟气难以达到环保要求等 这些问题的出现 主要是由于普通水煤浆的粒度较粗 含灰量高所导致 当然 这种普通水煤浆更无法用于对灰份和粒度要求特别严格的柴油机 燃气轮机等动力设备 因为其高的灰分和粗的粒度将严重堵塞 磨损喷咀 也无法用于对灰分要求特别严格的玻璃窑炉 陶瓷窑炉等窑炉 因为灰分会影响产品质量 精细水煤浆是矿大在开发替代重油的常规水煤浆取得成功的基础上 用了近十年的时间开发的技术含量更高的煤基流体燃料 是普通水煤浆技术的延伸 具有像普通水煤浆一样的流动性 稳定性和可雾化性 其制浆煤的粒度特别细 一般小于10 m 灰分特别低 一般在1 2 对有些煤种可小于1 浓度可达到50 60 因此 可以用于上述的中小型油锅炉 中央空调 对灰分要求特别严格的窑炉以及柴油机和燃气轮机等使用柴油的 热工设备 因为各种中小型燃油锅炉 对灰分要求较高的窑炉遍布全国 其用油量远大于目前燃油电厂的用油量 而且柴油的用量比重油也要大得多 从经济效益上看 不仅远优于柴油 也优于天然气 所以 其使用十分广泛 使煤代油技术向前迈进了一大步 为煤代油开拓了一个巨大的市场 为煤炭的高附加值利用开拓了一条新途径 有着十分明显的社会效益和经济效益 5 2国外精细水煤浆技术发展现状 美国在八十年代为应付石油价危机 着手开发超净煤分选技术 分选出的超净煤制备成精细水煤浆 作为内燃机的燃料 其超净煤的获得主要有化学方法和物理方法两种 化学方法采用氢氟酸或苛性钠溶解煤中的无机矿物质 该方法可使大部分煤种的灰分降到1 以下 但该方法成本高 对环境污染严重 难以工业化 物理方法是采用油团聚的方法 美国曾用正戊烷作为团聚剂分选出灰分低于1 的超净煤 但该方法用团聚剂量达30 50 为了降低成本要采用加热回收团聚剂 因正戊烷沸点低 挥发性强 整个系统全密封 用惰性气体保护 存在爆炸的危险 加上制备出的精细水煤浆的成本与柴油接近 虽然其规模达到中试水平 但停止了进一步的商业开发 作为储备技术保存下来 矿大也进行了相同的研究工作 结果与美国的类似 美国 瑞士 澳大利亚 日本等对内燃机燃用精细水煤浆进行了实验室规模或工业示范研究 美国GE公司根据美国能源部的战略布置 已研究开发了精细水煤浆代替柴油用于内燃机车 并将该技术完善 封存 一旦战略需要 随时可以启用 美国阿拉斯加大学也在开发精细水煤浆用于柴油发电机技术 美国能源部曾计划用精细水煤浆代替柴油作居室 办公室取暖锅炉的代用燃料 目前尚未见成功的报道 较早开展煤浆用于内燃机研究的澳大利亚早在1981年就制定了煤和柴油的混合物作为柴油机燃料的研究计划 专题包括 超细粉碎 精选 单个煤油混合物微滴在大气中的燃烧等 他们的研究表明煤和柴油的混合物在柴油机上燃烧在技术上可行 但制备成本偏高 在内燃机运转过程中燃料雾化系统及燃烧系统的泵与喷嘴的磨损较为严重 更详细的技术资料未见报道 5 国内精细水煤浆技术发展现状 矿大是国家技术攻关项目普通水煤浆制备技术的承担单位 也是我国水煤浆的发源地 经过国家 六五 七五 和 八五 技术攻关 在制浆各项关键技术上都有创新 研制了专用设备 取得了发明专利 并多次获得国家和省部级奖励 2000年科技部把矿大 矿大是国内开发精细水煤浆制备和燃用技术的单位 无论从经济性还是技术可靠性都处于国内 国际领先水平 矿大的精细水煤浆项目起始于1990年 历年的技术攻关 凝结了许多硕士和博士研究生的大量的辛勤劳动 的水煤浆技术列为 国家科技成果重点推广计划 2001年水煤浆被原国家经贸委批准为 国家重点新产品 目前 已经形成了一支开发精细水煤浆制备与燃用的技术队伍 包括超纯煤分选 精细水煤浆制备 热能工程 机械设计 电气工程 除尘等 江泽民主席在1996年1月19日考察矿大的水煤浆技术 对开发这种可以代替柴油的精细水煤浆技术给予极大的关注 该项目先后获得以下多种途径的资助 资金总额达到600多万元 两项博士点基金项目 9229013 煤炭深度物理加工技术的研究 和95290060 超低灰洁净煤技术与工艺的研究 国家 九五 技术攻关子课题 煤炭深度物理加工生产应用技术的研究 第一和第二期 211工程 重点资助项目 精细水煤浆制备与燃用 国家国外专家局 科教之光 资助项目 世界实验室 环境友好型水煤浆的制备与燃用 目前 超纯煤的分选与精细水煤浆的制备技术已达到中试水平 已经建成的一条200kg h精细水煤浆的生产线 可以为试烧批量提供精细水煤浆 并建立了专门的 精细水煤浆制备与燃用实验室 由于开发了一种低成本 高效的超净煤分选技术 使等热值的精细水煤浆的价格约为柴油的50 制备的精细水煤浆浓度为50 60 对应剪切率100s 1的粘度小于1000mPa s 不发生硬沉淀的稳定期不少于3个月 其中两项关键技术获得国家发明专利 可以连续生产的 能力为5t h的超细磨工业样机 见下图 当入料原料煤平均粒度为2mm 排料平均粒度小于10 m时 吨煤电耗低于55度 该磨机还可用于其它非金属矿的超细粉碎 应用前景十分广阔 矿大开发的超细磨机 精细水煤浆在0 058Mw小型油锅炉上进行了试烧 燃烧工况稳定 炉膛无积灰 开发了一种机械雾化的精细水煤浆燃烧器 省去了高压空气系统 特别适合于1吨以下的小型燃油锅炉 与小型燃油锅炉配套的 低价位的静电除尘器作为一位博士研究生的课题已经接近尾声 除尘效率达99 以上 精细水煤浆还在一台农用小型12马力单缸高速柴油机上成功运行 其中专门设计的精细浆燃用喷射雾化器已申请国家专利 申请号 001298275 已进入实质性审查阶段 该专利的实现为今后在现有柴油机上只要更换喷嘴和油泵 对机体不作改动即可使用精细浆代替柴油 煤炭深度物理降灰 脱硫工艺 经过超细粉碎的原料煤 采用该工艺 对于我国绝大部分煤种 可获得灰分低于3 2 的超纯煤 对部分煤种可以获得灰分低于1 的超纯煤 精煤产率可达50 以上 在精细水煤浆燃烧方面做的工作有 精细水煤浆的特点如下 1 制备精细水煤浆的原料煤是经过超细粉碎并经过深度分选的超净煤 在此过程中煤中的无机矿物和有机可燃体被充分解离并得到分选 故对同一种制浆原料煤而言 精细水煤浆的灰分和硫分远低于普通水煤浆 2 由于精细水煤浆粒度细 灰分很低 故燃烧速度快 效率高 可以提高燃烧强度 即使燃烧后还残留极少的灰 但试烧已经证明通过一定速度的助燃风可以把其带出炉膛 炉堂不存在积灰结渣的情况 3 精细水煤浆可用于对灰分要求特别严格的各种工业窑炉 中小型燃油锅炉 中央空调等 并有望用于柴油机和燃气轮机 代油范围远大于普通水煤浆 具有更广阔的应用前景 4 燃烧精细水煤浆时可配用简单 小体积和低价位的静电除尘器即可使排放达到环保要求 特别适合用于居室 宾馆的中小型取暖燃油锅炉和中央空调等 5 精细水煤浆的特点及制备技术 5 采用絮团浮选出的粒度特别细 灰分特别低的用于制备精细水煤浆的超净煤可以作为碳粉填料 高档活性碳或碳分子筛等碳素材料的原料 即制备精细水煤浆的超纯煤本身就是一种附加值很高的产品 超净煤分选以及精细水煤浆制备见上述流程图 原料煤经粗碎到 2mm后调成浓度为30 的煤浆 如果原料煤含硫高在此可加入脱硫抑制剂 以达到降低精细水煤浆硫分的目的 然后给入超细磨 在此一般把煤磨碎至10 m左右 使其中的无机矿物充分解离 磨碎后的煤浆给入絮团发生器 在高剪切和絮凝剂的作用下 煤浆中低灰 絮团发生器 多次泡沫浮选 超净煤压滤脱水 微细粒煤粒结成普通的泡沫浮选可以实现有效分选的絮团 灰分比较高的尾煤悬浮于矿浆中 泡沫带出的超净煤经压滤机脱水后可以在成浆桶中制备成精细水煤浆 也可以作为超净煤直接出售 浮选尾煤经过脱水后可制备成常规水煤浆用于大型锅炉 可见 该工艺流程是一种精细水煤浆 超净煤和常规水煤浆的联产工艺 大量分选试验表明 对一般的煤种 都可使其灰分降到3 以下 部分煤种可降到1 以下 部分分选结果见表 部分煤样絮团 浮选分选结果 采用大同煤分选的超净煤制备的精细水煤浆的重量浓度为51 0 粒度为90 的小于15 6 m 低位热值为15 28MJ kg 若柴油的热值按45 98MJ kg计算 则3吨精细水煤浆可以替代1吨柴油 该精细水煤浆的流变曲线见图5 由该曲线可见 该精细水煤浆为胀塑性流体 但其粘度却很低 100s 1剪切率对应的粘度为225mPa s 不出现硬沉淀的时间为1个月左右 为了将精细水煤浆应用于中小型燃油锅炉或中央空调 结合精细水煤浆的热值比柴油低的特点 开发了专门用于精细水煤浆燃烧的燃烧器 该燃烧器由喷咀和预燃室组成 雾化的精细水煤浆从预燃室的割线方向喷入 在切线方向给入一 二次助燃风 试验表明 因为采用高速旋流燃烧方式 延长了浆滴的燃烧时间 在预燃器的不同旋转半径之间存在速度差 使浆滴很快脱离惰性气体的包裹 及时与空气中的氧接触 提高了氧的反应强度 高强度旋流造成大量高温烟气的回流 从而使燃烧稳定 燃烧热强度与柴油接近 高达8 12 106KJ m3 h 远高于普通水煤浆的燃烧热强度 由于浆体的灰分特别低 燃尽后少量的飞灰随烟气排出 在燃烧室中没有积灰和结渣的情况 精细水煤浆在小型油锅炉的燃烧器中的试烧见图6 小型燃烧器的开发 为精细水煤浆代替柴油应用于中小型燃油锅炉和中央空调打下了基础 5 5精细水煤浆的应用 5 5 1精细水煤浆燃烧器 精细水煤浆在在小型油锅炉燃烧器中试烧 5 5 2精细水煤浆在柴油机中的应用 本试验采用一台S195 1型单缸高速农用柴油机 对现有的喷咀进行改造 通过另设高压油封解决了油泵和喷咀的偶件磨损和卡死问题 试验燃料为精细水煤浆和柴油的混合物 即油 水 煤精细浆 其中煤的灰分为1 25 挥发分为31 79 固定碳为64 84 全硫为0 265 粒度分布 为90 小于24 5 m 50 小于10 0 m 平均直径D 4 3 为12 2 m 油水煤浆中煤 柴油 水为28 7