水煤浆技术经典PPT课件.ppt

2020/5/31,1,第一节水煤浆的发展现状与特点,一、水煤浆的发展与现状随着石油资源的日益减少和石油消费的日益增加，以煤代油，已成为我国能源发展的一个重要方向。水煤浆作为一种理想的代油燃料，一出现就受到了国内外的重视。发展水煤浆技术，不仅能够节省宝贵的油资源，而且还可以解决煤炭运输、环保等问题，有显著的社会和经济效益。,2020/5/31,2,煤浆燃烧的概念可以追溯到Munsell和Smith的专利(1879年)，其后对于这种浆状燃料的制备方法和发展前景也有些文献论述。这时候的煤浆概念是指以煤粉同其他流体调制成的一种浆状燃料(如油煤浆、水煤浆和甲醇煤浆等)，但由于油价一直偏低而未获发展。直到1914年才有煤浆的小规模应用。作为技术储备，在60年代，美国、原苏联和原西德相继进行过水煤浆直接燃烧的小型试验，尽管获得了较满意的结果，但由于经济上的原因而中止。,2020/5/31,3,煤浆发展的转机是70年代的石油危机。由于这次危机，使人们自然想到这种燃料，开始受到许多国家政府的重视，作为一种替油燃料研究。但70年代的研究主要集中在油煤浆，没有真正摆脱对石油的依赖，经济上还存在问题。而煤浆真正迅速发展是80年代，美国、日本、加拿大、瑞典、意大利、原苏联相继投入大量研究力量，开发各种技术，到80年代中期，普遍进入商业性应用阶段。但此后由于油价持续下跌，研究规模缩小，研究重点也转移到超低灰煤浆直接代油和作为替代燃料等更广泛的用途上。,2020/5/31,4,但日本和原苏联则仍继续进行这方面研究。在日本，在按燃煤设计的600MW燃油锅炉上用水煤浆已有多年，成为第一台长期连续直接掺烧煤浆的大型电站锅炉。在原苏联1988年建成的由别洛沃到新西伯利亚260km的水煤浆输送管道，以及制浆能力500万t的大型制浆厂和1200MW发电能力的大型电厂水煤浆燃烧工程，成为世界上第一个以制浆一管道运输一直接燃烧应用的大型水煤浆示范工程。,2020/5/31,5,我国水煤浆技术的开发应用起步较晚,替代燃料油，1982年，由跨部门的科研单位进行“六五”水煤浆技术课题攻关，选用大同煤，抚顺煤和湖北恩口煤等煤种作为制浆研究对象，先后在实验室的小型燃烧炉和北京造纸一厂20th工业锅炉上多次进行水煤浆燃烧试验，取得了从制浆、供浆到工业锅炉燃烧等一批科研成果。“七五”期间，水煤浆技术进一步发展，在国内建起了几座水煤浆制备厂，并在一些工业锅炉和多种工业窑炉上进行试烧、应用，取得了较好的效果。,2020/5/31,6,“八五”期间，水煤浆的应用转向以电站锅炉燃用水煤浆的技术为中心，重点开发大型的(58th)喷嘴和燃烧器，并先后在北京第三热电厂75th电站锅炉和山东省白扬河发电站280th电站锅炉上试烧，取得了初步成功水煤浆技术的应用还推广在抚顺、淮南、邢台、徐州等矿区，用选煤厂浮选末煤制备出煤泥浆，通过泵送至矿区的供暖锅炉和发电锅炉上，都取得了成功的经验。,2020/5/31,7,2020/5/31,8,2020/5/31,9,二、煤浆的特点和水煤浆燃料的基本性质,（一）水煤浆的特点1、水煤浆为多孔隙的煤和水的混合物，具有类似重油燃料油的流动特性。2、水煤浆在制造过程中需进行净化处理，可除去原料煤中灰分的50一75，黄铁矿(无机硫)40%-90%，同时可回收原料煤发热量的9098。,2020/5/31,10,表4-3水煤浆和原料煤的成分和特性比较,2020/5/31,11,3、把原煤的开采、洗选和水煤浆的制造过程结合起来，在通过管道输送，具有更好的经济性。4、由于水煤浆很容易做到在压力下给煤，因此它可成为加压煤气化炉和增压循环流化床锅炉的一种理想燃料。,2020/5/31,12,(二)水煤浆燃料的基本性质,1、水煤浆的浓度设水煤浆颗粒的质量为mc，密度为c，流体的质量为mL，密度为L，则其质量百分浓度的定义为：,%,2020/5/31,13,2、水煤浆的密度,当知道水煤浆颗粒的真实密度c，流体的密度L，两相的质量浓度Cwc，则可由下式确定水煤浆的密度wc,Kg/m3,2020/5/31,14,3、水煤浆的粘度,在流体中加入固体颗粒变为悬浮液，颗粒的存在增加了悬浮液的粘度，在很多情况，这些液体具有非牛顿流体的性质。大量试验表明，大多数水煤浆属宾汉塑性流体，其流动特性可用下式表示：,2020/5/31,15,若用表观粘度来简化表示水煤浆的粘度，则有与牛顿流体相同的表达形式，可给工程应用带来很大的方便，即,2020/5/31,16,4、水煤浆的比热容,2020/5/31,17,第二节、煤的成浆性和水煤浆的制备,煤的成浆性是用煤制备水煤浆难易程度及制成的水煤浆性能优劣程度的量度。我国研究人员在煤的成浆性方面做了大量的研究工作，主要对煤种（煤的可磨性、粒度组成、密度、元素成分、水分、灰的成分等）、添加剂（分散剂、稳定剂、助剂等）对煤的成浆性的影响做了较详细的研究。由于研究方法和条件的差异，所得到的结果也各不相同。,2020/5/31,18,1、煤性与成浆性,中国矿业大学和煤炭科学研究总院对我国18种较有代表性煤种成浆性能的研究结果。定义水煤浆成浆性指标为在温度为25,剪切率为30S1，粘度为1Pas时水煤浆的固体浓度。并把水煤浆在1Pas下的浓度称为水煤浆的定粘浓度w(Cp)。w(Cp)高则煤的成浆性能好,反之成浆性能差。,2020/5/31,19,中国煤的成浆性指数,2020/5/31,20,煤的成浆性指数也可用下式计算：,煤的表面结构特性对煤的成浆性的影响可用下式计算：,2020/5/31,21,当进一步用煤的有机和无机特性来进行研究所得到煤的成浆性指数w(Cp)为：,2020/5/31,22,通过对碳C、灰A、燃料比F.R、氧碳比、挥发分V、氢氧比H/O、氮氧比N/O、可磨性指数kkm及最高内在水分Mmax这9项煤质因素进行非线性逐步回归分析,建立了下述评定煤炭成浆性的数学模型D=7.5+0.5Mmax-4.72（kkm-0.61）W(cwc)=77-1.2D,2020/5/31,23,式中D成浆性难度指数;w(Cwc)制浆浓度,%。,2020/5/31,24,2、添加剂对水煤浆制备的影响水煤浆制备的目标是获得优良的水煤浆，它应具有理想的流变特性、稳定性和较高的浓度。要获得高浓度、低黏度的水煤浆,煤质是关键.研究表明,影响成浆性的煤质因素主要包括煤的变质程度、表面亲水性、孔隙率、矿物的种类与含量、可磨性、煤岩组分以及表面性质等。尽管上述因素都属于煤的自然属性,但制备水煤浆用的各种添加剂,可以在一定范围内程度不同地改变这些属性。添加剂的主要作用在于改变煤粒的表面性质，促使颗粒在水中分散。使浆体有良好的流变特性和稳定性。此外还要借助添加剂调节煤浆的酸碱度消除浆体中的气泡、有害成分等。,2020/5/31,25,根据作用不同，可将添加剂分为分散剂、稳定剂和助剂三大类，其中前两种最为重要。分散剂是最重要的添加剂，其主要的用途是降低水煤浆的粘度，使之具有良好的流变特性。分散剂属表面活性剂，常用阴离子型和非离子型两类。,2020/5/31,26,阴离子型分散剂属低分子量电解质或大分子及准高分子聚电解质。包括磺酸盐、羧酸盐及少量磷酸酯类。普遍应用的是磺酸盐。萘磺酸盐、磺化腐植酸盐、磺化木质素及石油磺酸盐及磺化沥青等均属此列。典型产品是萘磺酸钠甲醛缩合物,添加量视煤种约为干煤量的0.5%一1.0%。,2020/5/31,27,二、水煤浆的制备,可分为：用户型-就地制浆就地使用；矿区型-选煤厂或矿区附近；中央型-在矿区和用户以外的独立工业场地；水煤浆的分类：第一类精煤水煤浆；第二类超精细水煤浆；第三类煤泥水煤浆。,2020/5/31,28,水煤浆的技术参数,2020/5/31,29,水煤浆的制备方法主要有两种，即干法和湿法,干法制浆,湿法制浆,2020/5/31,30,第三节水煤浆的基本特性,一、水煤浆的流变特性通常与时间无关的流体的流变方程可用下面的幂律方程表示：,-剪切应力，pa；y-屈服应力，pa；k-均匀性系数；-剪切速率，1/s；,2020/5/31,31,牛顿流体和非牛顿流体,凡流体以切变方式流动，但其切应力与剪切速率之间为非线性关系者均称为非牛顿流体。非牛顿流体流动的特征是，它不服从牛顿粘度定律，其粘度不是一个常数，随着切应力、切变速率的变化而变化。牛顿流体的流动曲线如图1所示。非牛顿流体的类型有宾汉流体、假塑性流体和胀塑性流体等，这些类型流体的流动曲线如图2所示。,2020/5/31,32,切应力与剪切速率关系,图1：牛顿型流体的流动曲线（tan=t/r=）,图2：几种流动曲线的比较,2020/5/31,33,(1)宾汉流体这个类型的流体也称作宾汉塑性体，如牙膏、油料、地质钻探用的泥浆等。其流动曲线如图2中的D曲线。它与牛顿流体的流动曲线（图中A曲线）特征相同，均为直线型，只是它不通过原点，其含义是只有切应力超过一定值、（屈服应力）之后才开始流动。这是因为超过ty，才能破坏静止时形成的高度空间结构而实现流动。(2)假塑性体图2中的曲线B为假塑性体流动的特征曲线，该流体的流动曲线弯向切变速率坐标轴一侧，表征着其粘度随切应力、切变速率的增大而逐渐降低的特性，因此而被称为切应力变稀的流体。大多数热塑性塑料、橡胶和高分子聚合物溶液等都属于此类流体。(3)胀塑流体图2中的曲线C为胀塑性流体流动的特征曲线，该曲线弯向切应力坐标轴一侧，这表征着其粘度随切应力、切变速率的增大而逐渐升高的特性，因此而被称为切应力增稠的流体。,2020/5/31,34,n流动指数。,当y=0,n=1时,=k（）为牛顿流体，当n=1,时为宾汉塑性体（BinghamPlasticfluids），当，若n1为胀性体（dilatantfluids），n1为假塑性体（paeudoplasticfluids）；而屈服假塑性体（Yieldpaeudoplasticfluids），它们的流变图见下图。,2020/5/31,35,2020/5/31,36,理想水煤浆流变特性,静态时有较大黏度，防沉淀；动态时，有较低黏度，便于泵送，雾化性能好。可见，宾汉塑性体、屈服假塑性体都有随剪切速率增加，黏度变小的特性。,2020/5/31,37,影响水煤浆流变性的因素,1、水煤浆浓度水煤浆的浓度既影响水煤浆的流变性又影响水煤浆的属性;,2020/5/31,38,最大限度提高水煤浆浓度，减少其中水分，对提高水煤浆着火和燃烧稳定性，提高沉积稳定性意义重大。每1%含水量大约降低0.1%热值。但提高水煤浆浓度又影响流变特性。需要综合考虑。,2020/5/31,39,水煤浆的浓度与粘度的关系,2020/5/31,40,确定水煤浆的浓度对水煤浆的制备、储存、运输、雾化和燃烧都十分重要。,2020/5/31,41,水煤浆最高浓度的方法,高浓度低粘度稳定的水煤浆中煤粒微孔内凝聚和吸附的水分达到饱和状态，煤粒被一层液膜所包围和分隔，煤粒间的空隙全部被水填充，颗粒间能够滑动而具有一定的流动性。煤粒的悬浮态为聚沉态。水煤浆粗分散体系是重力作用大于扩散作用的动力不稳定系统。由于Stokes沉降和胶凝脱水收缩作用的存在，在静置时必然会发生沉降与沉积。,2020/5/31,42,沉积平衡时，煤床性质达到动力稳定状态。此时平衡沉积床仍然服从实用水煤浆的成浆机理，浓度已达到实用水煤浆的临界值，而认为平衡沉积床的煤浆浓度就是成浆的最高浓度，其中的水分就是成浆的最小水分。根椐上述原理，水煤浆密度、质量浓度、最大析水率、体积浓度之间存在以下关系：,2020/5/31,43,上式说明1/wc与w(Cwc)成线性关系。水煤浆密度与最大析水率的关系，根椐质量守衡定律，水煤浆密度WC与平衡沉积床密度wc1有如下关系：,因,因为,令,(1),(2),(3),2020/5/31,44,为平衡沉积床体积分率，%；-为最大析水率，%；-为平衡沉积床体积，m3;-为水煤浆体积,m3;-为析出水的体积,m3。,由于水和沉积床的密度不随初始条件w(CWC)、WC变化，所以上式说明WC与fL成线性关系。,(4),2020/5/31,45,水煤浆密度与体积浓度的关系可表示为：,说明体积浓度与水煤浆的浓度WC成线性关系;用(4)和(5)式整理得:水煤浆体积浓度与平衡沉积床体积分率成正比,(5),(6),说明水煤浆体积浓度与最大析水率成线性关系，与平衡沉积床体积分率成正比且比例常数为床层中煤粒的体积浓度。,2020/5/31,46,根椐水煤浆体积浓度与最大析水率间存在线性关系，可以建立以下关系式：,(7),式中：a、b均为常数，由不同浓度下的析水率静态稳定性实验通过联立(7）求出。对确定的煤种，在得到a和b两个系数后，最高体积浓度取fL=0时的计算值。然后计算出最高质量浓度。为了提高计算精度可采用多次试验，用最大析水率和最高浓度作图确定。,2020/5/31,47,2.水煤浆的粘度,影响水煤浆流变性的另一参数是水煤浆的粘度，也是工程上最常用的表征流体流变性的重要参数。对于牛顿流体，为粘度系数，仅是温度和压力的函数，与剪切速率无关。在流变学范围里，这个量不是一个系数，而是剪切速率dw/dy的一个函数。我们将函数=f(dw/dy)定义为“剪切粘度”或简称粘度，在通常的工程文献中，常常被称为“表观粘度或有时被称为剪切依赖性粘度。,2020/5/31,48,在绝大多数场合，发现粘度随剪切速率的增加而降低，导致目前普遍称谓的“剪切变稀”行为。,左边曲线表明，在剪切速率非常低(剪切应力)的极限情况下，粘度是常数；同时，在高剪切速率(剪切应力)的极限情况下，粘度又变为常数，但其值较低。这两种极端情形有时分别称为低牛顿区和高牛顿区，低与高是指剪切速率而不是粘度。也可以用第一牛顿区和第二牛顿区两个术语表示粘度达到恒定值的两个区域。,2020/5/31,49,由于粘度不仅影响水煤浆输送的能量消耗雾化和燃烧特性，而且影响其本身的稳定性。因此也进行了大量的研究工作，现已提出了许多以悬浮体体积浓度为参数的粘度公式，例如Dougherty和Krieger方程：,2020/5/31,50,Dooher,J.等采用以下简单的幂律表示他们试验的水煤浆的粘度结果。,影响水煤浆粘度的因素很多，除水煤浆的浓度外。还有水煤浆的温度化学添加剂剪切速率煤的品种等。试验研究可知，水煤浆黏度随加热温度的提高而减小，且在不同加热温度条件下黏度均随剪切速率的提高而下降。同时也有研究表明，水煤浆加热温度超过140时，水煤浆中添加剂性质将发生改变，会使水煤浆从拟塑性流体变为凝胶体流体，大大丧失了水煤浆原有的流动特性。,2020/5/31,51,图4-9水煤浆剪切应力黏度随温度和剪切速率的变化,2020/5/31,52,添加剂含量与水煤浆黏度的关系曲线1-添加剂0.5%;2-添加剂0.6%;3-添加剂0.7%4-添加剂1.0%,浓度65.9%;5-添加剂1.0%，浓度64%,6种不同水煤浆温度-黏度曲线,2020/5/31,53,3、煤粒的电动势,煤粒的电动势是水煤浆流变性的控制参数之一。水煤浆要求的电动势应使煤粒有效的分布，使每一煤粒在剪切情况下有最大机会以最小能量占据它在组成中的位置。如果此系统的化学性质使煤粒相互吸引，该系统将絮凝，各煤粒不能自由运动，因而黏度增大。相反，当所有煤粒彼此排斥时，颗粒间距离和流动性为最大。这种作用是由水煤浆组成中的胶粒部分所产生的电势所决定的。,2020/5/31,54,胶粒稳定所需的电势,对多数水煤浆，合适的电势约为-50mV,2020/5/31,55,4、触变性,触变性是大多数水煤浆的又一力学特性，即在剪切应力的作用下，水煤浆网状结构体系被破坏和恢复的效应。触变性的描述较为复杂，触变性愈好，对水煤浆的应用愈有利，例如，贮存时水煤浆具有良好的稳定性，在搅拌后，液体受到剪切应力的作用，触变性愈好的流体将使表观粘度降低愈多，煤浆即具有更好的流动性和雾化性，有利于泵送和雾化.,2020/5/31,56,触变性流体和流凝性流体：,触变性流体的剪切应力和剪切速率的关系随剪切应力的持续时间而改变。随剪切时间增加，其流阻减小。与次相反为流凝性流体。,2020/5/31,57,添加剂影响触变性：,图4-15添加剂的影响；图4-16水煤浆的结构形成特性曲线（讲）；PM曲线、Ps曲线水煤浆触变模型：北京科技大学,2020/5/31,58,第四节、水煤浆燃烧技术,水煤浆是由煤粉和水混合的液体燃料，所以它的燃烧也要像燃料油那样经喷嘴将其雾化成雾滴后喷入炉膛组织燃烧。但由于水煤浆的组成成分、流动特性和燃烧特性既有别于油类液体燃料，又不同于煤粉固体燃料，因此以下将从水煤浆的燃烧特性、雾化特性、燃烧组织等方面来论述水煤浆的燃烧技术。,2020/5/31,59,一、单滴水煤浆的燃烧特性,水煤浆是一定细度的煤粉和水的均匀机械混合物，其单滴浆液无论直径大小都是由多颗煤粒构成的煤水混合微团。微团中煤粒直径很小，粒径小于75m的煤粒约占70%-80%，经喷嘴雾化的浆滴的平均直径约100m左右。水分存在于煤粒之间、煤粒表面和煤的孔隙中。如下图所示。,2020/5/31,60,单滴水煤浆结构,水煤浆滴失重和温升曲线,单滴水煤浆的整个燃烧过程分成加热、水分蒸发、挥发分析出及燃烧、焦碳燃烧及燃尽四个阶段。上图是浙江大学在示差热天平上对单滴水煤浆的整个燃烧过程所进行的热重分析结果，AB段是不等温加热过程，浆滴温升很快，当达到点B后，浆滴温度约为90C左右。在BC段内浆滴温度基本保持不变，是浆滴水分等温蒸发的过程，此时水分的大部分被蒸发析出，到达C点后浆滴的水分已基本蒸发完毕，温度继续上升，挥发分开始析出并着火燃烧，颗粒温度迅速上升，随着挥发分的析出、燃烧，颗粒达到一定温度后，焦碳开始燃烧，到达D点时挥发分已基本燃尽，由于焦碳的燃烧使颗粒的温度超过了炉温一直维持到F点，此时浆滴已基本燃尽，颗粒温度缓慢地降低到与炉温一致。,2020/5/31,61,水煤浆燃烧过程各阶段经历的时间,2020/5/31,62,1、水分对单滴水煤浆燃烧过程的影响,水分对燃烧的影响:由于水分的加热蒸发既要吸收炉内一定的热量，又要有一定的时间，浆滴中的挥发分要待大部分水分蒸发后在一定温度下才能开始析出。因此浆滴中的水分延迟了水煤浆的着火，这一点是水分对水煤浆燃烧的不利因素。此外蒸发过程中发生的浆滴颗粒结团现象对水煤浆的燃烧非常不利，实验发现，因雾化浆液疑聚结团使煤浆颗粒的最大滴径比配制煤浆的煤粉粒子大1-2倍，燃烧时间延长了3-7倍。,2020/5/31,63,水分对水煤浆燃烧有利的因素表现在：,水分蒸发后浆滴形成内部多孔结构粒子，减少了各种反应的内部阻力和增加了反应比表面积；高温下水分蒸发时发生的爆裂现象形成颗粒表面的大空穴或碎成几个小块，增加了反应的比表面积；在高温下水蒸汽和炭可进行气化反应，对炭的燃烧起到了催化反应。,2020/5/31,64,单滴水煤浆的水分蒸发计算建立在平衡蒸发的数学模型上,即,2020/5/31,65,2、单滴水煤浆挥发分的析出及燃烧,水煤浆的挥发分析出特性与一般煤粉有相同的特性。不同之处在水煤浆中水分蒸发后形成多孔结构的干煤粒，因此比表面积很大，使挥发分析出的速度比原煤粒大；水煤浆滴在挥发分析出阶段会使粒子膨胀直径增大50%100%，它不仅使粒子的比表面积增大，而且粒子的孔隙率也随粒子的膨胀而增加，使炭的燃烧特性得到改善。,2020/5/31,66,对单点水煤浆挥发分析出速度可用Arrhenius定率的形式:,Va