水煤浆技术讲座

高浓度水煤浆制备技术,徐志强教授中国矿业大学（北京）国家水煤浆中心制浆技术研究所,水煤浆是由约70%的干煤，30%水及少量化学添加剂制成的浆体燃料。应具备下列性质：,1.含煤浓度要高，通常为6270；2.煤粒应达到一定的细度。一般要求粒度上限为300微米，其中75；3.有良好的稳定性。储运中不产生不可恢复的硬沉淀，一般要求存放期超过一个月；4.流动性要好，并应具有良好的流变特性。,一、水煤浆的性质与用途,剪切变稀的流变图,剪切变稠的流变图,左图是我们所希望的一种剪切变稀的非牛顿流体。流动时粘度低，有利于泵送和雾化；静止时粘度高，可防止颗粒沉淀。而不应该做成如右图那种剪切变稠的流体。通常要求在剪切速率为100S-1时，表观黏度28%，灰分、硫份、灰熔点、与热值应符合用户的需求。,按照D值可将煤炭成浆性难易分成四档。,国外只研究了部分煤质因素各自对制浆的影响，无法综合评定成浆性，更不能预测可制浆浓度。,三、水煤浆制备技术,3.粒度级配,三、水煤浆制备技术,3.粒度级配,只有大颗粒,充填了细颗粒,再充填了更细颗粒,粒度分布中各粒级的搭配称“级配”。只有级配合理，大小颗粒能相互充填，减少空隙率，提高固体容积浓度（即堆积率），才能少用水，制出流动性好的高浓度水煤浆。,如何分析和掌握级配的优劣，是制备高浓度水煤浆的一项关键技术。,三、水煤浆制备技术,国外只研究了少数几种等径颗粒相互堆积的规律。水煤浆是连续粒度分布，所以难以分析它的充填规律。国外是通过实验，总结某些典型粒度分布的最优模型参数值来指导实验。我们认为，按模型参数来判断级配的优劣，有很大的局限性,因为实际物料不可能完全符合某种典型分布。我们建立了隔层堆积理论和计算机模拟算法，可计算任一粒群的堆积率，并预测可制浆浓度。也就是先对连续分布作离散处理，按粒径与孔径比分成若干窄级别，再进行随机隔层堆积计算。,三、水煤浆制备技术,将这项技术与成浆性评价方法结合起来，成为我们独有的评价、诊断与改进制浆工艺的有效手段。如果制浆浓度达不到成浆性预测值，首先应分析粒度分布,若堆积率低于70，应改进磨矿；否则应改进添加剂配方。该项技术用于指导试验研究与工业生产，取得显著成效。在瑞典与Fluidcarbon公司合作中，用他们的工艺和中国添加剂，制浆浓度只有62%，达不到要求的66%。瑞方认为中国添加剂不行，我方诊断出是产品的堆积率不高，只有63，指出是瑞典的磨矿工艺问题。通过优化磨矿工艺，使堆积率提高到71，用中国的添加剂做出了浓度67的水煤浆。,三、水煤浆制备技术,为此，他们称这是中国高磨矿技术，请我们帮助改进浆厂设计。,三、水煤浆制备技术,4.化学添加剂,煤浆流动时，要求黏度低；静止时，又要能转变成高黏度,阻止颗粒沉淀。为此，添加少量（1左右）化学添加剂是必要的。,我们按照对添加剂作用机理的新认识，开发出三种系列的分散剂和有机与无机两种系列的稳定剂。结合级配技术优势，使吨浆添加剂费用降为国外的1/31/5。日本吨浆添加剂费用14美元，其他国家更高，我们只需要35美元。,美国专利是按胶体稳定性DLVO理论，认为添加剂的作用是提高煤粒电位，达到分散和降粘；并认为，只要分散就可提高稳定性。,三、水煤浆制备技术,DLVO理论对胶体无疑是正确的，但对水煤浆这种高浓度粗分散体系，我们认为并不适用。,我们的研究结果表明：,阴离子添加剂确实提高了电位,非离子添加剂对电位并没有影响，却有很好的降粘效果；,所以，提高电位不是使水煤浆分散的必要条件。,单纯改变溶液的pH可以提高电位，却没有降粘效果。,三、水煤浆制备技术,在高浓度条件下，反而需要使颗粒絮凝，形成空间结构，才能有效阻止沉淀。即使沉淀，也是一种可恢复的松软沉淀。,实践表明，仅靠分散不足以防止沉淀：,水煤浆最大粒度达300m，是动力上非常不稳定的粗分散系，不管分散已否，总要发生沉淀；,为降粘，要使颗粒分散；为提高稳定性，又要使颗粒絮凝。这是两种对立的作用，为了使它们能够共存，我们提出了“浆粒”的概念。,三、水煤浆制备技术,先使煤粒表面吸附表面活性剂，并形成水化膜，构成浆粒，靠空间位阻实现分散与降粘；再用稳定剂使浆粒絮凝形成空间结构体，以阻止颗粒沉淀。,储存时，靠结构体保持稳定；流动时，结构体被破坏，又恢复降粘效果。既满足了流动性的要求，又具有良好的稳定性。,三、水煤浆制备技术,制浆工业生产中，最重要的是磨矿技术。选矿中的磨矿，通常只要求达到一定的细度；而制浆中的磨矿，除细度要求外，更重要的是要获得高堆积率产品。瑞典、意大利、俄罗斯和日本为此需要用24台磨机分别磨矿，配合制浆。我们通过对磨矿过程的研究，掌握了产生优良级配的磨矿技术，包括磨机结构与运行工况的优化设计、合理配球。所研制的专用磨机，一次磨矿就能得到较高的堆积效率，从而提高了水煤浆质量，并可简化工艺和减少添加剂费用。,5磨矿技术,三、水煤浆制备技术,在此基础上，研制出单系统制浆能力从350万吨/年的制浆专用系列磨机。,球磨机,振动磨机,搅拌磨机,三、水煤浆制备技术,磨矿预测与实际技术指标对比,从而简化了制浆工艺，并节省能耗，功耗仅相当引进日本设备的62。,实践表明：所研制磨机的处理能力、产品质量，与设计中的预测值非常接近，一次磨矿就得到堆积率超过70的产品。,三、水煤浆制备技术,特别是，产品的粒度分布与设定的十分一致。下图是大同制浆厂设计与实际产品的粒度分布间关系。,图中“曲线”为设计，”点”为实际产品,三、水煤浆制备技术,已有7台50MW电站锅炉，24台中小油炉以及陶瓷、烧结等烧油窑炉改烧水煤浆。改造中的还有100MW与200MW电站锅炉。,汕头电厂50MW改烧水煤浆锅炉,胜利油田改烧水煤浆的10吨油炉,四、水煤浆代油的效益,取得显著的节油与经济效益约2.2吨水煤浆可替代1吨油，节省燃料费1/3。燕山石化燃用46.8万吨水煤浆，节省燃料费1.27亿元；汕头万丰电厂燃用水煤浆29万吨，节省燃料费8700万元。,以水煤浆代油的经济效益与油价关系密切，按目前浆价及汇率，折算与燃油费用持平的到厂油价，如下表。,四、水煤浆代油的效益,（2）水煤浆燃烧时，火焰中心温度比烧油约低1000C1500C，炉内含水蒸气，可显著减少NOx排放。在20t/h锅炉上，对NOx排放实测数据为：烧油为282ppm，烧水煤浆为102ppm。,代油也取得较好的环境效益：,燃油与燃浆火焰温度的对比,（1）燃用水煤浆SO2排放量相当低硫油。燕山石化为209mg/m3，白杨河电厂为627.4mg/m3，汕头万丰电厂1台50MW油炉改烧水煤浆后，每年减排SO2约3000吨。,四、水煤浆代油的效益,已有100多台中、小燃煤锅炉改烧水煤浆，取得较好的节煤与环境效益。水煤浆的洁净煤特性表现在下述三方面：,水煤浆的制备、储运全封闭，避免了煤炭在装、储、运中损失带给环境的污染；燃用水煤浆热效率高，中小锅炉热效率可达83以上,燃煤的锅炉效率平均为5060。实践表明，用于中小锅炉代煤可节煤1/3，因而也减少了对环境的污染；燃用水煤浆明显地减少了燃煤NOx的排放。因为水煤浆的燃烧温度比煤粉低约100，可减少NOx生成。,煤粉与水煤浆炉温比较,四、水煤浆代油的效益,部分锅炉燃用水煤浆环境监测数据,我国中、小燃煤锅炉有49万多台，为控制燃煤污染，改烧水煤浆是现实可行的途径。改烧油或天然气当然污染会更少，但不可能都具备这种资源与经济条件。,五、水煤浆代煤的效益,中、小燃煤锅炉改烧水煤浆也有经济效益,由表中可以看出：烧水煤浆可节煤40，燃料费与电耗比烧煤高，维修与人员费用比烧煤低。两者相抵后，烧水煤浆的总费用仍然低于烧煤。,五、水煤浆代煤的效益,六、水煤浆技术的新进展,单线一磨机50万吨/年水煤浆技术装备研究开发的目的在于：降低制浆生产的能耗由单线25万吨/年扩大到50万吨/年，制浆生产的综合能耗可以降低1020%。节省建厂投资单线制浆生产能力提高一倍，可以减少制浆工艺设备台数和厂房面积约50%，从而减少制浆厂的建设投资约35%左右。降低制浆生产成本由于降低了制浆能耗，减少了生产岗位定员和折旧费，制浆生产成本约可降低10%以上。国家发改委2004年“节能和新能源关键技术装备开发专项”发改办高技2004753将“单线50万吨水煤浆技术装备的开发”列入研制开发计划。,2低阶煤制浆及燃烧技术的研究与开发现在已建成的水煤浆厂大多利用成浆性较好的气煤、1/3焦煤等制浆，一方面在一定程度上与冶金用煤“争口粮”，造成煤炭资源的不合理利用，同时也加大了制浆生产成本。我国的低阶动力用煤（不包括褐煤）约占我国煤炭总储量的42.4，而且煤质优良、价格相对低廉（约为一般炼焦煤种价格的1/2至1/3），但由于其成浆性差（如神木煤）而没能被充分利用。开发低阶煤制浆技术不仅可以优化我国煤炭资源的合理利用，扩大水煤浆制浆原料煤的来源，同时还可有效的降低水煤浆的生产成本。,六、水煤浆技术的新进展,低阶烟煤的主要特点是:内在水分高、煤的内孔隙发达及比表面积大、富含极性官能团及含氧量高、丝质组含量多导致煤的可磨性差等等。这些特性使低阶煤的成浆性属于较难（如大同煤）或极难成浆性（如多数神木煤）等级。同时低阶煤（如多数神木煤）一般灰熔点较低，给燃烧带来一系列问题，低阶煤水煤浆的燃烧技术也是一个重要研究方向。,六、水煤浆技术的新进展,低阶煤制浆也列入2004年国家发改委“节能和新能源关键技术装备开发专项”的研制开发计划。,六、水煤浆技术的新进展,3大型水煤浆专用锅炉与高效燃烧器的研制与开发随着水煤浆应用规模的扩大，水煤浆专用锅炉也向更大吨位发展。广东南海龙光集团发电一厂原有两台670蒸吨的燃油锅炉，目前正将一台改为水煤浆锅炉，这是目前国内最大的水煤浆锅炉。大型水煤浆专用锅炉与高效燃烧器的研制与开发是水煤浆一个重要研究方向。,六、水煤浆技术的新进展,4中小燃煤、燃油锅炉改烧水煤浆水煤浆代煤燃烧，具有显著的节能效益，中小燃煤锅炉改烧水煤浆可以节煤约三分之一。水煤浆代煤具有较好的环境效益。随着我国治理燃煤污染的力度加大，我国49万多台的中小燃煤锅炉以水煤浆代煤会有很好的推广应用前景。,六、水煤浆技术的新进展,5精细水煤浆制备与燃用技术的研究与开发精细水煤浆是水煤浆技术研究的深化，通过对煤炭的深度加工，将煤中的灰分降到1%左右，然后用这种超净煤制备代替轻质燃油精细水煤浆。目前已在9kW农用柴油机上做无负荷运转试验成功，常压下，在小型燃油锅炉中燃烧试验成功。精细水煤浆产业化必将为煤代油提供了广阔的应用领域。,六、水煤浆技术的新进展,6水煤浆脱硫技术的研究燃煤排放SO2给大气带来的污染已成为社会关注的热点。我国电源结构以火电为主，占75，火电中又以煤电为主，占90以上。全国火电厂二氧化硫排放量占全国二氧化硫排放量的40以上。国家规定，在“两控区”内新建、改造燃煤含硫量大于1的电厂必须建设脱硫设施，现有燃煤含硫量大于l的电厂，要在2010年前分期分批建成脱硫设施或采取其他具有相应效果的减排措施。,六、水煤浆技术的新进展,水煤浆由于和煤粉的燃烧方式不同，在与煤粉硫分相同的情况下，其燃后二氧化硫和氮氧化物的排放明显低于煤粉。若采用合理的制浆工艺，并在制浆过程中加入脱硫剂，制备出脱硫型水煤浆，使燃用这种水煤浆在不另加烟气脱硫装置情况下也能达到环保要求，不但可为我国治理燃煤污染开拓一个新途径，而且可大大拓宽水煤浆技术的应用空间。,六、水煤浆技术的新进展,7小型连续式高效水煤浆制备装备的研制与开发单线3-25万吨/年的水煤浆生产系统已广泛应用；水煤浆有一个经济运输范围问题；对大型用户可以接近建浆厂；在小型用户比较集中的地方也可集中建一个水煤浆厂；孤立的小型用户供浆则比较困难；陶瓷间歇式的陶瓷磨制浆不仅效率低，而且会造成二次污染；因此有必要开发3万吨/年以下连续式高效水煤浆制备装置，以满足不同要求的小用户的需要。,六、水煤浆技术的新进展,8利用水煤浆技术处理工业废水我国造纸及纸制品工业企业废水排放约35亿吨，工业废水达标排放率53.74%，造纸工业水污染防治，是一项十分艰巨的任务。造纸制浆废水中含有大量的有机和无机化合物，同时具有一定的热值（约有1000大卡），实验研究证明，将制浆造纸废液与煤炭一起加工制备成废液水煤浆，可作为纸厂锅炉的燃料，也可燃烧发电，这样既可以解决环保问题又可以节约水资源、充分利用废液中的有效成分和热量。,六、水煤浆技术的新进展,碱法草浆造纸黑液中所含有较多的碱性物质，如碳酸钠Na2CO3、氢氧化钠NaOH、硫酸钠Na2SO4等。因而可提高脱硫效率。试验表明，黑液煤浆具有显著的脱硫作用，总脱硫率高达96.43。同样，利用水煤浆技术也可处理制革、化工的其他工业废水，是治理工业废水污染的一个有效途径。,六、