蘇 鑫

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 10013；2.國家水煤漿工程技術(shù)研究中心，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源，在未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)煤炭引領(lǐng)能源的現(xiàn)狀難以改變[1]。水煤漿是潔凈煤技術(shù)的分支之一，其是由煤、水以及添加劑混合而成的煤基液體燃料和氣化原料。水煤漿技術(shù)自20世紀(jì)80年代引入我國后，歷經(jīng)30余年的科技攻關(guān)與生產(chǎn)實(shí)踐，生產(chǎn)與應(yīng)用規(guī)模均處于全球領(lǐng)先地位[2-4]。水煤漿的應(yīng)用范圍極廣，涉及冶金、化工、電力、建材、輕工、石油等領(lǐng)域，根據(jù)用途不同可將其分為燃料水煤漿和氣化水煤漿。其中燃料水煤漿用于工業(yè)鍋爐或中小電站鍋爐，具有高效節(jié)能、環(huán)保排放、密閉清潔等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國燃料漿的使用量已達(dá)2 000萬t/a。在氣化水煤漿領(lǐng)域，隨著GE氣化技術(shù)的引進(jìn)，尤其隨著我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)的研發(fā)成功，氣化漿的用量也在急劇上升[5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[6]，截至2017年底，采用水煤漿為進(jìn)料的氣化爐，如GE、多噴嘴、多元料漿等，已投產(chǎn)數(shù)量超過300臺(tái)，用漿量達(dá)2億t/a以上，且隨著大型新建項(xiàng)目的相繼投產(chǎn)，其用量還將繼續(xù)增加[7-8]。

在水煤漿研究初期，制漿用煤多以中等變質(zhì)程度的煤種(氣煤、1/3焦煤等)為主[4]，但隨著類似煤種的不斷開采，其儲(chǔ)量也日益減少，與此同時(shí)相應(yīng)的煤價(jià)亦逐漸增加，因此，變質(zhì)程度較低的低階煤逐漸被用作主流的制漿用煤[9]，如長(zhǎng)煙煤、不黏煤。但低階煤的煤質(zhì)特征使得用戶在使用常規(guī)制漿工藝的條件下很難制出具有優(yōu)良流變特性的高濃度水煤漿，不利于燃燒和提高氣化爐效率[10-11]。有研究表明，氣化水煤漿濃度每提高1個(gè)百分點(diǎn)，生產(chǎn)1 000 Nm3合成氣的煤耗、氧耗分別降低10 kg、10 Nm3[12]。因此，無論水煤漿鍋爐或氣化爐，水煤漿作為原料都是其生產(chǎn)中需控制的重要環(huán)節(jié)，而水煤漿濃度屬于其核心指標(biāo)，濃度越高則進(jìn)入爐內(nèi)的水分越少，也就更有利于燃燒和氣化，因而如何利用低階煤制備出具有優(yōu)良流變特性的高濃度水煤漿已成為行業(yè)內(nèi)急需解決的問題。粒度級(jí)配是水煤漿制漿及提濃技術(shù)的關(guān)鍵，根據(jù)該核心理論，國內(nèi)眾多科研院所和企業(yè)展開研究[13-14]，逐漸探索出“分級(jí)研磨制漿工藝”并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 級(jí)配理論

1.1 分形級(jí)配理論

分形幾何學(xué)可定量描述不同形狀顆粒群體的空間特性，對(duì)于復(fù)雜的幾何形體可采用分形理論。水煤漿具有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，其屬多級(jí)、多層次的復(fù)合燃料體系，尤其煤粉的粒度級(jí)配具有突出的自相似性，滿足分形理論的應(yīng)用條件。

分形理論可以很好地描述水煤漿粒度級(jí)配狀態(tài)，應(yīng)用PFC2D(Particle Flow Code in 2 Dimension)/PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimension)軟件可以通過模擬顆粒堆積狀態(tài)預(yù)測(cè)分形級(jí)配模型，進(jìn)而計(jì)算出顆粒的堆積效率。以下為模型的推導(dǎo)建立過程。

由分形理論分形維數(shù)的定義可得:

(1)

經(jīng)整理可得:

(2)

式中，N(r)為粒徑小于r的顆粒含量；N(rmax)為不同粒徑的顆?？偭?；r為某顆粒粒徑，μm；rmax為最大顆粒的粒徑，μm。

根據(jù)上式可得在[r，r+dr]粒徑區(qū)間內(nèi)的顆粒含量為:

(3)

式中，yv(r)為表示粒徑小于r的顆粒百分含量，%；V(r)為表示粒徑小于r的顆粒數(shù)量；V(rmax)為表示總的顆粒數(shù)量；r為表示煤的顆粒粒徑，μm；Df為表示分形維數(shù)；rmin為表示最小煤顆粒的粒徑，μm；rmax為表示最大煤顆粒的粒徑，μm。

1.2 粒度分布與成漿性關(guān)系

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用單磨機(jī)設(shè)備最終制得的水煤漿原料通常屬于單峰連續(xù)分布的狀態(tài)，而采用分級(jí)研磨工藝則會(huì)出現(xiàn)雙峰甚至多峰連續(xù)分布的狀態(tài)。通過長(zhǎng)期對(duì)單磨機(jī)和分級(jí)研磨的粒度分布研究，將實(shí)驗(yàn)室的大量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了單磨機(jī)出料粒度大致符合連續(xù)的單峰正態(tài)分布，如圖1所示。分級(jí)研磨是在單磨機(jī)出料粒度的基礎(chǔ)上再取部分煤粉進(jìn)行超細(xì)研磨，所以分級(jí)研磨出料粒度大致符合連續(xù)的雙峰分布情況，如圖2所示。

圖1 單磨機(jī)出料粒度分布Fig.1 Particle size distribution of single mill discharge

圖2 分級(jí)研磨出料粒度分布Fig.2 Particle size distribution of graded grinding

從圖1、圖2可看出，單磨機(jī)的分布基本符合1個(gè)正態(tài)分布，中粒徑煤粉含量較高。分級(jí)研磨是將部分粗粉磨細(xì)，然后用細(xì)粉填充到粗粉中，所以可看到圖中出現(xiàn)了連在一起的雙峰。圖2中的煤粉進(jìn)行級(jí)配，無疑其堆積密度遠(yuǎn)高于圖1中的單磨機(jī)煤粉的堆積密度，即分級(jí)研磨的粒度級(jí)配堆積效率高于單磨機(jī)的堆積效率。

1.2.1單峰堆積效率

采用PFC2D對(duì)連續(xù)分布下不同平均粒徑的顆粒分別進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 等徑顆粒堆積模擬計(jì)算結(jié)果Fig.3 Simulation results of equal diameter particle accumulation

1.2.2雙峰堆積效率

運(yùn)用PFC2D將2種不同粒徑分布的顆粒進(jìn)行模擬計(jì)算，找尋細(xì)顆粒含量對(duì)顆粒整體堆積效率的影響規(guī)律，其中模擬的顆粒平均粒徑(D[4,3])分別為125 μm和15 μm。在平均粒徑為125 μm的顆粒中加入不同比例平均粒徑為15 μm的細(xì)顆粒后，堆積效率的變化情況如圖4所示。

圖4 雙峰級(jí)配模擬計(jì)算結(jié)果Fig.4 Simulation results of double-peak graded blending

由圖4可看出，隨著平均粒徑為15μm的細(xì)顆粒含量的增加，雙峰級(jí)配的堆積效率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)細(xì)顆粒含量為20%時(shí)，堆積效率最高能達(dá)到83.52%，較單峰級(jí)配堆積效率平均提高了4.2%。因此，對(duì)雙峰級(jí)配制漿工藝而言，適當(dāng)增大細(xì)粒含量，使細(xì)顆粒占比達(dá)20%左右，可以制得較高濃度的水煤漿。

2 工業(yè)試驗(yàn)

內(nèi)蒙古某公司年產(chǎn)20萬t甲醇項(xiàng)目目前采用水煤漿氣化技術(shù)，氣化水煤漿制備系統(tǒng)以鄂爾多斯本地低階煤為制漿原料，每天處理干煤約1344 t。制漿系統(tǒng)由2條棒磨機(jī)(φ3.2 m×4.5 m)生產(chǎn)線組成，2條全開無備用，每條棒磨機(jī)生產(chǎn)線每小時(shí)制漿能力為28 t干煤，采用單棒磨機(jī)制漿工藝。由于煤漿濃度偏低，使有效氣含量偏低，比煤耗、比氧耗偏高。同時(shí)煤漿中過多的水在爐內(nèi)變?yōu)檎羝笳加昧艘欢臻g，降低了氣化爐的轉(zhuǎn)化效率，嚴(yán)重影響了企業(yè)在行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此，為了提高制漿濃度、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)降耗，采用低階煤分級(jí)研磨高濃度水煤漿制備專利技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行煤漿提濃，對(duì)原有的制漿系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，涵括增設(shè)1臺(tái)CYM11000C1型超細(xì)研磨機(jī)。改造完成后，制漿系統(tǒng)由2套φ3.2 m×4.5 m棒磨機(jī)和1套CYM11000C1型超細(xì)研磨機(jī)組成，棒磨機(jī)2開無備用，超細(xì)研磨機(jī)常開。

2.1 煤質(zhì)分析

公司氣化用煤來自周邊礦井，采用陽塔煤為制漿用煤，陽塔煤的煤質(zhì)分析見表1。由表1可知，該生產(chǎn)用煤屬于中高水分、特低灰、中熱值、中等可磨的低階不黏煤，灰熔融性溫度較低，有利于GE氣化爐平穩(wěn)運(yùn)行，該煤種屬于難成漿煤種。

表1 陽塔煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)Table 1 Coal quality analysis data of Yangta coal

2.2 改造方案

2.2.1工藝流程

原有煤漿制備系統(tǒng)為單棒磨機(jī)制漿工藝，生產(chǎn)流程如圖5所示。具體過程如下:經(jīng)過破碎的煤、制漿水和水煤漿添加劑由棒磨機(jī)入口進(jìn)入，經(jīng)過棒磨機(jī)內(nèi)鋼棒的研磨后，漿體通過棒磨機(jī)末端的滾筒篩，符合要求的煤漿通過滾動(dòng)篩進(jìn)入低壓煤漿槽，再由煤漿泵輸送至高壓煤漿槽供氣化使用。該工藝雖流程相對(duì)簡(jiǎn)單，但所制水煤漿的粒度分布不合理，漿濃度偏低，存在著流態(tài)及穩(wěn)定性差等問題。

圖5 原有制漿系統(tǒng)工藝流程Fig.5 Process flow chart of original pulping system

原生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)過改造后新增1套細(xì)漿制備系統(tǒng)。改造后的制漿工藝為“分級(jí)研磨制漿工藝”，該工藝將“選擇性粗磨”和“超細(xì)研磨”進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，增加煤粉顆粒的堆積效率，優(yōu)化產(chǎn)品的流動(dòng)性及穩(wěn)定性，其工藝流程如圖6所示，其中虛線內(nèi)為新增細(xì)漿制備系統(tǒng)。

圖6 改造后制漿系統(tǒng)工藝流程Fig.6 Process flow chart of pulping system after transformation

煤漿槽中少部分煤漿(20%)通過配漿泵輸送到粗漿槽，并與配水管道的流量值形成串級(jí)(配水管道帶有與配漿泵流量形成串級(jí)的調(diào)節(jié)閥)，通過自動(dòng)計(jì)算后配入一定量的工藝水，稀釋后的煤漿通過泵送入超細(xì)研磨機(jī)，研磨合格的細(xì)漿最終通過細(xì)漿泵重新輸送至棒磨機(jī)中。此套工藝可優(yōu)化煤漿粒度級(jí)配，適當(dāng)增加大小顆粒的粒徑差，顯著改善其流變性，達(dá)到提濃降耗的目的。

2.2.2主要設(shè)備

根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模改造配置1臺(tái)CYM11000C1型超細(xì)研磨機(jī)，整套系統(tǒng)共配置2臺(tái)配漿泵、2臺(tái)粗漿泵、3臺(tái)細(xì)漿泵，主要設(shè)備及相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 新增主要設(shè)備及相關(guān)參數(shù)一覽表Table 2 List of new main equipment and correlation parameter

2.3 運(yùn)行效果

原有煤漿制備系統(tǒng)改造前后的煤漿指標(biāo)見表3，其中水煤漿濃度采用干燥箱干燥法測(cè)定，表觀黏度采用同軸雙轉(zhuǎn)桶黏度計(jì)法測(cè)定，穩(wěn)定性采用傾倒法測(cè)定。煤漿提濃前后氣化工段運(yùn)行效果見表4。

表3 提濃系統(tǒng)開車前后水煤漿指標(biāo)Table 3 Coal water slurry indicators before and after system open

表4 提濃系統(tǒng)開車前后氣化工段運(yùn)行效果Table 4 Operating result of gasification section before and after system open

從表3可知，增加提濃系統(tǒng)后煤漿中煤粒的粒度級(jí)配得到優(yōu)化，煤漿濃度提高2.6%，表觀黏度為821 mPa·s，且通過加入細(xì)漿，生產(chǎn)的水煤漿穩(wěn)定性也有所好轉(zhuǎn)，析水率由原來的2.8%減至2.2%。細(xì)漿的加入改變了原有煤漿的粒度級(jí)配，適當(dāng)增加煤漿中大小煤粒的粒徑差，使小顆粒可更有效填充至大顆粒的間隙中，增加了顆粒間的空間位阻，減小了大顆粒沉降速度，穩(wěn)定性有所好轉(zhuǎn)。

提濃系統(tǒng)運(yùn)行后，棒磨機(jī)的出漿情況亦有所好轉(zhuǎn)，出料端滾筒篩不易堵塞，沖洗頻率降低，此為細(xì)漿加入后充當(dāng)了顆粒之間的“潤(rùn)滑劑”，在煤漿流動(dòng)時(shí)，作為復(fù)合流的水煤漿，其垂向分布更加均勻，有利于減小流動(dòng)阻力[15]。

從表4可知，通過增加煤漿提濃系統(tǒng)，氣化工藝的比煤耗由原來的563 kg/1 000 Nm3降至545 kg/1 000 Nm3，比氧耗由原來的363 Nm3/1 000 Nm3降至351 Nm3/1 000 Nm3，有效氣體積分?jǐn)?shù)也由原來的80.26%提高到81.95%，主要因?yàn)樗簼{濃度提高后，進(jìn)入氣化爐的水分減少，在氣化爐操作溫度不變的情況下，減少給氧量，使煤中的碳更多地向CO轉(zhuǎn)變，有效氣含量增加。改造后噸精甲醇耗煤及耗氧均有所降低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)分形級(jí)配理論，利用PFC2D對(duì)單峰堆積效率和雙峰堆積效率進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果表明，利用平均粒徑15 μm的煤粒填充平均粒徑125 μm的煤粒，形成的雙峰級(jí)配堆積效率最高可達(dá)83.52%，較單峰級(jí)配提高4.2%。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果在工業(yè)上進(jìn)行驗(yàn)證，采用分級(jí)研磨制漿工藝后，在氣化用煤和添加劑用量不變的前提下，水煤漿濃度由60.2%上升到62.8%，增加了2.6個(gè)百分點(diǎn)；水煤漿濃度提高后，氣化比煤耗降低了18 kg/1 000 Nm3，比氧耗降低了12 Nm3/1 000 Nm3，有效氣體積分?jǐn)?shù)提高了1.69個(gè)百分點(diǎn)，噸精甲醇耗煤減少0.07 t，耗氧減少29 Nm3，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(3)增加提濃系統(tǒng)后，煤漿的粒度分布得到優(yōu)化，使煤漿的穩(wěn)定性有所好轉(zhuǎn)，且通過細(xì)漿的“潤(rùn)滑”作用，產(chǎn)品的流動(dòng)性得以改善，棒磨機(jī)出料端更加順暢，減少了沖洗頻率。