高压煤浆论文：水煤浆的制备与运用综述

作者：张鹏铭 孙国飞 单位：绍兴精功机电有限公司

基于煤炭结构的成浆性分析

利用煤炭多孔结构的特点，通过高压煤浆泵对水煤浆进行加压(一般为12～18MPa)，使含有分散剂的水强行进入煤炭颗粒的孔洞和裂隙中。由于煤包括煤粉成分的特性，决定了本身的疏水特性。因此，在水煤浆的制备过程中，为了使煤粉与水能够充分浸润，在水煤浆中加入适量的分散剂，改善煤与水的亲和性，制浆用分散剂所用的表面活性剂，一端是由碳氢化合物构成的非极性的亲油基，另一端是亲水的极性基，非极性的疏水端极易与碳氢化合物的煤炭颗粒表面结合，吸附在煤炭颗粒表面上，将另一端亲水的极性基朝外引入水中。极性基的强亲水性使煤颗粒的疏水表面转化为亲水，可形成一层水化膜，有效降低水的表面张力和提高煤颗粒表面张力。即通过分散剂将疏水性的煤颗粒与水结合在一起［4］。常温常态下，通过分散剂将疏水性的煤炭颗粒与水结合在一起的作用，并不是牢固的。这种结合方式在受到外界干扰，如温度变化、振动、煤炭颗粒自重下沉的作用下，煤水平衡状态可能会被打破，煤水分离，产生沉淀或板结［4］。而对水煤浆施加高压，不仅可通过分散剂将疏水性的煤炭颗粒表面与水结合在一起，而且通过被强行压入煤炭颗粒中的孔洞和裂隙中的分散剂的水溶液，经过水分子键及氢键与煤炭颗粒外界的分散剂的水溶液结合在一起，可大幅提高煤水结合的稳定性。另外，水煤浆在高压状态下，通过射流式水煤浆细化装置进行喷射时，高压水煤浆在脱离喷射口的瞬间其速度可达到音速或超过音速，同时高压水煤浆将产生空化膨胀粉碎，使煤、水、添加剂、煤炭中的油脂类胶质有机物质充分乳化混合［3］。采用特殊设计的射流式水煤浆细化装置喷射口使水煤浆自身发生相互之间的猛烈对撞达到粉碎细化的目的。经过对多煤种(如河南平顶山煤、铜川玉华煤、榆林神华煤、浙江长兴煤)水煤浆的多次高压高速喷射试验，证实上述思路和推断正确，且水煤浆的稳定性极佳。经浙江大学热能工程研究所国家水煤浆燃烧研究所检测，高压高速喷射得到的3次射流式水煤浆参数如下:①浆体质量分数61.2%，黏度85mPa•s，体积平均粒径90.9μm;②浆体质量分数62.8%，黏度113mPa•s，体积平均粒径74.0μm;③浆体质量分数65.2%，黏度513mPa•s，体积平均粒径83.5μm。

射流式水煤浆制浆工艺技术

工艺流程在射流式水煤浆制浆工艺流程(图略)中，采用三级射流细化工艺，即对水煤浆进行连续3次喷射，目的是遵循“多破少磨”的原则，降低生产加工成本，提高效率［5］。在前段通过高效的梯形磨机将煤磨成一定粒度的煤粉，在后段通过射流式水煤浆细化装置进一步将水煤浆粉碎至规定的粒度要求。射流式水煤浆制浆工艺主线为先磨后破。传统工艺都是先破后磨，且都是以湿磨为主，传统工艺生产的水煤浆的粒度，特别是精细水煤浆的粒度较难控制，且其功耗与经济成本之间的性价比难以达到要求。射流式水煤浆制浆工艺则是将原煤破碎至20～30mm的颗粒后进行粗磨，或者将精选煤直接进行粗磨。磨粉的方式为干磨，通过磨粉设备上的产品粒度调节装置，控制粗磨后的煤粉粒度，其煤粉粒度可以根据水煤浆工艺或水煤浆粒度的要求自动调节，其粒度范围一般在74～300μm(50～200目)。通过粗磨，可以达到以下目的:①控制煤经粗磨后的煤粉最大粒度，确保煤粉最大粒度不超过50目;②可充分利用磨粉的功能、特性和优势，在射流式水煤浆制浆的工艺中，粗磨设备选用风选，通过风选的作用，将磨制好的且符合煤粉粒度要求的煤粉及时由风流带走，将磨煤的功耗成本降低至最低，防止磨粉设备对符合粒度要求的煤粉重复研磨。在对符合煤粉粒度要求的煤粉进行收集后，分别对煤粉及分散剂溶液进行动态计量，混合搅拌成水煤浆粗浆，进入下道工序，进行进一步的高压射流细化粉碎。分散剂调制工艺不同的煤种，对分散剂溶液的浓度要求是不同的，因此全新的制浆工艺也要求对分散剂溶液调制工艺进行革新。将已经计量的粉状袋装分散剂或者已经计量的液态桶装分散剂倒入分散剂混合缸中，按照分散剂溶液的工艺要求，通过水表将计量后的水加入到分散剂混合缸中，由分散剂混合缸中的搅拌剪切装置，搅拌成分散剂浓浆。再通过装在分散剂混合缸底部的分散剂浓浆泵将分散剂浓浆全部泵送入过渡缸待用。按分散剂溶液的工艺要求，应将分散剂浓浆稀释成最终比例的分散剂溶液，通过2个柱塞式计量泵分别对自来水及过渡缸中的分散剂浓浆进行按比例计量泵送，按比例泵送的水和分散剂浓浆汇集到一起，通过一根管道进入到另一个管道式静态混合器，通过管道式静态混合器的作用，将水和分散剂浓浆充分混合均匀，最终汇入到分散剂缸中形成分散剂溶液待用。射流式水煤浆细化装置工作原理在射流式水煤浆工艺过程中，设计了大功率四柱塞煤浆泵和射流式水煤浆细化装置。大功率四柱塞煤浆泵是水煤浆建压的动力源，其工作原理是:大功率电机驱动1台双联式斜盘柱塞泵，双联式斜盘柱塞泵借助液油介质通过2个电液阀操纵2组4个双作用油缸作来回往复运动，每组2个双作用油缸与1个电液阀构成一个并列串接回路，即2个双作用油缸的无杆腔分别与电液阀的A、B口联接;2个双作用油缸的有杆腔相互串接，其特点是2个双作用油缸的活塞杆始终成180°相位角运动，即1个双作用油缸的活塞杆伸出时，另一个双作用油缸的活塞杆缩回。即每组2个双作用油缸的180°相位角错位往复运动是其本身的结构决定，而2组油缸之间的90°相位角错位往复运动则由电气控制实现。射流式水煤浆细化装置的工作原理是:水煤浆在高压状态下以极高的速度通过一个可调式间隙的喷嘴，从喷嘴射出的高速水煤浆流产生空化、膨胀、粉碎、乳化，同时发生自互碰撞，从而实现对水煤浆颗粒的进一步细化粉碎。为了达到生产精细型水煤浆，采用三级射流式水煤浆细化装置。理论上，每经过一次射流式水煤浆细化装置细化粉碎后，煤粉平均粒度减小20%。射流式水煤浆制浆工艺技术特点射流式水煤浆制浆工艺技术生产的水煤浆及生产工艺技术具有以下优点:①适应制浆的煤种更加广泛;②水煤浆中平均煤炭颗粒度可控性好;③制浆过程中分散剂用量少，且不需使用稳定剂;④水煤浆的稳定性好;⑤与传统水煤浆相比，同煤种同等浓度的水煤浆其黏度较低，若在同煤种同等的水煤浆黏度下，可以制取更高浓度的水煤浆;⑥改善了煤种与添加剂的配伍关系;⑦与传统水煤浆制浆工艺相比，射流式水煤浆制浆工艺可节能20%;⑧适合长时间仓储或长距离输送。成品水煤浆调浆工艺及产能采用射流式水煤浆制浆工艺技术生产的水煤浆，其稳定性良好。因此，在水煤浆的成品调浆过程中，不需要添加稳定剂。在成品调浆时，只需要对水煤浆的浓度进行测定并进行必要的调整即可，水煤浆在出厂后一段时间内无煤水分离、沉淀甚至板结现象。射流式水煤浆制浆工艺技术的产能有20万、10万、5万t/a。以产量20万t/a射流式矿物质水煤浆生产系统为例，各参数(参数略)射流式水煤浆制浆工艺技术，克服了球磨式水煤浆在生产应用过程中的诸多问题。经检索，在国内外尚未发现同类制浆技术。

射流式水煤浆燃烧试验

射流式水煤浆的燃烧试验，是在某生活小区取暖用的10蒸t海众水煤浆热水锅炉上进行的，燃烧试验分以下3次实施。1)射流式水煤浆质量分数61.2%，黏度85mPa•s。该浓度的射流式水煤浆在海众水煤浆热水锅炉上试烧了24h，在前段12h的射流式水煤浆试烧过程中，由于锅炉的燃烧工艺参数是参照球磨水煤浆的燃烧工艺参数进行的，发现射流式水煤浆的单位时间用量较球磨水煤浆偏大，锅炉的出力也偏大，经过现场分析认为射流式水煤浆黏度偏低，而锅炉燃烧喷嘴的引射气压未调整导致。因此，以炉膛内稳定的燃烧火炬为准，将锅炉燃烧喷嘴的引射气压调低。在后段12h的射流式水煤浆试烧过程中，发现射流式水煤浆的单位时间用量、锅炉的出力基本正常。射流式水煤浆燃烧后的灰烬呈灰白色。2)射流式水煤浆质量分数62.8%，黏度113mPa•s。该浓度的射流式水煤浆在海众水煤浆热水锅炉上试烧了36h。由于有了质量分数61.2%射流式水煤浆的燃烧经验，及时对锅炉的燃烧工艺参数进行了调整，该浓度的射流式水煤浆燃烧正常，射流式水煤浆燃烧后的灰烬呈灰白色。3)射流式水煤浆质量分数65.2%，黏度513mPa•s。该浓度的射流式水煤浆在海众水煤浆热水锅炉上试烧了24h。同样在对锅炉的燃烧工艺参数进行及时调整后，该浓度的射流式水煤浆燃烧情况良好，射流式水煤浆燃烧后的灰烬呈灰白色。利用煤炭多孔结构的特点，通过高压射流技术得到的射流式水煤浆，不但添加剂用量少，稳定不易沉淀;且相同浓度的水煤浆其黏度更低流变特性更好，故适应于生产高浓度射流式水煤浆。由于适用于射流制浆的煤种更加广泛，且便于长期储存和远距离输送，因此可使吨煤浆制造成本大幅下降。