精細水煤漿制備與應用技術(shù)的研究

第29卷第2期煤炭學(xué)報Vol 29 No. 22004年4月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAp2004文章編號⑩253-9993(2004)2-0226-04精細水煤漿制備與應用技術(shù)的研究付曉恒,王祖訥,柴保明,李紅楓,劉萬(wàn)峰,萬(wàn)玲娟中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化工與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083)摘要:論述了精細水煤漿的特點(diǎn)、制備的關(guān)鍵技術(shù)及其應用前景,介紹了精細水煤漿在小容量燃燒器和柴油機中的試驗結果.初步試驗表明,精細水煤漿在該燃燒器中的燃燒熱強度接近柴油;摻有一定量柴油的精細水煤漿在柴油杋中可以實(shí)現穩定燃燒.關(guān)鍵詞:精細水煤漿;潔凈煤;燃燒器;柴油機中圖分類(lèi)號文獻標識碼:AResearch on preparation and application of ultra-cleanmicronized coal water slurryFU Xiao-heng, WANG Zu-ne, CHAI Bao-ming, LI Hong-feng, LIU Wan-feng, WAN Ling-juanSchool of Chemical and Environment Engineering, China University of Mining and Technology( Beijing ) Beijing 100083, ChinaAbstract: Characteristics and key techniques of a ultra-clean micronized coal water slurry UCMCWS) and itprospects were described. Experiment results in a small capacity combustor and a diesel engine were introducedThe preliminary experiments indicated that the specific thermal intensity of UCMCWS in the combustor is closehat of diesel and the combustion of uCmcwS mixed with diesel is stabileKey words: ultra-clean micronized coal water slurry i clean coal combustor diesel engine我國的煤炭資源豐富,是世界上少數以煤為主要能源的國家之一.但我國的石油資源相對短缺,200年我國石油進(jìn)口依存度已達到約30%,在未來(lái)的20a內有可能達到40%以上,石油安全已涉及到我國的能源安全.因此,充分利用我國豐富的煤炭資源,開(kāi)發(fā)煤代油技術(shù),對于我國的經(jīng)濟建設和能源安全具有重要意義.水煤漿是20世紀⑧0年代初發(fā)展起來(lái)的低污染、髙效率的煤基流體燃料,具有類(lèi)似于油的流動(dòng)性和穩定性,可以方便的泵送、儲運和霧化燃燒.水煤漿燃燒時(shí)火焰溫度比油低,產(chǎn)生的NO比油少.水煤漿技術(shù)是一種投資省、成本低、見(jiàn)效快、簡(jiǎn)單易行和成熟度高的代油技術(shù),用普通洗精煤(制漿煤的灰分約為10%)制備的水煤漿已經(jīng)商業(yè)化,為企業(yè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟和社會(huì )效益.但是,這種普通水煤漿的粒度較粗(平均粒度約為45μm,粒度上限一般小于0.3m),灰分較高(制漿煤的灰分一般約為10%),如果應用于對噴咀精度要求比較高和燃燒空間比較小的燃用柴油旳熱工設備,容易造成噴咀的堵塞、曆損和在燃燒空間積灰、結渣,無(wú)法或很難替代柴油.中國煤化工于電站的大型鍋爐取得了很好的效果.精細水煤漿是常規水煤漿的延伸,具有性、穩定性和可霧化CNMH性.但其制漿煤的粒度特別細(一般小于10μm),灰分特加11x-∠,對有些煤種可小于1%),濃度可達到50%~55%.美國在20世紀80年代為應付石油價(jià)格危機,著(zhù)手開(kāi)發(fā)精細水煤漿技術(shù),收稿日期:2003-06-20作耆簡(jiǎn)病屴據(1957-),5男,江西南昌人,博士,副教授.Tel:010-62331694,E-mail:fuxiaohengt@263.net第2期付曉恒等:精細水煤漿制備與應用技術(shù)的研究227并在內燃杋上進(jìn)行了試驗,但由于其制備的精細水煤漿的成本接近于柴油,加上石油價(jià)格的下跌,該技術(shù)停止了商業(yè)化,作為儲備技術(shù)保留.目前,我國的精細水煤漿技術(shù)已達到中試水平,由于開(kāi)發(fā)了一種低成本、高效旳超凈煤分選技術(shù),使等熱值的精細水煤漿的價(jià)格約為柴油的60%·精細水煤漿的特點(diǎn):①制備精細水煤漿的原料煤是經(jīng)過(guò)超細粉碎并經(jīng)過(guò)深度分選的超凈煤,在此過(guò)程中煤中的無(wú)機礦物和有杋可燃體被充分解離并得到分選,故對同一種制漿原料煤而言,精細水煤漿的灰分和硫分遠低于普通水煤漿.由于精細水煤漿粒度細,灰分很低,故燃燒速度快,效率高,可以提高燃燒強度.③精細水煤漿可作為柴油的替代燃料用于中小型燃油鍋爐、中央空調等,并有望用于柴油杋和燃氣輪機,代油范圍遠大于普通水煤漿.④燃燒精細水煤漿時(shí)可配用簡(jiǎn)單、小體積和低成本的靜電除塵器,而普通水煤漿燃燒時(shí)需配置大體積、高投資的靜電除塵器.另外,由超凈煤分選工藝分選的超凈煤不僅可以用于制備精細水煤漿,還可作為碳素材料的原料,由此分選岀旳尾煤灰分不是很高,是制備普通水煤漿的原料,根據該技術(shù)設計的精細水煤漿廠(chǎng),既有可能生產(chǎn)超凈煤粉,作為碳素材料的原料,又可聯(lián)產(chǎn)普通水煤漿.因此,超凈煤的分選和精細水煤漿的制備是技術(shù)含量更高的煤炭深度加工技術(shù),比普通水煤漿有更廣闊的應用前景,使煤代油技術(shù)向前邁岀一大步.精細水煤漿的制備1.1超凈煤的分選超凈煤是指灰分特別低的煤,依煤種而異,其灰分可低于3%甚至低于1%.要獲得超凈煤,主要有物理方法和化學(xué)方法,化學(xué)方法是通過(guò)藥劑和煤中無(wú)機礦物反應,生成可溶性物質(zhì),達到脫除煤中灰分的目的,其特點(diǎn)是脫灰效率高,對大部分煤都可使其灰分降到1%以下,但工藝復雜,成本高,對環(huán)境污染嚴重.另一種方法是物理法,脫灰時(shí)煤中組分沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化,該類(lèi)方法中脫灰效果較好的是美國OTSSCA公司在20世紀80年代初開(kāi)發(fā)的油團聚法,其團聚劑為短鏈、低沸點(diǎn)的正戊烷,通過(guò)正清水、抑制劑絮凝劑戊烷有選擇地使低灰分煤粒團聚成較磁實(shí)的團粒,[原科煤粗調漿「-超細磨絮團發(fā)生器再用篩分的方法把低灰的超凈煤分離出來(lái),為了分散劑原料煤回收團聚劑,降低成本,再用加熱的方法回收團聚劑,這一方法達到了降低團聚劑用量的目的,精細水煤漿[制}[壓濾[多次精選但正戊烷揮發(fā)性強,易著(zhù)火和爆炸,安全是一大問(wèn)題分散劑濃縮絮團-浮選是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種低成本、高普通水煤漿效分選微細粒煤的選煤方法(圖1).原料煤經(jīng)過(guò)粗碎后加水調成濃度為30%的煤漿,送入超細圖1超凈煤分選和精細水煤漿制備原則工藝流程攪拌磨機粉碎到煤中的無(wú)機礦物質(zhì)和有機可燃體Fig.1 process flowsheet of ultra-clean coal充分解離,如果原料煤中含有較高的黃鐵礦或泥separation and UCMCWS preparation質(zhì)物,可在超細磨中加入抑制劑,超細磨后的煤漿進(jìn)入絮團發(fā)生器,在高剪切率和絮凝劑的作用下,煤漿中的有機可燃體結成常規泡沫浮選可有效分選旳絮團,而尾煤分散懸浮在煤漿中,為獲得灰分盡可能低的超凈煤,一般要進(jìn)行多次精選.低灰的精煤經(jīng)壓濾脫水后制夆成精細水煤漿.也可直接作為超凈煤產(chǎn)品.低濃度的尾煤經(jīng)濃縮機濃縮后送壓濾機脫水,濾餅作為制備中國煤化工量分選試驗表明,對般的煤種,都可使其灰分降到3%以下,部分煤種可降到CNMHG1.2精細水煤漿的制備采用大同煤分選的超凈煤制備的精細水煤漿的質(zhì)量濃度為51.0%,粒度為90%的小于15.6μm,低位熱值為15.28MJ/kg,若柴油的熱值按45.98MJ/kg計算,則3t精細水煤漿可以替代lt柴油.該精細水煤漿的流變巒戮如圖2所示,由圖2可見(jiàn),該精細水煤漿為脹塑性流體,但其黏度卻很低,100剪切煤炭學(xué)報2004年第29卷率對應的黏度為225mPa·s,不出現硬沉淀的時(shí)間為1個(gè)月左右表1部分煤樣絮團-浮選分選結果Table 1 Partial results of coagulation-flotation黏度/mPa.s煤種精煤灰分/%精煤產(chǎn)率/%尾煤灰分/%入料灰分/陜西神木焦作精煤15.71品R太西精煤48.40大同精煤河北東龐新汶精煤20.14剪切率D/s密魯煤2.51.7618.510.4圖2精細水煤漿的流變特性Fig 2 Rheology of UCMCWS2精細水煤漿的應用2.1精細水煤漿燃燒器為了將精細水煤漿應用于中小型燃油鍋爐或中央空調,筆者結合精細水煤漿的熱值比柴油低的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于精細水煤漿燃燒的燃燒器2.該燃燒器由噴槍和預燃室組成,采用壓縮空氣霧化精細水煤漿,預燃室如圖3所示.霧化的精細水煤漿從預燃室的割線(xiàn)方向噴入,在切線(xiàn)方向給入二次助燃風(fēng).試驗表明,因為采用高速旋流燃燒方式霧化空氣延長(cháng)了漿滴的燃燒時(shí)間;在預燃器的不同旋轉半徑之間存在次配風(fēng)配風(fēng)速度差,使漿滴很快脫離惰性氣體的包裹,及時(shí)與空氣中的氧接觸,提高了氧的反應強度;高強度旋流造成大量高溫煙圖3燃燒精細水煤漿的小容量燃燒器氣的回流,從而使燃燒穩定,燃燒熱強度與柴油接近,高達ig. 3 Combustion of uCmCWS in a8.12×10kJ/(m3·h),遠高于普通水煤漿的燃燒熱強度.all capacity combust由于漿體的灰分特別低,燃盡后少量的飛灰隨煙氣排岀,在燃燒室中沒(méi)有積灰和結渣的情況.對于水煙氣排除的少量飛灰,正在研制一種低成本、低能耗的小型靜電除塵器來(lái)脫除.該燃燒器的開(kāi)發(fā),為精細水煤漿代替柴油應用于中小型燃油鍋爐和中央空調打下了基礎2.2精細水煤漿在柴油機中的應用l892年狄塞爾提岀柴油機的專(zhuān)利中,就把柴油機稱(chēng)為多種燃料發(fā)動(dòng)機.美國、瑞士、澳大利亞、日本等對內燃杋燃用精細水煤漿進(jìn)行了實(shí)驗室規?；蚬I(yè)示范研究,美國在低速大功率柴油機上燃用精細水煤漿,在燃燒與曆損方面取得了重要進(jìn)展,如美國摩根能源技術(shù)中心近年來(lái)由能源國際公司和GQ公司組成的科硏小組致力于燃煤內燃機的研究.他們的硏究表明,煤和柴油混合物在柴油機上燃燒技術(shù)上可行.本試驗采用一臺S195-1型單缸高速農用柴油機,對現有的供油泵和噴咀進(jìn)行改造,通過(guò)另設高壓油封解決了油泵和噴咀的偶件曆損和卡死問(wèn)題.中國煤化工試驗燃料為精細水煤漿和柴油的混合物,即油-水-CNMHG為1.25%,揮發(fā)分為79%,固定碳為64.84%,全硫為0.265%,粒度小于24.5μm的占90%,小于10.0μm的占50%,平均直徑D[4.3]為12.2μm.油水煤漿中煤:柴油:水為28.7:53.8:17.5,熱值為30.72MJ/kg,剪切率100s-對應的黏度為2)0mPa·s.用CW-20型電渦流測功儀測定柴油機輸出功率,用KM900煙氣分析儀測定煙氣勢用ⅹMZ型數字煙溫儀測定煙氣溫度.表2為柴油機應用柴油和油-水-煤精細漿的初第2期付曉恒等:精細水煤漿制備與應用技術(shù)的研究229步試驗結果3.由試驗結果可知,在輸出功率和轉速相同的條件下,燃用油水煤漿的熱效率稍低于柴油NO的排放量卻遠低于柴油,原因是油-水-煤精細漿的燃燒溫度低于柴油.燃用柴油時(shí)未測出SO2,而燃燒油-水-煤精細漿時(shí),SO2的濃度也不高,為(8~-27)×10-°,原因是制漿煤的硫分很低表2柴油機燃用油-水一煤精細漿的試驗結果Table 2 Test results of ultra-clean micronized oil- coal- water slurry in diesel engine輸出功率精細油水煤漿熱效率/%煙氣溫度℃NO2×10-6S02×10-6熱效率/%煙氣溫度/℃NO2×10SO,×1020.218,8414.2132.346初步試驗表明,普通柴油機經(jīng)過(guò)不大的改造,可以穩定地燃燒油-水-煤精細漿.3結論〔1)采用低成本、高效的絮團-浮選深度分選技術(shù)可以分選岀超凈煤,該超凈煤制備的精細水煤漿可以替代柴油,進(jìn)一步拓寬了水煤漿的代油范圍2)通過(guò)采用旋流燃燒方式,精細水煤漿在硏發(fā)旳小容量燃燒器中的燃燒熱強度接近柴油,為精細水煤漿應用于中小型燃油鍋爐和中央空調奠定了基礎3)在對現有的柴油機改動(dòng)不大的情況下,柴油機燃用精細油水煤漿是可行的,但僅是初步試驗,有關(guān)燃燒工況的優(yōu)化以及缸體曆損等問(wèn)題尚需做大量的工作參考文獻[Ⅰ]國家”九五”科技攻關(guān)項目研究報告〔95-215-01-04).煤炭深度物理加工工業(yè)應用技術(shù)的研究[R]中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區),1999[2]李紅楓.精細水煤漿小容量霧化與燃燒的研究[D]北京:中國礦業(yè)大學(xué)〔北京校區),2001[3]劉萬(wàn)峰.精細煤漿的制備及其在柴油杋上的燃燒特性[D]北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區),2003÷∷∷∷∷∷六∷∷∷∵∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷六∷∷六∷∷小∷2004年《煤炭科學(xué)技術(shù)》、《煤炭學(xué)報》雜志社舉辦″貫徹國家安全生產(chǎn)監察局′12字方針′學(xué)術(shù)研討會(huì )”征稿啟事為貫徹國家安全生產(chǎn)監察局關(guān)于煤礦瓦斯治理”先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)、監測監控”12字方針,促進(jìn)煤礦安全狀況進(jìn)一步好轉,《煤炭科學(xué)技術(shù)》、《煤炭學(xué)報》雜志社將于2004年第3季度舉辦“貫徹國家安全生產(chǎn)監察局′12字方針'學(xué)術(shù)研討會(huì )”(會(huì )議地址待定)現征集有關(guān)論文,內容如下:(1)煤礦瓦斯防治技術(shù)及裝備;(2)煤礦安全監控技術(shù)及裝備(3)煤礦通風(fēng)技術(shù)及裝備;(4)在安全生產(chǎn)中貫徹“12字方針”的體會(huì )和經(jīng)驗論文不超過(guò)6000字,本刊將邀請有關(guān)專(zhuān)家對論文進(jìn)行評審,通過(guò)評審的論文將以專(zhuān)刊或其他形式出版,刊出的論文每篇收取版面費1000元.征文截止時(shí)間:2004-07-31.投稿可直樣.投稿時(shí)請附聯(lián)系電話(huà)、詳細通信地址和作者簡(jiǎn)介.V凵中國煤化工請注明研討會(huì )征文”字E-mail:cst410@126.com;mtxb@ⅶip.163.com;傳真:(010)CNMHG郵寄:北京市和平里青年溝東路5號煤炭科學(xué)研究總院《煤炭科學(xué)技術(shù)》編輯部;郵政編碼:10O013聯(lián)系人:王宗禹(010)84262920;高雪梅(010)84262930;劉軍娥(010)84262926《煤炭科學(xué)技術(shù)》、《煤炭學(xué)報》雜志社2004年4月