水煤浆技术(CWM)

水煤浆技术（CWM）本章主要讲述水煤浆的概念、产生及发展、煤的成浆性、水煤浆的制浆工艺及添加剂。要求掌握煤的成浆性及制备技术，熟悉水煤浆添加剂。了解水煤浆的产生及发展、水煤浆管道输送和水煤浆在贵州的应用。水煤浆的产生•水煤浆（CWM)是70年代兴起的以代油为目标的新型燃料。它是把洗选后的低灰分精煤加工研磨成微细煤粉􀎠按煤约70%􀎠水约30%的比例和适量约1.0%的化学添加剂配制而成的一种煤水混合物。这种煤水混合物又称水煤浆(CWS)或煤水燃料(CWF)。由于水煤浆既能保持着煤的物理化学性能􀎠又能象石油一样具有良好的流动性和稳定性可以泵送􀎠又易储运和调整􀎠可以雾化燃烧􀎠又属低污染洁净燃料􀎠而且燃烧效率高􀎠有着代油、节能、环保、综合利用等多种效益􀎠受到世界各国工业界的高度重视􀎠在不久的将来􀎠水煤浆将会成为煤炭深加工利用诸多技术中最具有竞争力的一项技术。煤的成浆性•水煤浆作为均匀悬浮流体􀎠除了水煤浆中煤的固有特性发热量、灰熔点、含硫量等􀎠还有流体特性􀎠浓度、流变性、稳定性等􀎠。所谓煤的成浆性􀎠即将煤制成水煤浆的难易性􀎠包括水煤浆的流变性和稳定性。成浆性好􀎠说明该煤易制成水煤浆􀎠反之􀎠说明该煤难制成水煤浆。水煤浆特性•水煤浆作为流体燃料􀎠煤质一定后􀎠其流体特性直接影响到它的贮存、运输及燃烧􀎠通常用以下指标描述水煤浆流体特性。•1􀎠水煤浆浓度􀎠即水煤浆中固体含量􀎠通常用重量百分数表示。水煤浆的浓度确定需根据煤质、制浆工艺及燃烧要求综合考虑􀎠一般水煤浆浓度在62%~70%之间。•2􀎠水煤浆流变性􀎠τ=τy+ηrn——屈服-幂定律方程Τ-剪切应力τy-屈服应力η-刚性系数或塑性粘度r-剪切速率n-流动指数水煤浆流变性•τy=0n=1时,τ=ηr----牛顿流体•n=1时,τ=τy+ηr----宾汉塑性体•当τy=0,τ=ηrn,n1----胀性体•n1----假塑体•τ=τy+ηrn-----屈假塑体•制备水煤浆时,希望静态时,有较大粘度,以防止沉淀.动态时有较低粘度,便于泵送,雾化燃烧。符合此要求的有宾汉塑体,屈服假塑性体,它们均有剪切变稀效应.目前制备的水煤浆属宾汉塑性体(或屈服假性体)􀎠且具有一定的触变性􀎠浆体随着存放时间的延长粘度减小。影响水煤浆特性因素•主要有煤的煤质特性、煤粉的粒度组成、添加剂的类型及数量、水质、制备工艺􀎠磨制工艺、设备、搅拌强度、时间等􀎠、温度等􀎠对水煤浆产品总的要求是在较低粘度和较好稳定性下􀎠尽量提高其浓度。粒度组成对成浆性影响•水煤浆中煤粉粒度组成􀎠级配技术􀎠是影响水煤浆特性的关键技术之一􀎠它要求煤颗粒的粒度分布能达到较高的堆积效率􀎠即颗粒相互堆积时􀎠大颗粒间的空隙被小颗粒充填􀎠小颗粒间的空隙又被更小的颗粒充填􀎠可使空隙量小􀎠固体容积浓度高􀎠这样减少了空隙的耗水量􀎠有更多的水参加流动􀎠提高了制浆浓度􀎠改善了流动性。煤质对成浆性影响•①变质程度•从元素分析C、H、O、N、O/C、N/C、H/C中􀎠O/C•比对成浆性影响较大􀎠O/C比增大􀎠成浆性变差􀎠煤中•O/C比反映含氧官能团的多少􀎠含氧官能团羰基-C=O􀎠•羟基-OH􀎠羧基-COOH等随煤的变质程度增加􀎠煤中O/C•比􀎠极性官能团减少􀎠成浆性变好。•②煤表面的孔隙特性•煤表面的孔隙特性一般有真密度、视密度、最高•内在水分、孔隙度、比表面积、平均孔径以及孔分布等•表征。煤质对成浆性影响•最高内在水分􀎠它是煤表面的极性和孔隙度的综合体现􀎠这些水分分布在煤的内表面􀎠当浆的重量浓度相同时􀎠就要减少起流动介质的水􀎠使粒度升高􀎠因此􀎠煤的内在水分越高􀎠成浆性越差。•③煤岩组分煤中的官能团主要分布在镜质组分中􀎠因此􀎠镜质组分越高的煤越难成浆􀎠另外􀎠煤岩组分高􀎠孔隙大􀎠可磨性指数􀎠HGI􀎠减小􀎠不易成浆。煤质对成浆性影响④矿物质􀎠灰分􀎠煤中的矿物质包括粘土类、硫化物类、碳酸盐类、氧化物类、硫酸盐类。灰分对成浆性的影响随煤种和添加剂而异􀎠O/C比低􀎠添加剂复杂时􀎠煤的成浆性随灰分升高而变好􀎠否则相反。当添加剂简单时􀎠因灰分升高􀎠成浆性变差。⑤可磨性可磨性好的煤实际上可以得到更多的微细颗粒􀎠因而提高了堆积效率􀎠易制得高浓度得水煤浆。低变质程度强极性褐煤􀎠难以制备出高浓度低粘度的水煤浆􀎠但由于它的强极性􀎠在水中能稳定存在。高变质程度的无烟煤􀎠疏水性强􀎠虽能制备出高浓度低粘度水煤浆􀎠但稳定性较差。􀎠煤成浆性评定􀎠张荣增模型􀎠•评定煤成浆性难易指标D分类如下表煤成浆性评定上述指标只供评价煤成浆性难易的相对比较而用实际制浆浓度还取决于制浆的粒度分布与添加剂配方等因素。•D=7.5+0.5Mad-0.05HGI•C=77-1.2D(%)•式中􀎠D——煤成浆性难易指标􀎠•HGI——煤炭可磨性指数􀎠•C——成浆浓度,%􀎠•Mad——分析基水分􀎠%。改善煤成浆性的措施•􀎠1􀎠配煤成浆••􀎠2􀎠压力处理••􀎠3􀎠热力处理••􀎠4􀎠新型添加剂的研究与应用。水煤浆制浆工艺•水煤浆根据厂址划分􀎠可分为用户型、矿区型和中央型三种。用户型水煤浆厂建在用户附近􀎠使用外来煤􀎠就地制浆􀎠就地使用􀎠使用管理方便􀎠缺点是用户需新增一套水煤浆制备设施􀎠并需培训专门人才􀎠矿区型水煤浆厂建在选煤厂或矿区附近􀎠原料供给方便可与选煤厂某些设施􀎠中央型水煤浆厂建在矿区和用户以外的独立工业场地􀎠生产的水煤浆供给若干用户􀎠其投资最大。•根据水煤浆厂处理能力的大小􀎠又分成几种厂型􀎠①小型厂􀎠10万t/a􀎠②中型厂􀎠10-50万t/a􀎠③大型厂􀎠50-100万t/a􀎠④特大型厂􀎠100万t/a水煤浆主要技术参数•制浆工艺即CWM制备工艺􀎠水煤浆制备的关键技术有煤种选择、级配技术和添加剂技术。水煤浆三要素•1􀎠原料煤特性原料煤是制浆的基础,从确定工艺的角度要掌握煤的可磨性、粒度组成、密度、成浆性等。•2􀎠级配技术级配技术为水煤浆产品中颗粒大小的组成情况􀎠将原料煤磨成水煤浆产品􀎠要求产品的粒度组成有较高的堆积效率􀎠堆积孔隙最小􀎠大颗粒间孔隙被小颗粒充填􀎠以次减少空隙的水量􀎠提高制将浓度􀎠改善产品流动性。•3􀎠添加剂特性CWM添加剂􀎠根据在CWM中所起作用不同分成分散剂、稳定剂、助剂等。水煤浆添加剂•分散剂的主要作用是改变煤表面亲水性􀎠降低煤水界面张力􀎠使煤粒充分润湿和均匀分散在少量水中􀎠改善CWM的流动性􀎠降低CWM的粘度。•稳定剂的作用是使煤粒在水中保持长期均匀分散防止其中的粗粒在重力或振动力作用下发生沉淀。•不同的煤种适应的添加剂不尽相同􀎠在CWM制备中􀎠不仅与所用添加剂的类型、数量有关􀎠还与添加剂的添加方式和添加点有关。水煤浆技术•在确定CWM制备工艺时􀎠应注意以下三点􀎠•①选择满足用户要求的煤种􀎠作为流体燃料CWM。对制备CWM的原料要求:灰分10%,硫分􀎠1.0%,Vdaf30%,ST1300℃,成浆性要好,易于制成高浓度CWM.(根据D,判断成浆难易)。•②添加剂选择要遵循性能价格比最优原则,同时对煤种适应性要强,无毒无环境污染。••③在CWM级配上,CWM中煤粉的堆积效率要高。•2、制浆方法的主要环节及功能•CWM制备工艺通常包括选煤(降灰、脱硫)、破碎、磨矿、加入添加剂、捏混、搅拌于剪切􀎠以及为剔除最终产品中的超粒与杂物的滤浆等环节。干法制浆工艺湿法制浆工艺•湿法制浆工艺􀎠从制浆原料上分􀎠有末精煤制浆工艺和浮选精煤制浆工艺两种􀎠从制浆浓度上分􀎠有高浓度湿法制浆、中浓度湿法制浆和高、中浓度磨矿级配制浆工艺。高浓度湿法制浆•指磨机磨矿浓度较高􀎠一般重量浓度大于62%􀎠磨机产品的粒度􀎠就是最终CWM的粒度􀎠流程如图4-2中浓度制浆工艺•指煤在中浓度下进行磨矿􀎠磨矿浓度一般在45%--50%􀎠由于中浓度磨矿的堆积效率不高􀎠所以很少采用单一磨机中浓度磨矿工艺􀎠图4-3为二段中浓度磨矿制浆工艺。高中浓度磨矿级配制浆工艺之一中高浓度磨矿级配制浆之二•这种工艺只有在处理难制浆煤种􀎠并要求生产高质量水煤浆产品时才有优势中高浓度磨矿级配制浆之三结合选煤的制浆工艺•结合选煤厂建制浆厂时应尽可能利用其中的细粒煤炭。最有前途的是利用选煤厂或矿区粒度小于1-0.5mm的浮选精煤或煤泥制浆。水煤浆添加剂•化学添加剂主要作用在于(1)改变煤颗粒间的表面性质􀎠提高煤炭表面的亲水性􀎠降低煤水界面间的张力􀎠(2)促使煤粒表面能更容易被水润湿,使煤颗粒均匀地分散在水中􀎠防止颗粒团聚􀎠(3)借助于添加剂调节煤浆的酸碱度、消除浆体中的气泡和有害成分等不利因素。•制浆时所用添加剂􀎠按其功能不同􀎠有分散剂、稳定剂、及其他一些辅助化学药剂􀎠如消泡剂、PH调整剂、防霉剂、表面改性剂及促进剂等多种。在这些添加剂中􀎠不可缺少的是分散剂与稳定剂。分散剂的作用机理•分散剂是一种可促进分散相􀎠如水煤浆中的煤粒􀎠在分散介质􀎠如水煤浆中的水中均匀分散的化学药剂。•在水煤浆制备中分散剂的主要作用是降粘。分散剂的作用机理可从三个方面即润湿分散作用、静电斥力分散作用和空间位阻力与熵斥力分散作用得到解释。􀎠润湿分散作用•润湿是指固体表面上的气体被液体取代的过程􀎠在讨论水煤浆问题时􀎠润湿是指煤炭表面为水所润湿。•水是一种极性物质􀎠具有较高的表面张力􀎠煤炭是非极性碳氢化合物􀎠具有较低的表面能􀎠被称为疏水性物质。但也存在容易为水所润湿的亲水部分􀎠主体是芳烃􀎠并通过烷烃链或原子彼此相连成为大分子结构。这些芳烃与烷烃属疏水性物质􀎠杂原子或杂原子团属亲水性物质。杂原子主要是氧、氮和硫等􀎠其中含氧官能团有羟基􀎠-OH􀎠、羰基􀎠=C=O􀎠、羧基􀎠-COOH􀎠。羟基和羧基的亲水性最强􀎠但羧基随煤化程度加深而减少􀎠所以煤炭对水的亲疏程度与煤中芳烃及烷烃与羟基含量比有关。润湿分散作用•煤中的芳环数随煤化程度的加深而增加􀎠所以􀎠煤炭表面的润湿性也大体上是随煤化程度的加深而增强􀎠各类煤炭表面接触角见表4-3。此外􀎠煤炭中的矿物质也属亲水性。静电斥力分散作用•当颗粒相互接触时􀎠如果没有其他力量的阻挡􀎠聚结是不可避免的。微小粒子的热运动为颗粒间相互碰撞、接触创造了机会。••颗粒间的吸引力来源于分子间的范德华作用力􀎠它是由相互作用粒子内部偶极矩产生的􀎠属电磁力。这种电磁力引起的吸力效果通常用吸引位能VA表示。••VA/kT=A(d/s）􀎠••kT–动能􀎠与颗粒直径立方成正比••VA与颗粒直径四次方成正比。静电斥力分散作用•颗粒间还存在静电的斥（吸）力。固体颗粒在水中由于表面物质电离􀎠晶格取代或从溶液中吸附离子而表面带电。煤粒通常带负电。带电粒子总是要从周围溶液中吸引极性与它相反的离子􀎠构成“双电层”。紧靠颗粒表面有一层溶液和反离子与颗粒实际上似为连成一体􀎠可随颗粒一起运动。滑动面与溶液内部间的电位差ξ􀎠称电动电位。••两相同电荷的颗粒之间静电排斥电位VR与kT之比为􀎠VR/KT=0.01ξ2ln（1+e-s/δ）􀎠••ξ对静电排斥力影响最大。双电层•两个颗粒最终是吸引还是排斥􀎠取决于范德华吸力与静电排斥力两者的综合效应VT。在相距较远时􀎠吸引力占优势􀎠随着颗粒相互靠拢达到彼此的扩散层重合后􀎠静电斥力开始起作用􀎠且在某处达到最高值。由于吸引位能随距离减小增长比斥力位能快􀎠越过能峰后􀎠总位能迅速变成负值􀎠进入净吸引区。由此可知在有足够的静电斥力作用下􀎠如果颗粒所获外加能量不足以克服能峰就不会产生聚结。这就是依靠静电斥力的分散原理。••一般外界因素不会对范德华引力产生影响􀎠但颗粒间的静电斥力却受溶液环境影响很大。如溶液中离子浓度􀎠特别是高价离子浓度增加􀎠将压缩电动电位􀎠使电动电位ξ降低􀎠双电层厚度δ变薄􀎠使静电斥力迅速降低􀎠甚至消失􀎠使颗粒处于净吸力作用下